JP2006191602A

JP2006191602A - 送信基準、タイムホッピングインパルス無線システムでの基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を確定する方法、及びタイムホッピングインパルス無線システム

Info

Publication number: JP2006191602A
Application number: JP2005375771A
Authority: JP
Inventors: Andreas F Molisch; アンドレアス・エフ・モリッシュ; Philip Orlik; フィリップ・オーリック
Original assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Priority date: 2005-01-04
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: US7573933B2; US20060209924A1; JP4869709B2

Abstract

【課題】送信基準インパルス無線システムにおいて、２つの送受信器間のワイヤレスチャネルの現在状態に従って基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を適応的に確定する方法及び装置の提供。
【解決手段】方法は、タイムホッピングインパルス無線システムでの基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を確定する。２つの送受信器間のチャネルのチャネル状態情報が周期的に推定される。次いで、基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間フレームが、チャネル状態情報に従って確定される。
【選択図】図５

Description

本発明は、包括的には通信システムに関し、特にワイヤレス通信システムにおいて用いられる送信基準変調フォーマットに関する。

米国では、連邦通信委員会（ＦＣＣ）が、「First Report and Order」（２００２年２月１４日）において超広帯域（ＵＷＢ）信号をワイヤレス通信システムに、制限付きで免許なしで使用することを認めた。ＵＷＢ信号は、周波数範囲３．１〜１０．６ＧＨｚになければならず、且つ最小帯域幅５００ＭＨｚを有さなければならない。また、ＦＣＣの指示により、ＵＷＢ信号の電力スペクトル密度及びピーク放射電力は−４３．１ｄＢｍ／ＭＨｚ未満に制限されている。

ＵＷＢの１つの変調方法は、極めて短い、たとえば１／１，０００，０００，０００秒以下のタイムパルスを用いて、波長約３００ｍｍに対応する５００ＭＨｚよりも広い帯域幅を有する信号を生成する。短パルスを用いるワイヤレスシステムは一般に、インパルス無線（ＩＲ）システムと呼ばれる。

図１Ａに示すように、４つの異なる変調技法、すなわち、パルス位置変調（ＰＰＭ）１１、パルス振幅変調（ＰＡＭ）１２、オンオフキーイング（ＯＯＫ）１３、及び二相シフトキーイング（ＢＰＳＫ）１４が一般にＩＲシステムに使用される。

利点として、ＵＷＢシステムは高速データ速度を実現し、マルチパス障害に対して耐性がある。これは、処理利得が多いことによる。さらに、ＩＲシステムでは、低コスト、低衝撃係数、ヘテロダインのための局部発振器を必要としない低電力送受信器が可能である。ＵＷＢ送受信器は、主にデジタル領域において実施されるため、半導体チップに集積することができる。ＵＷＢシステムでは、複数の送受信器が、干渉することなく同じスペクトルを同時に共用する。ＵＷＢシステムは、家庭、ビジネス、及び教育機関での短距離高速ネットワークに理想的である。センサネットワークもＵＷＢ送受信器を使用することができる。

タイムホッピング（ＴＨ）ＩＲについては、M. Win及びR. A. Scholtz著「Ultra-Wide Band Width Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access Communications」（IEEE Trans. On Communications, Vol. 48, No. 4 April 2000, pp. 679-691）に述べられている。このＴＨ−ＩＲシステムでは、各ビット又は各シンボルがＮ_ｆ個のパルスで表される。但し、Ｎ_ｆは正の整数である。ビット送信時間はＴ_ｓである。これはシンボル持続時間と呼ばれる。時間Ｔ_ｓはさらにフレームＴ_ｆに分割され、フレームはチップＴ_ｃに分割され、これが通常、パルス持続時間に相当する。Ｎ_ｃがフレーム内のチップ数を表し、Ｎ_ｆがシンボル内のフレーム数を表す場合、Ｔ_ｓ、Ｔ_ｆ、及びＴ_ｃは、

により関連する。

図１Ｂは、例としての従来技術による「０ビット」のＴＨ−ＩＲ波形１１０及び「１ビット」の波形１２０のパルス１０４のシンボル時間Ｔ_ｓ１０１、フレーム持続時間Ｔ_ｆ１０２、及びチップ持続時間Ｔ_ｃ１０３の間の関係を示す。通常、パルスは、「タイムホッピング」符号に従って、マルチユーザ干渉を最小にするようにフレームの空きチップの中で疑似ランダムに離間される。

