JP2005518720A - M元直交コード化通信方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
Description
(関連特許文書との相互参照)
本出願は、「M元2直交コード化超広帯域通信システム」(AN M−ARY BI−ORTHAGONAL CODED ULTRAWIDEBAND COMMUNICATIONS SYSTEM)という名称の2002年2月20日出願のMatthew L.Welbornの米国仮特許出願第60/357,638号の優先権を主張する。上記特許出願の全文は、引用によって本明細書の記載に援用する。
[UWBシステムの特性]
UWBシステムの一実施形態は、1つの基本的なパルス形状により形成されている数列の持続時間の短いパルス(チップとも呼ばれる)をベースとする信号を使用する。個々のパルス間の間隔は、一定であってもよいし、又は一定でなくてもよい。通信用のデータでパルス列を変調するために使用可能な種々の異なる方法がある。しかし、1つの共通の特徴は、より高い搬送周波数に変換を行うことなく、パルス列が送信されることであり、そのため、UWBは「搬送波を使用しない」無線と呼ばれることもある。すなわち、この具体例の場合には、UWBシステムは、そのアンテナを直接ベースバンド信号により駆動する。
[低パワースペクトル密度に限定されたUWBシステム]
UWBシステムは、通常、大部分の現存の無線システムと比較すると、極度に広い絶対帯域幅を有する。この帯域幅は、数ギガヘルツ又はそれ以上の信号帯域幅をもたらすような、サブナノ秒パルスを使用したことによる直接的な結果である。また、これらの信号は、高中心周波数に変換することなく送信されるので、これらの信号が、多くの現存のスペクトル・ユーザがすでに使用している同じ周波数帯域で使用されることは明らかである。
[電力制限パターンにおける動作]
Wヘルツの帯域幅を使用して、T秒間にB個のビットを送信する(Rビット/秒)デジタル変調手法の帯域幅効率は、R/W=B/(WT)ビット/秒/Hzで表される。理解していただけると思うが、UWBシステムの帯域幅効率は、このシステムが、どのくらい効率的にスペクトルを使用するかという点においては重要ではないが、この比率の値は、より典型的な狭帯域システムからUWBシステムを区別するのに役に立つ。この比率R/Wに基づいて、デジタル通信システムを、帯域幅制限パターン又は帯域幅効率面の電力制限パターンで動作しているものとして分類することができる。この分類は、効率的な通信システムの設計の際に行わなければならない多くの重要なトレードオフに対して基本的な密接な関係を有する。
[電力効率の決定的な重要性]
電力制限パターンでのUWB動作の結果、このようなシステムは、システムの電力効率に影響を与える設計の際に非常に影響を受けやすくなる。このため、以下の記載における分析は、UWB変調技術の電力効率の決定的な問題、及び許容できる送信電力レベルにも影響を与えるかもしれない変調のスペクトル効率に焦点を当てる。電力制限動作の密接な関係は、通信範囲とデータ転送速度との間のシステム・レベルでのトレードオフや、複雑性と順方向誤り訂正における性能との間のトレードオフにも影響を与える。
[多経路の耐性と精度範囲]
超広帯域幅による1つの利点は、多経路干渉の影響を受けにくいことである。多経路干渉は、混雑した環境での信号の跳ね返りにより、ある信号の複数の時間的にずれているコピーが同時に受信機に到着した場合に起こる。耐性は、2つの異なる要因、すなわち、(1)広い部分的な帯域幅が、低電力無線システムの場合に特に重要である深い多経路フェージングを緩和すること、(2)広い絶対帯域幅により多経路部分を分解することができ、かつ多経路を積極的に使用することができることにより得られる。
[UWB変調選択の分析]
現在のFCC規制のもとでは、UWBの送信電力は、送信信号のパワースペクトル密度(PSD)により制限される。図2は、FCCが現在施行しているパワースペクトル密度制限を示すグラフである。
[パルス振幅変調]
すでに説明したように、UWB信号の1つの一般的な形は、簡単なパルス列である。パルスの時間的間隔が同じであると仮定した場合、(すなわち、K番目のパルスは、時間t=kTの時点で発生すると仮定した場合)、式(1)を下記のように簡単にすることができる。
[オンオフ・キーイング]
