JP2007528679A - 超広帯域通信システムのための動的差別化リンク適応 - Google Patents

Abstract

時間ダイバーシティの最適使用および有意に高いデータ・レートは、特定の時間的瞬間のチャネル状態に関する情報に基づいて、適応超広帯域インパルス無線（ＵＷＢ ＩＲ）送信スキームを使用することにより達成することができる。チャネル状態情報（４２２）を使用することにより、特定のチャネル状態に送信スキーム（４１３）が調整される。より詳細に説明すると、このシステムは、チャネル状態に応じてビット毎に送信されるパルスの数（４１２）を変化させることにより、各ユーザに対して動的に適応される。チャネル状態は、受信機（４２０）が、通常、測定または推定する送信システムの動的パラメータである。適応要素は、以後のＵＷＢ ＩＲ通信のために送信チャネルで使用するビット当たりのパルスの所望の数を決定するためにチャネル状態情報に応答する。次に、ビット当たりのパルスのこの所望の数は、特定の移動局による以後の送信のために適応送信機（４１０）に送られ、使用される。

Description

本発明は、無線通信のための方法および装置に関し、特に超広帯域通信システムでの適応送信に関する。

超広帯域（ＵＷＢ：Ultra-Wideband）通信システムは、通常、その中心周波数の２５％以上、または１．５ＧＨｚ以上を占める３ｄＢ帯域幅を有する無線送信を含む。超広帯域インパルス無線（ＩＲ：Impulse Radio ）システムは、通常１ナノ秒程度である持続時間が非常に短いベースバンド・パルスにより通信し、それにより広い帯域幅上に無線信号のエネルギーを非常に薄く分散する。ＭＨｚ当たり約数ワットのエネルギーの分散は、直流に近い帯域幅の下端部から数ギガヘルツ付近に位置する帯域幅の頂端部までの範囲でこれらのシステムで行われる。例えば、ＩＥＥＥ Ｍｉｌｃｏｍ．議事録、２巻、４４７〜４５０ページ（１９９３年１０月）掲載のR.A.Scholtz の「タイム・ホッピング・インパルス変調による多元接続（Multiple Access with Time-Hopping Impulse Modulation）」を参照されたい。

ＵＷＢ ＩＲ通信は、多重経路屋内無線チャネルを通しての短距離高速多元接続マルチメディア通信のために使用することができる比較的簡単で、低コスト、低電力トランシーバを製造するための実行可能な技術として有望なものである。ＵＷＢ通信の提案者は、ＵＷＢは、他のサービスに割り当てられた周波数帯域の光使用を活用して、スペクトルを再使用するためのものであると主張している。この広帯域通信技術は、過度の干渉問題を起こさないでこの非常に広い送信帯域の一部を同時に占有する多くの他の狭帯域信号と共存できるように設計されている。

このような広帯域技術の場合には、チャネル容量を効率的かつ効果的に使用することが重要である。しかし、システム・パラメータが設計され、最適化され、また実施された場合、チャネル容量利用の基準としてのシステムの性能は、チャネル条件が変化するにつれて変化することを示すことができる。フェージング無線環境においては、ＵＷＢ ＩＲシステムのチャネル容量は、良くないチャネル条件で比較的効率的に使用され、フェージングが軽減すると比較的非効率的に使用される。

ＩＲ変調を含むＵＷＢ通信のためのタイム・ホッピング・シーケンスを使用する従来の多元接続は、パワー・スペクトル密度に関する法令上の制限に適合する必要なビット誤り率を達成するために時間ダイバーシティを使用する。

都合の悪いことに、時間ダイバーシティを使用すると、そのシステムが達成することができる最大データ・レートが低減する。

時間ダイバーシティの最適使用および有意に高いデータ・レートは、特定の時間的瞬間のチャネル状態に関する情報に基づいて、適応ＵＷＢ ＩＲ送信スキームを使用することにより、本発明の原理に従って達成することができる。チャネル状態情報を使用することにより、特定のチャネル状態に対して送信スキームが調整される。