上述したように、変調は二相シフトキーイング（ＢＰＳＫ）であることができる。ＢＰＳＫを用いる場合、各ビットｂは正又は負の１として表される。すなわち、ｂ∈｛−１，１｝である。送信信号は、

の形を有する。但し、ｃ_ｊはＴＨ符号のｊ番目の値を表し、範囲は｛０，１，・・・，Ｎ_ｃ−１｝であり、ｂはｉ番目の変調シンボルである。さらに、ｈ_ｉ，ｊとして示されるオプションの系列を送信信号の各パルスに付加して、送信信号のスペクトルを「整形」するとともに、スペクトル線を低減することができる。系列ｈ_ｉ，ｊは極性スクランブル系列（polarity scrambling sequence）と呼ばれ、値＋１又は−１を有する。スペクトルのさらなる整形に、異なる振幅も可能である。

図２は、従来のコヒーレントＴＨ−ＩＲ受信器２００を示す。受信器は、受信アンテナ２３０に接続された増幅器２２０に結合された自動利得制御（ＡＧＣ）ユニット２１０を備える。受信器は、同期ユニット２４０、タイミング制御ユニット２５０、チャネル推定ユニット２６０、ＭＭＳＥ等化器２７０、及びデコーダ２８０も備える。Ｒａｋｅ受信器フィンガ２９０が加算器２９５に入力する。各Ｒａｋｅ受信器フィンガは、パルス系列発生器、相関器、及び重み結合器を備える。Ｒａｋｅ受信器フィンガはマルチパス干渉を低減する。

図２に示す上の伝送方式の１つの欠点は、情報の復調に必要な受信器の複雑さである。通常、Ｒａｋｅアーキテクチャに基づくコヒーレント受信器は、情報を受信して正しく復調する必要がある。代替の変調フォーマットは「送信基準（ＴＲ：transmitted reference）」と呼ばれる。送信基準は元々、狭帯域搬送波ベースの通信システム向けに開発されたものであるが、ＵＷＢインパルス無線にも同様に適用することが可能である。

ＴＲ−ＩＲシステムは、Ｒａｋｅ受信器の必要性をなくす（R. Hoctor及びH. Tomlinson「Delay-Hopped Transmitted-Reference RF Communications」（IEEE Conference on Ultra Wide Band Width Systems and Technologies, 2002, pp.265-269））。ＴＲ−ＩＲシステムでは、情報は系列内の連続したパルスの位相差として符号化される。ＴＲ−ＩＲシステム内の各シンボルは、一連のタイムホッピング「ダブレット」又は連続パルス対である。通常、対中の最初のパルスは「基準パルス」と呼ばれ、２番目のパルスは「データパルス」と呼ばれる。これら２つのパルスは、固定単位の時間遅延Ｔ_ｄだけ離間される。１つの情報ビットに複数の対を送信することができる。送信波形は、

の形を有する。但し、Ｔ_ｆ、Ｔ_ｃ、ｈ_ｉ，ｊ、及びＮ_ｆはＴＨ−ＩＲの場合と同じである。

図３は、シンボル時間Ｔ_ｓ３０１、フレーム時間Ｔ_ｆ３０８、チップ時間Ｔ_ｃ３０２、及び、たとえばＴＨ−ＩＲ波形の基準パルス３０３と基準パルス３０４の間の遅延時間Ｔ_ｄ３０７の関係を示す。波形３１０は「０」ビットの場合であり、波形３２０は「１」ビットの場合である。

図４は、ＴＨ−ＩＲ受信器よりもはるかに単純な従来のＴＲ−ＩＲ受信器４００を示す。受信器は、遅延ユニット４０１、乗算ユニット４０２、積算ユニット４０３、サンプルユニット４０７、及び確定ユニット４０４を備える。受信器は本質的に、受信信号４０５に、受信信号を遅延させたもの４０６を相関付ける。明らかに、ＴＲ−ＩＲ４００受信器は、図３に示すＴＨ−ＩＲ受信器よりも複雑ではない。しかし、複雑さの低減により、２倍のパルス数が必要になり、且つ基準パルスに必要なエネルギーが、公称では３ｄＢ以上増すことになる。