図3Aに示すように、OOKは、パルスが存在するかしないかによりデータを定義する。パルスが存在すれば「1」であり、パルスが存在しなければ「0」である。それ故、ビット・ストリーム「1010」は、パルスの存在、パルスの存在すべき場所の空白、パルスの存在、別の1つの空白というシーケンスを示す。
[正パルス振幅変調]
図3Bに示すように、PPAMは、パルスの振幅によりデータを定義する。「1」は振幅の大きなパルスを示し、「0」は振幅の小さなパルスを示す。それ故、ビット・ストリーム「1010」は、振幅の大きなパルス、振幅の小さなパルス、振幅の大きなパルス、及び振幅の小さなパルスのシーケンスで表される。
[2進位相シフト・キーイング]
図3Cに示すように、BPSKは、パルスの極性によりデータを定義する。「1」は非反転パルスで表され、「0」は反転パルスにより表される。それ故、ビット・ストリーム「1010」は、非反転パルス、反転パルス、非反転パルス及び反転パルスのシーケンスで表される。
[パルス位置変調]
UWBパルス変調のために提案された別の1つの技術、PPMは、上記PAM技術とは根本的に異なる。何故なら、パルス間の時間的間隔が等しくないからである。それどころか、パルスの振幅ではなく、個々のパルスの時間的位置を変調するためにソース・データ・ビットが使用される。例えば、2進PPMは、等間隔の基準位置に対して個々のパルスを時間的に進めたり、遅らせたりすることにより、パルス・ストリーム内のデータ・ビットをコード化する。この場合、UWB信号に対する式は下記のようになる。
[2進変調に対する電力効率の比較]
図4A〜図4C及び図5A〜図5Cの立体配座図を使用して、平均シンボル・エネルギーEsの関数としてのシンボル間の距離dを計算することにより、種々の2進変調技術の電力効率を比較することができる。OOKの場合には、Es=(02+d2)/2となり、それ故、d=√2Esである。正の値のPAM(PPAM)の場合には、d=(α1−α0)であり、そのため、Es=(α2 0+(d+α0)2)/2になる。dについて解くことにより、d=(√(2Es−α2 0)−α0)になる。α0≧0であると仮定した場合には、d≦√2Esとなり、α0=0の場合(すなわち、PPAMがOOKになった場合)、等しいことで満足する。対せき2進PAM(BPSK)の場合には、Es=(d/2)2となり、そのためd=2√Esになる。
[2進変調技術の分解]
図4A〜図4Cに示す2進PAM技術の場合には、立体配座図は、原点に対するその位置のみが異なる。電力効率がシンボル立体配座の平均に依存することは、通信理論においては周知の結果である。これが、BPSKのゼロ平均特性が、シンボル・エネルギーへのシンボル間距離の比率において他の技術より優れたものにしている理由である。この違いを理解するための別の1つの方法は、加重シーケンスをゼロ平均ランダム数列、ak=μa+zkに加算した一定の値のシーケンスに分解する方法である。このシーケンス分解により、UWBパルス列を、未変調の成分パルス列と対せき的な成分パルス列との合計として表すことができる。
[変調技術のスペクトル効果]
UWB変調技術を評価する際の別の1つの重要な考慮事項は、送信信号のスペクトルに対する変調の影響である。前に説明したように、UWB信号は、FCC規定によりそのPSDのピークにより制限される。その結果、システムの性能を最高にするために、PSDレベル上の任意の制限に対する送信電力が最大になるように信号を設計しなければならない。
[PAMのスペクトル分析]
UWB信号に対する変調手法の影響を理解するためには、孤立したパルスのスペクトルではなく、変調したパルス列のスペクトルを発見しなければならない。変調データがランダムなものであると仮定した場合、送信パルス列もランダムな信号であり、そのため決定論的フーリエ変換を持たない。しかし、ランダム・ソース・データ・シーケンス上でその予想値を発見することにより、信号電力のスペクトル分布に対する変調の影響を理解することができる。送信信号、s(t)のこのパワースペクトル密度(PSD)は、信号自動相関関係のフーリエ変換であり、Φss(f)により示される。PAM UWB信号のパルスの間隔は、式(2)に示すように等間隔であるので、PAM信号のPSDの一般的な形を下式で表すことができる。
[PPMに対するスペクトル分析]
