JP2007506299A - ウルトラワイドバンド（ｕｗｂ）通信ネットワークのためのバイポーラ波形変調 - Google Patents

Abstract

ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）パルスが、ノーマルのパルスまたは反転（正反対）されたパルスのいずれかであるバイナリデータをエンコードする、ＵＷＢ通信のための方法である。キャリア信号のパルスの場合、それぞれのパルスは、位相反転されたか否かのいずれか、すなわち、１８０度でシフトしたか否かのいずれかのキャリア信号を有する。例えば、バイナリ「１」は、ノーマル、または反転されていないパルスとしてエンコードされ、バイナリ「０」は、反転されたパルスとしてエンコードされる。それぞれのキャリアパルスが整流されフィルタされた後、ゼロの閾値を用いて検出が実行され、その結果、ノイズイミュニティが増加し、一方向のパルスの検出と比較される。本発明の一局面において、多数の通信チャンネルに関連するデータは、それぞれのＵＷＢパルスの時間分割された部分においてエンコードされる。

Description

本発明は一般に、ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）パルスを用いた通信システムに関する。より詳細には、ＵＷＢトランスミッタにおけるユーザ処理能力を増加させるための技術に関する。

ＵＷＢパルスによる通信は、しばしば、インパルス無線通信と呼ばれ、既知ではあるが、広く使用されている技術ではない。「インパルス無線」という言葉は、通常、パルス内に含まれるキャリア信号が存在しないＵＷＢシステムを記載するために使用される。ＵＷＢという言葉はまた、送信されたパルスが無線周波キャリア（搬送波）信号のバーストであるシステムに与えられ得る。極端に狭い電磁気パルスは、本来、広い周波数帯域を含む。ＵＷＢパルスのストリームに情報を付け加えることは、パルス位置変調によって影響され得、情報信号サンプルの瞬時値は、ＵＷＢパルスの時、その位置を変調するために使用される。さらに基本的なレベルにおいては、ＵＷＢパルスはまた、別のパルスの周期列において存在するか存在しないかによって変調され得る。これらの原理は、技術文献において知られており、Ｆｕｌｌｅｒｔｏｎらによって公表された、米国特許番号第５，６７７，９２７号において都合良くまとめられている。

ＵＷＢ通信は、周波数スペクトラムの広い帯域を活用するゆえ、それは、安全性において利点を提供し、妨害電波に対して耐性を提供する。ＵＷＢ通信は、非効率的に帯域幅を使用するゆえ、その使用における政府の承認は、相対的に低い電力に制限されている。ＵＷＢ通信は、低い電力においてさえも、相対的に広い範囲、ビルの陰を通り抜ける能力、低いトランシーバコストなどにおける利点を提供する。しかしながら、ＵＷＢパルスによる通信は、本来、その技術を多数のユーザに適合することにおける問題などといった、一部の実際的な制限を有する。例えば、ＵＷＢ通信システムの一つの可能な応用は、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、またはパラボラアンテナ通信の代替として、インターネットやテレビ接続を自宅に供給することである。ＵＷＢ通信は、ユーザの現場において、相対的に低いコストでのトランシーバおよびプロセッサを用いて、高速データレートにて情報を送信することが可能であるがゆえに、この目的には理想的である。しかしながら、ＵＷＢ通信システムの本来的な一つの弱点は、ただ一人のユーザに、任意の所定の時間間隔の間で、独自の情報を受信させることができる、ということである。Ｆｕｌｌｅｒｔｏｎらの特許（米国特許番号第５，６７７，９２７号）は、ＵＷＢ送信において使用されるインパルス無線信号に、チャンネライゼーション（ｃｈａｎｎｅｌｉｚａｔｉｏｎ）を追加するために、異なる周波数または異なる波形の副キャリア波の使用を教示する。

通信システムに多数のユーザアクセスを提供する類似した技術は、携帯電話システムにおいて使用されるような、符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）である。ＣＤＭＡシステムの多数のユーザは、共通の周波数帯域を共有し得、同時に送信し得るが、それらの情報信号は、互いに区別可能である。なぜならば、それぞれのユーザは、スペクトラム拡散に使用される異なるコードに関連されるからである。そのコードは直交性であり、それらは、レシーバにおいて別個に検出可能である。このように、ＣＤＭＡシステムにおいて、多数の情報信号チャンネルは、単一のスペクトラム拡散送信システムを共有し得る。ＣＤＭＡの一部の形式をＵＷＢ送信に適合させることは、しかしながら、複雑さを増加させ、変調および検出装置のコストをも増加させてしまう。

ユーザが、特定の時間スロットに送信しているかどうかを検出するための信号の存在または不在を使用するＵＷＢ通信システムは、本来的に、低いノイズ信号閾値を有する。通常、特定の時間スロットにおいて、ＵＷＢパルスピーク振幅Ａを有する場合、信号の存在または不在を決定するために使用される信号閾値は、二分の一のピーク値またはＡ／２である。このように、ノイズレベルが振幅Ａ／２を超過する場合、ノイズは、信号の存在と間違えられる。