基準パルスとデータパルスとの間の遅延Ｔ_ｄ３０７の適切な持続時間を選択する必要がある。短い遅延持続時間は多重アクセス干渉（ＭＡＩ）を低減することができる。しかし、短い遅延はまた、F. Tufvesson及びA. F. Molisch著「Ultra-Wideband Communication using Hybrid Matched Filter Correlation Receivers」（Proc. ICC 2004）に述べられているように、時間分散チャネルの存在下で、遅延がチャネルの最大超過遅延時間よりも短い場合にビット誤り率パフォーマンスを低減させる恐れもある。従来のＴＲ−ＩＲシステムでは、遅延時間は固定され、チャネル状況が変化する際に変更することができない。

本発明は、送信基準インパルス無線（ＴＲ−ＩＲ）システムにおいて、２つの送受信器間のワイヤレスチャネルの現在状態に従って基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を適応的に確定する方法及び装置を提供する。

受信器は、チャネル状態情報（ＣＳＩ）、具体的には小規模平均電力遅延プロファイルを取得する。ＣＳＩ及び電力遅延プロファイルを使用して、最適な遅延時間を確定する。遅延時間遅延は、受信器又は送信器において確定することができる。遅延時間３０７は、ＣＳＩが時間の経過に伴って変化する際に更新することができる。

本発明による遅延時間の適応選択は、マルチパスフェージング及び多重アクセス干渉の影響を低減する。システムが動作している環境に応じて、本発明は、良好な多重アクセス能力を保持しながら同時に、マルチパスフェージングの影響を最小にするように遅延時間を調整する。

図５に示すように、本発明は、時間基準、インパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）無線システムにおいて、基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を適応的に選択するシステム及び方法５００を提供する。遅延時間は、チャネル状態情報（ＣＳＩ）に依存する。方法は、タイムホッピングを含む送信基準システム及び非干渉性送受信器を有するタイムホッピングシステムに適用することが可能である。送受信器はいずれの時点でも送信又は受信が可能であることに留意されたい。

図５に示すように、受信器５００は、受信器と送信器の間のチャネル５０１のＣＳＩ５１１を周期的に推定する（５１０）。これは２つの方法で行うことができる。受信器は、瞬時ＣＳＩ又は平均ＣＳＩを推定することができる。後者の場合、受信器は小規模平均電力遅延プロファイル又はその近似を推定する。正確なＣＳＩは、本発明の実施に必要ない。小規模平均電力遅延プロファイル、又は単にチャネルの平方二乗平均（ＲＭＳ）遅延拡散又は最大超過遅延の推定で恩恵を得ることができる。瞬時ＣＳＩを使用するか、それとも平均ＣＳＩを使用するかは、大方、チャネルのシンボル持続時間とコヒーレンス時間との比率に依存する。準静的チャネルでは、瞬時ＣＳＩが好ましい。

第２のステップにおいて、受信器は、チャネル５０１のＳＮＩＲ５２１を周期的に推定する（５２０）。ＳＮＩＲは、データが受信器に送信されていない「閑散」期間中に推定することができる。この時間中、受信器はアクティブであり、チャネルを「リッスニング」している。ＣＳＩを推定する多数の方法がある。本発明は、こういった推定を行う従来の方法のいずれを使用しても実施することができる。チャネル及び干渉推定の概観については、J. G. Proakis, Digital Communications, fourth edition, McGraw-Hill, New York, 2001に見出すことができる。

オプションの第３のステップにおいて、送受信器は、他のＵＷＢ送受信器５２９が使用する遅延時間５３１を周期的に取得する（５３０）。これは、他の送受信器による明示的な送信により行うことができる。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格によるネットワークの文脈の中では、中央調整装置がビーコンを送信する。ビーコンは、調整装置の制御下にある他のすべての装置の遅延時間を含む。

ＣＳＩを推定した後、最適な遅延時間５４１が確定される（５４０）。遅延時間は、送信器あるいは受信器において確定することができる。遅延時間が送信器において確定される場合、受信器はまずＣＳＩを送信器に送信する。