式(8)及び(9)の結果は、PPMの場合には直接適用されない。何故なら、パルス間隔が時間的に等しくないからである。しかし、PPM信号に対するPSDを発見するために、上記式(7)で説明した分解技術を使用して、PPM信号を2つの等間隔のパルス列の合計として表すことができる。式(6)の定義から、m(t)及びb(t)は、シフトしたパルスp(t−β)及びp(tβ)の直交性がどうあろうとも、直交していることが明らかである。この事実から、式(7)の合成パルス列のPSDを発見することができる。2進PPM信号のPSDは下式で表すことができる。
本発明の別の1つの目的は、FCCのパワースペクトル密度制限に違反することなく、UWB信号の電力出力を最大にすることである。
一実施形態の場合には、K=2(B)であり、Bは2と8の間の数字である。一実施形態の場合には、Kは偶数であり、複数のコードは、K/2個の符号語及びK/2個の反転符号語を備える。
この方法は、さらに、受信したBビット・シーケンスを決定することの精度により、信頼性のレベルを示す1つ又はそれ以上の信頼性の値を決定すること、信頼性の値を出力することを含む。
一実施形態の場合には、K=2(B)であり、Bは2と8の間の数字である。
この方法は、さらに、受信したBビット・シーケンスを決定することの精度により信頼性のレベルを示す1つ又はそれ以上の信頼性の値を決定すること、信頼性の値を出力することを含む。
一実施形態の場合には、K=2(B)であり、Bは2と8の間の数字である。
[2進システム]
図1においてすでに説明したように、UWBシステムの一実施形態の場合には、一連のパルスが送信媒体を介して送られる。データを搬送するために、これらUWBパルスは、データをコード化(すなわち、変調)したものでなければならない。この場合、受信機は外部からのパルスを探知して、元のデータを復号することができる。図3A〜図3C及び図6A〜図6Dにおいて、すでに説明したように、種々のPAM手法及びPPM手法を含む多数の異なるアプローチが試みられてきた。
[M元システム]
本発明の背景の分析は、UWB信号の発生に適している2進変調技術に限定した。これらの2進技術をより大きなシンボル立体配座に拡張することができる多くの方法もある。数々の特定の例示の形態について以下に説明する。
[周波数の増大]
一実施形態の場合には、M−PAM(又は他の)変調手法を使用することなく、送信パルスの周波数を簡単に増大することができる(すなわち、単位時間当たりにより多くのパルスを送信することができる)。この方法は、UWB信号の可能な最大送信周波数まで効果がある。すなわち、このシステムは、最も速くパルスを送信することができる。
[符号語]
個々のパルスとしてデータを送信する別の1つの方法は、代わりに、各ビットを一連のパルスで表す方法である。この一連のパルスは、符号語と呼ぶことができる。2進システムの場合には、好適には、「0」を表すために一組のBPSKパルスを選択し、「1」を表すためにその反転したものを選択する。
[送信速度のスケールアップ]
さらに、UWBに含まれる任意の送信手法の1つの従来からの要望は、送信速度をスケールアップしたい(すなわち、データ・ビットをより速く送信したい)という願望である。例えば、100メガビットを送信する代わりに、数百メガビットを送信したいという願望である。
[M元2直交キーイング用システム]
図9は、本発明の好ましい実施形態による送信機及び受信機のペアのブロック図である。図9に示すように、送信機/受信機ペアは、送信機910と受信機920を含む。送信機910は、参照テーブル930、パルス整形回路(PFN)935、加算器940及び送信アンテナ945を含む。受信機920は、受信アンテナ950、フロントエンド955及び相関器960を含む。
[送信機]
参照テーブル930は、ビット・ストリームを受信し、このビット・ストリームをnビットのグループに分解し、その特定のnビット・グループに関連する適切な符号語を決定する。次に、参照テーブルは、適切な符号語に対応する一連の「1」及び「0」を順次出力する。この実施形態の場合には、nは0より大きい任意の整数であってもよい。この好ましい実施形態は、参照テーブル930を使用しているが、他の実施形態は、これと同じ機能を実行するための他の回路を使用することができる。
[受信機]
受信アンテナ950は、送信機910の送信アンテナ945が送信した信号のパルスを受信する。
[1つの符号語]
最も簡単な実施態様の場合には、送信機910から受信機920に、ビット・ストリームを送信するために、1つの符号語を一回に1ビットのデータとして使用することができる。送信機910は、ビット・ストリームを取り出し、ストリームを個々のビットに分離し、送信するビットに基づいて、符号語/反転符号語を選択し、次に、選択した符号語/反転符号語を受信機920に送信する。