米国特許番号第６，０２６，１２５号は、ＵＷＢパルスの位相、周波数、帯域幅、振幅、および減衰を変調させる技術を開示しているが、ＵＷＢ通信システムにおいて、チャンネルノイズへのより良い耐性を提供するための、相対的にシンプルなアプローチが必要とされており、それにより、多数のユーザによって時間スロットの再利用を容易にさせることは理解されている。本発明は、この目的に関する。

本発明は、ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）通信システムにおけるバイナリデータを通信するための方法に関する。すなわち、一般的な意味では、本方法は、ポジティブＵＷＢパルスとしての、「１」または「０」のいずれかの、一つの値型のバイナリデータ、ネガティブＵＷＢパルスとしての、もう一つの値型のバイナリデータをエンコードするステップと、ゼロレベル感知閾値を用いて、ポジティブおよびネガティブＵＷＢの存在を検出するステップであって、それによりノイズイミュニティ（ｎｏｉｓｅ ｉｍｍｕｎｉｔｙ）を増加させる、ステップとを包含する。

本発明の一つの開示された実施形態において、それぞれのＵＷＢパルスはキャリア信号を含み、それぞれのネガティブＵＷＢパルスが位相反転させられたキャリアを有する。ポジティブおよびネガティブＵＷＢパルスを検出するステップは、そのキャリアの位相が反転されているか否かを感知することを含む。その結果としての信号はバイポーラであり、二つの信号の極性は、バイナリ信号値を示すために使用され得る。ゼロ閾値が使用され得、その閾値とそれぞれのパルスの振幅との間のレベルの差異は、一方向のパルスが、その存在または不在によってデータをエンコードするために使用される場合に必要であるレベルの差異の二倍であるがゆえに、ノイズイミュニティは改善される。

本発明の一つの開示された実施形態において、ＵＷＢパルスは所定の時間スロットにおいて生成され、その方法はさらに、それぞれの時間スロットに、個々の通信チャンネルを割り当てる。この方法において、多数の通信チャンネルに関連するデータ信号が単一の単一時間スロットに転送される。より詳細には、この実施形態の開示された例において、それぞれのＵＷＢパルス時間スロットは、二つの半時間スロット（ｈａｌｆ ｔｉｍｅ ｓｌｏｔ）を有し、第１および第２の通信チャンネルに関連するデータ信号は、個々に、それぞれのＵＷＢパルス時間スロットの、第１および第２の半分においてエンコードされる。

本発明は、従来技術のＵＷＢ通信システムの分野において、重要な利点を表すことは、前述から理解される。特に、本発明は、反転（正反対に）されているか否かのいずれかであるＵＷＢパルスとしてのデータをエンコードすることを提供する。キャリア信号のＵＷＢパルスにおいて、多数の通信チャンネルに関連するデータは、単一のＵＷＢ時間スロットにおいてエンコードされ得る。本発明の他の局面および利点は、添付された図面とともに、以下の更なる詳細な記述から明らかになる。

図示する目的のための図面に示されるように、本発明は、少なくとも二人のユーザの間で、ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）を共有する技術に関する。例えば、ユーザは、地下同軸ケーブル、光ファイバケーブル、またはパラボラアンテナなどを使用することなしに、テレビまたはインターネットサービスプロバイダなどから、広帯域の通信データを受信する必要を有する世帯主などであり得る。

図１Ａは、概略図の形式において、キャリア信号の、二つの一連のＵＷＢパルスを示す。図示の目的のために、キャリアは、それぞれのパルスの長さに対して、長い期間を有するように示されるが、それは、実際的なシステムにおいて、単一のパルス内に、多くのキャリアサイクルが存在していることは理解されるべきである。そのキャリアは、通常は、正弦波変化（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｌｙ ｖａｒｙｉｎｇ）信号であり、図においては線によって示されている。

パルスの検出は、受信された信号を整流することによって都合良く実行され、図１Ｂにおいて示される概略図と同様の波形を生成する。キャリアのネガティブ部分は、整流ステップによって反転され、その結果、図１Ｂの、全波整流信号となる。この信号は、次いで、低パスフィルタを通過し、図１Ｃにおいて示される、類似した一連のパルスを生成する。これらのパルスの振幅がＡであると想定する場合、パルスの存在を検出する適切な閾値の高さは、Ａ／２である。つまり、振幅Ａ／２以下で検出される任意の信号は、ノイズであるとみなされる。

図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、本発明の重要な局面に従った、ＵＷＢキャリアパルスの検出を図示する。図２Ａは、二つの一連のＵＷＢパルスを示し、第２のパルスは、第１のパルスに対して反転される。二つのパルスは図２Ｂにおいて示されるように整流され、次いで、低パスフィルタされ、その結果、図２Ｃの波形を生成する場合、第１のタイプのキャリアパルスは、ポジティブ部分のパルス（振幅Ａ）を生成し、第２のタイプのキャリアパルスは、ネガティブ部分のパルス（振幅−Ａ）を生成する。この配置は、受信されたキャリアが「ノーマル」なのか、位相反転されたのかを決定するための、位相検出器または相関器を使用することを要求し、位相反転されたキャリアが検出された場合、ネガティブ出力パルスを生成するために、整流器の適切なスイッチングを行う。