最適な遅延時間は、トレーニング信号と受信信号の間のＲＭＳ誤差、符号化された状態又は符号化されていない状態でのビット誤り率（ＢＥＲ）、又は他の適した基準を最小にする。たとえば、雑音のみが存在する状態での送信基準方式の場合のＢＥＲが、S. Gezici, F. Tufvesson, 及びA. F. Molisch「On the performance of transmitted-reference impulse radio」（Proc. Globecom 2004）に述べられている。別法として、最適な遅延時間は、送信データからのＢＥＲ又はＲＭＳ誤差から確定される。送信器において遅延時間を「ディザリング」することにより、送受信器は、ＢＥＲを向上させるのはより小さな遅延時間であるか、それともより大きな遅延時間であるかを判断することができる。次いで、この情報は送信器に供給され、遅延時間がそれに従って適合される。

最適な遅延時間５４１のタイムホッピング（ＴＨ）系列も最適化する。従来、ＴＨ系列は予め選択され、所定の固定遅延時間に向けて最適化される。予め選択されるＴＨ系列は、異なる送受信器間の相対遅延が変化することに関係なく、１シンボル当たりのパルスの衝突数を最小にしようとする。

本発明は、より短い持続時間に切り詰められた場合に良好な「衝突」属性を保つＴＨ系列５５１を適応的に選択する（５５０）。異なる長さを有する系列の離散セット５４９を使用することができる。送信器は、この系列のセットから、最適な遅延時間５４１に最適な系列５５１を選択する。本発明は、これら推定を行う従来の方法のいずれを使用しても実施することができる。チャネル及び干渉推定の概観については、J. G. Proakis, Digital Communications, fourth edition, McGraw-Hill, New York, 2001に見出すことができる。

本発明について好ましい実施の形態の例として説明したが、他の各種適応及び変更を本発明の精神及び範囲内で行うことができることを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内にあるこのような変形及び変更をすべて包含することである。

従来技術による変調技法のタイミング図である。従来技術によるＴＨ−ＩＲ変調のタイミング図である。従来技術によるＴＨ−ＩＲ受信器のブロック図である。従来技術によるＴＲ−ＩＲ変調のタイミング図である。従来技術によるＴＲ−ＩＲ受信器のブロック図である。本発明による遅延時間を確定する方法の流れ図である。

Claims

２つの送受信器間のチャネルのチャネル状態情報を周期的に推定すること、
前記チャネル状態情報に従って基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を確定すること
を含む、送信基準、タイムホッピングインパルス無線システムでの基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を確定する方法。
前記遅延時間に従ってタイムホッピング系列を周期的に選択することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報は瞬間のものである、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報は瞬時電力遅延プロファイルに基づく、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報は時間にわたって平均化される、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報は、小規模平均電力遅延プロファイルに基づく、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報は、平方二乗平均（ＲＭＳ）遅延拡散に基づく、請求項１に記載の方法。
送信器において前記遅延時間をディザリングすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記無線システムの他の送受信器が用いる他の遅延時間を周期的に取得すること、
前記他の遅延時間に従って前記遅延時間を確定すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記他の遅延時間は明示的に送信される、請求項９に記載の方法。
前記遅延時間は受信器において確定され、
前記遅延時間を送信器に送信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記遅延時間は送信データのビット誤り率を最小にする、請求項１に記載の方法。
前記遅延時間はトレーニング信号と受信信号の間のＲＭＳエラーを最小にする、請求項１に記載の方法。
前記遅延時間は符号化ビット誤り率を最小にする、請求項１に記載の方法。
前記遅延時間は符号化されない場合のビット誤り率を最小にする、請求項１に記載の方法。
前記遅延時間は送信データのＲＭＳエラーを最小にする、請求項１に記載の方法。
チャネルのチャネル状態情報を周期的に推定するように構成され、
前記チャネル状態情報に従って基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を確定する手段、及び
前記遅延時間を送信する手段
を備える受信器と、
前記遅延時間を受信するように構成された送信器と
を備える、タイムホッピングインパルス無線システム。
チャネルのチャネル状態情報を周期的に推定するように構成され、
前記チャネル状態情報を送信する手段
を備える受信器と、
前記チャネル状態情報に従って基準パルスとデータパルスとの間の遅延時間を確定するように構成される送信器と
を備える、タイムホッピングインパルス無線システム。