[複数の符号語]
すでに説明したように、同時に複数のビットを送信するために、複数の符号語を使用することができる。例えば、1回で2つのデータ・ビットを送信するためには、2つの異なる符号語を使用しなければならない。その場合、各符号語は、データの2つのビットを表す。この場合、送信するビット・ストリームが、0111001101001001である場合には、送信機は、そのビット・ストリームを、2ビットのセクション、すなわち、(01)(11)(00)(11)(01)(00)(10)(01)に分解する。
これは、2つのコードの使用を超えて拡張することができる。その一般的な形の場合、データのb個のビットを送信するシステムは、(k=2(b-1))符号語を使用しなければならない。しかし、符号語の数が増大しても、受信機の構造は依然として比較的簡単なままであり、単にその相関器960上にk個のアームを必要とするのみである。受信機920は、個々のパルスを探す必要はないが、代わりにn個のパルス増分内でk個の異なる符号語を探さなければならない。
各実施形態においては、相関器960は、好適には、個々のパルスではなく、符号語を探す。相関器960が、個々の各パルスを探す場合には、多くの決定を行わなければならない。何故なら、相関器は、より多くの数の個々のパルスをチェックするからである。代わりに相関器960にパルスの長いシーケンスを探させることにより、システムの複雑な構造をかなり簡単なものにすることができる。
それ故、複数の符号語を使用することにより、個々のパルスをより速く送らなくても、速い速度でデータを送信することができる。例えば、4つの符号語を使用する場合には(3つのデータ・ビットを1回で送信できるようになり)、1つの符号語に対して100MBPSで動作するシステムは、送信機回路を有意に複雑にしなくても、300MBPSで動作できる。追加費用は、同時にこれらすべての符号語を探すために、各受信機内の相関器に複数のアームを取り付けるための費用のみである。
[アナログ−デジタル変換器の利点]
この設計の別の1つの利点は、各相関器960内で複数のアームを使用することにより、受信機は、データ転送速度が増大しても、相関器960に内蔵されているアナログ−デジタル変換器(ADC)をさらに複雑にする必要がないことである。
[スケーラビリティ]
さらに、複数の符号語のコンセプトは、スケーラブルなコンセプトである。この場合、唯一の制限は受信機で必要な相関器の数である。一度にb個のビットを送信したい場合には、2(b-1)個の符号語が必要になり、それ故、各受信機920の相関器960内に2(b-1)個のアームが必要になる。
[電力効率]
この設計の別の1つの利点は、電力効率が改善されていることである。M元2直交キーイング(MBOK)を使用することにより、BPSK又はPPMと比較した場合、システム内に存在する雑音の量が同じである場合には、送信の際の誤りが少なくなっている。そのため、コード化の効率が向上している。すなわち、変調手法の電力効率が向上している。すなわち、受信機920における誤りの量が同じである場合には、送信機910の送信電力は少なくてすむ。同様に、送信電力が同じである場合には、受信機920の誤りは少なくなる。
[別の解決方法]
すでに説明したように、データの送信速度を増大するための2つの他の解決方法は、より短いコードを使用する方法か、又はパルス間の間隔を狭くする方法である。しかし、これら両方のアプローチの結果は非常に芳しいものというわけではない。その理由は、複数の符号語のような解決方法を使用することなく、ビット速度を4倍にしたい場合には、4倍のパルスを送信しなければならないからである。そうするためには、システム・クロックの速度を4倍にしなければならず、そのようにすると、多くの電力が必要になるが、電力はすべての携帯機器にとって最も重要なものである。
[疑似ランダム・スクランブリング]
図2に示すように、FCCは、UWB信号のパワースペクトル密度(PSD)を制限している。すでに説明したように、信号に対する許容送信電力を最大にするためには、送信信号のPSDを可能な限り滑らかに維持することが好ましい。
[疑似ランダム・スクランブリング回路]