逆位相のキャリアパルスの使用から生じる二つの利点が存在する。まず、ポジティブタイプのキャリアパルスがデジタルパルスをエンコードし、ネガティブタイプのキャリアパルスがデジタルゼロをエンコードするために使用される場合、ゼロ振幅における閾値は、パルスを検出するために使用され得る。閾値距離、つまり、閾値レベルとパルスの振幅との間の距離は、パルスタイプのいずれかにとってのＡである。これは、図１の、有利にも、エンコードされたパルスのために、Ａ／２の閾値距離を比較する。それゆえ、本発明は、ノイズに対して、より大きいイミュニティを提供する。

エンコード技術の他の利点は、ポジティブキャリアおよびネガティブキャリアが、二人の異なるユーザに、データを表示するように便利に適合され得ることである。特に、二人のユーザの情報は、図３において図示されるように、キャリアパルスの単一の時間スロットへとエンコードされ得、それぞれのキャリアパルスの第１の半分が、Ｕｓｅｒ＃１のデータをコード化するために使用され、それぞれのキャリアパルスの第２の半分は、Ｕｓｅｒ＃２のデータをコード化するために使用される。図３Ａは、第１のキャリアパルスの第１の半分における通常の位相キャリアを示し、第１のキャリアパルスの第２の半分における、位相反転キャリアを示す。第２のキャリアパルスは、位相反転された第１の半分、および通常の第２の半分を有して、示される。図３Ｂは、整流およびフィルタ後の信号を示す。通常の位相キャリアが「１」を表し、位相反転キャリアが「０」を表すように選択された場合、図３Ａおよび図３Ｂの例図は、キャリアパルスの第１の半分のための、データシーケンス「１０」のエンコーディング、および、キャリアパルスの第２の半分のための、データシーケンス「０１」を示す。キャリアパルスの半分の部分は、例えば、別個のユーザのためのデータを表すために使用され得る。

上記で検討された同様の原理はまた、キャリア信号を用いないパルスを使用するＵＷＢ通信にも適合可能である。ポジティブＵＷＢパルスは、例えば、ロジカル「１」を表すように使用され得、ならびに、ネガティブパルスは、ロジカル「０」を表すように使用され得る。パルス検出のための閾値は、ゼロ振幅にセットされ、改善されたノイズイミュニティを提供する。

本発明は、従来技術のＵＷＢ通信システム全体において、重要な利点を表すことは、前述から理解される。特に、本発明は、バイポーラキャリアパルス波形の技術を提供し、多数のユーザのための情報を、単一の時間スロットにエンコードさせ得、改善されたノイズイミュニティを提供する。また、本発明の特定の実施形態が例示の目的のために記載されているが、様々な修正が、本発明の趣旨および範囲から逸れることなくなされ得ることは理解される。従って、本発明は、添付された請求項によってのみ限定されるものである。

図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃは、キャリア信号のＵＷＢパルスが、従来技術においてどのように検出され、デコードされたかを示す、信号波形である。 図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、本発明の一局面に従い、異なる極性のＵＷＢパルスがどのように検出され、デコードされたかを示す、信号波形である。 図３Ａおよび図３Ｂは、多数のデータ信号が、ＵＷＢパルスの別個の時間スロットにおいて、どのようにエンコードされ、検出され得るかを示す、信号波形である。

Claims (5)

1. ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）通信システムにおける使用において、一連のＵＷＢパルスとして、ロジカル「０」および「１」の値型を有する、バイナリデータを通信するための方法であって、該方法は、
   ポジティブＵＷＢパルスとしての一つの値型のバイナリデータおよびネガティブＵＷＢパルスとしてのもう一つの値型のバイナリをエンコードすることと、
   ゼロレベル感知閾値を用いて、ポジティブおよびネガティブＵＷＢの存在を検出することであって、それによりノイズイミュニティを増加させる、ことと
   を包含する方法。
2. それぞれのＵＷＢパルスがキャリア信号を含み、それぞれのネガティブＵＷＢパルスが位相反転させられたキャリアを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記検出するステップが、
   前記キャリアの位相が反転されているか否かを感知することと、
   一方向信号を提供するために、前記ＵＷＢキャリア信号パルスを整流し、フィルタすることと、
   該感知されたキャリアの位相が反転されているか否かに基づいて、該一方向信号の極性を調整することと
   を包含する、請求項２に記載の方法。
4. 前記ＵＷＢパルスが、所定の時間スロットにおいて生成され、
   前記方法が、それぞれの時間スロットに、個々の通信チャンネルを割り当てることをさらに包含し、それによって、多数の通信チャンネルに関連するデータ信号が、単一の時間スロットにおいて転送される、請求項３に記載の方法。
5. それぞれのＵＷＢパルスの時間スロットが、二つの半時間スロットを有し、
   第１および第２の通信チャンネルに関連するデータ信号が、個々に、それぞれのＵＷＢパルス時間スロットの第１の半分および第２の半分においてエンコードされる、請求項４に記載の方法。

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