図11は、本発明の好ましい実施形態による疑似ランダム・スクランブリングを使用するUWBシステムを示すブロック図である。図9に示すように、送信機/受信機のペアは、送信機1110及び受信機1120を含む。送信機1110は、参照テーブル930と、パルス整形回路(PFN)935と、加算器940と、送信アンテナ945と、送信機ミキサ1170と、送信機疑似ランダム数列発生器1175と、送信機スイッチ1178とを含む。受信機1120は、受信アンテナ950と、フロントエンド955と、相関器960と、受信機ミキサ1180と、受信機疑似ランダム数列発生器1185と、受信機スイッチ1188と、取得回路1190とを含む。
[送信機]
送信機の疑似ランダム数列発生器1175は、長い疑似ランダム数列を生成するように動作する。好ましい実施形態の場合には、送信機の疑似ランダム数列発生器1175は、入力された疑似ランダム数列を有するシフト・レジスタである。より詳細に説明すると、好ましい実施形態の場合には、送信機の疑似ランダム数列発生器1175はライナー・フィードバック・シフト・レジスタである。
[受信機]
受信機の疑似ランダム数列発生器1185は、送信機の疑似ランダム数列発生器1175内に含まれている同じ長さの疑似ランダム数列を発生する。好ましい実施形態の場合には、受信機の疑似ランダム数列発生器1185も、シフト・レジスタであるが、より好適には、ライナー・フィードバック・シフト・レジスタである。疑似ランダム数列は、好適には、発生後に、受信機の疑似ランダム数列発生器1185に入力される。受信機のシフト・レジスタは、長い疑似ランダム数列(すなわち、疑似ランダム+1及び−1の値の長い列)を含む多数の記憶位置を有する。好ましい実施形態の場合には、受信機のシフト・レジスタは、15〜30のエントリを含むが、他の実施形態は、より多くの又はより少ないエントリを含むことができる。
[送信機及び受信機の動作]
図13及び図14は、それぞれ、本発明の好ましい実施形態による、送信機及び受信機の動作を示すフローチャートである。
この送信を行うと、送信機910、1110は、次に、ビット・ストリーム内にビットが残っているかどうかを判断する(ステップ1360)。残っている場合には、ステップ1320に戻り、別の1つのb個のビットを分離する。ビット・ストリームが終了した場合には、送信プロセスは終了する。(ステップ1370)
図14に示すように、受信機920、1120は、送信機910、1110からn個のパルスからなる符号語を受信することにより転送されたn個のパルスを受信することによりスタートする。(ステップ1410)
受信した符号語に対して疑似ランダム・スクランブリングが行われていた場合には、受信機1120は受信した符号語に予測できる疑似ランダム数列を乗算する(ステップ1420)。疑似ランダム・スクランブリングを使用しない実施形態の場合、又は疑似ランダム・スクランブリングを使用しないパケットの一部内においては、受信機1120はこのステップを省略することができる。
[他の利点]
相関器960内で2つ以上のアームを使用する別の1つの他の利点は、受信機920、1120の他の数々の態様も、これらの機能を使用することができることである。例えば、信号取得中に、複数の符号語を探すためにではなく、1つのコードをより迅速に発見するために、複数のアームを使用することができ、取得プロセスをスピードアップすることができる。同様に、信号が壁又は他の障害物に反射し、そのため受信機920、1120が(多くの場合、多経路と呼ばれる)同じ信号の複数のコピーを受信する混乱した環境において、複数のアームは、どれが最も強力な信号を供給するかを判断するために、同じ信号の数々の時間的にずれたバージョンを追跡することができる。2つの異なるアームで同じコードを追跡することにより、受信機920、1120は、よりよい性能を手に入れることができる。
Claims (6)
- M元直交キーイングを使用して、信号をコード化するための方法であって、
データ・ビットのストリームを受信すること、
データ・ビットの前記ストリームからB個のデータ・ビットを分離して、Bビット・シーケンスを形成すること、
K個の一意のコードから前記Bビット・シーケンスに対応するコードを選択すること、
選択したコードを送信することを備え、
前記K個の一意のコードの各々が、前記Bデータ・ビットの1つの可能性のある組合わせに対応しており、
Bが1より大きい整数であり、Kが3より大きい整数であり、
前記K個の符号語がすべて相互に直交しているか、又はランダムな相関しきい値によりほぼ直交している方法。 - M元直交キーイングを使用して、信号をコード化するための方法であって、
データ・ビットのストリームを受信すること、
データ・ビットの前記ストリームからB個のデータ・ビットを分離して、Bビット・シーケンスを形成すること、
K個の一意のコードから前記Bビット・シーケンスに対応するコードを選択すること、
前記選択したコードに疑似ランダム数列を乗算して、スクランブルされたコードを形成すること、
スクランブルされたコードを送信することを備え、
前記K個の一意のコードの各々が、前記Bデータ・ビットの1つの可能性のある組合わせに対応しており、
Bが1より大きい整数であり、Kが3より大きい整数であり、
前記K個の符号語が、すべて相互に直交しているか、ランダムな相関しきい値によりほぼ直交している方法。 - M元直交キーイングを使用して、信号を復号する方法であって、
コードを受信すること、
前記受信したコードをK個の可能性のあるコードと関連付けて、1番目からK番目の相関値を生成することであって、前記K個の可能性のあるコードの各々が複数の可能性のあるBビット・シーケンスの1つを表す、前記関連付けすること、
前記1番目からK番目の相関値を比較することにより、受信したBビット・シーケンスを決定すること、
前記受信したBビット・シーケンスを出力することを備え、
Bが1より大きい整数であり、Kが3より大きい整数であり、
前記K個の符号語が、すべて相互に直交しているか、又はランダムな相関しきい値によりほぼ直交している方法。 - M元直交キーイングを使用して、信号を復号するための方法であって、
スクランブルされたコードを受信すること、
前記スクランブルされたコードに疑似ランダム数列を乗算して、スクランブル解除されたコードを生成することであって、前記スクランブル解除されたコードは、各々が複数の可能性のあるBビット・シーケンスの中の1つを表す複数のK個の可能性のあるコードの中の1つである、前記乗算すること、
前記スクランブル解除されたコードを前記K個の可能性のあるコードに関連付けて、1番目からK番目の相関値を生成すること、
前記1番目からK番目の相関値を比較することにより、受信したBビット・シーケンスを決定すること、
前記受信したBビット・シーケンスを出力することを備え、
Bが1より大きい整数であり、Kが3より大きい整数であり、
前記K個の符号語が、すべて相互に直交しているか、又はランダムな相関しきい値によりほぼ直交している方法。 - M元直交キーイングを使用して、信号を復号するための方法であって、
コードを受信すること、
前記受信したコードをK個の可能性のある符号語と関連付けて、1番目からK番目の相関値を生成すること、
前記1番目からK番目の相関値を比較することにより、受信したBビット・シーケンスを決定すること、
前記受信したBビット・シーケンスを出力することを備え、
前記K個の可能性のある符号語及び前記K個の可能性のある符号語を反転したものの各々が、複数の可能性のあるBビット・シーケンスのうちの1つを表し、
Bが1より大きい整数であり、Kが1より大きい整数であり、
前記K個の符号語がすべて相互に直交しているか、又はランダムな相関しきい値によりほぼ直交している方法。 - M元直交キーイングを使用して、信号を復号するための方法であって、
スクランブルされたコードを受信すること、
前記スクランブルされたコードに疑似ランダム数列を乗算して、スクランブル解除されたコードを生成することであって、前記スクランブル解除されたコードが、複数のK個の可能性のある符号語、又は複数のK個の可能性のある符号語を反転したもののうちの1つである、前記乗算すること、
前記スクランブル解除されたコードを前記K個の可能性のある符号語と関連付けて、1番目からK番目の相関値を生成すること、
前記1番目からK番目の相関値を比較することにより、受信したBビット・シーケンスを決定すること、
前記受信したBビット・シーケンスを出力することを備え、
前記K個の可能性のある符号語及び前記K個の可能性のある反転符号語の各々が、複数の可能性のあるBビット・シーケンスの中の1つを表し、
Bが1より大きい整数であり、Kが1より大きい整数であり、
前記K個の符号語が、すべて相互に直交しているか、又はランダムな相関しきい値によりほぼ直交している方法。
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