より詳細に説明すると、システムは、チャネル状態に応じてビット当たりの送信されるパルスの数を変化させることにより、各ユーザに対して動的に適応される。チャネル状態は、受信機が通常測定または推定する送信システムの動的パラメータである。適応要素は、以降のＵＷＢ ＩＲ通信のために送信チャネルで使用するビット当たりのパルスの所望の数を決定するために、チャネル状態情報に応答する。次に、このビット当たりのパルスの所望の数は、特定の移動局による以降の送信のために適応送信機に送られ、使用される。

本発明の原理によるＵＷＢ通信のための適応送信は、システムの複雑さは低いレベルのままで、全チャネルおよびシステムの処理能力の点で従来の非適応ＵＷＢシステムよりも優れている。

添付図面を参照しながら、本発明の特定の例示としての実施形態の下記の説明を読めば、本発明をよりよく理解することができるだろう。
添付図面は、本発明の通常の実施形態だけを示すもので、それ故、本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではない。何故なら、本発明は他の同様に効果的な実施形態にも適用することができるからである。可能な限り、全図面を通して同じ要素には同じ参照番号が付けてある。

以降の説明においては、使用するいくつかの用語は同じものを意味する。「ユーザ」という用語は、「移動体」、「移動局」および「移動ユーザ」という用語の代わりに使用することができる。「基地局」という用語も、「基地」という用語の変わりに使用することができる。これらの使用は、如何なる意味でも制限のためのものではない。

本発明は、各ＵＷＢ無線リンク用のシンボル（ビット）当たりのパルス数の動的適応を含む。各リンクは、他のユーザ・リンクから個々に変えることができるので、各リンクに対する適応を差別化することができる。動的に差別化したリンク適応ＵＷＢは、異なるユーザ間でその適用について制限を受けないし、適応はそれぞれの場合に所望のデータ・レートを割り当てる各ユーザに対して個々に行うことができる。この特徴により異なるユーザに対するサービスの品質を差別化することができる。

図１は、通常の無線通信ネットワーク１００の簡略システム図である。無線通信ネットワーク１００は、基地局１０２と通信する多数の移動局１０１を含む。移動局１０１および基地局１０２は、無線ネットワークでの通信を容易にする無線トランシーバを含む。図１には示してないが、ネットワーク１００は固定または移動ユーザを処理することができ、より大きなネットワークを形成するために、他のこのようなネットワークと相互接続することができることをよく理解することができるだろう。本発明の目的のためには、図１における簡略されたネットワークに対処できれば十分である。

ネットワーク１００内の移動局にとって基地局に近接するということは重要なことである。図１は、ゾーンＡおよびゾーンＢで示す数個の同心円ゾーンを示す。ゾーンＡは、２つの移動ユーザを含み、基地局に最も近いこれらの領域を含む。同心円の間のエリアとして示すゾーンＢは、基地局からより遠くに位置する２つの他の移動ユーザを含む。基地局からさらに遠くのゾーンＢの外側に２つの他の移動ユーザが位置する。移動ユーザが基地局からさらに離れると、その通信はさらに減衰し、さらにフェージングを起こし、さらにノイズにより劣化する。これについては、以下にさらに詳細に説明する。

本発明は、チャネル状態の変化を検出した場合に、各移動局に対して個々に、ビット当たりのパルス数Ｎ_ｓを変えるための動的適応技術を含む。それ故、少なくとも技術的観点からいって、ＵＷＢインパルス無線通信についての詳細を理解することが重要である。そのために、変調スキームについて以下に簡単に説明する。ＵＷＢ通信の基本ＩＲ変調は従来技術において十分に確立されている。例えば、上記のScholtz の論文、およびFullerton に付与された米国特許第５，６７７，９２７号、Richardsに付与された米国特許第６，６７１，３１０号、Cowle に付与された米国特許第６，７１７，９９２号、米国特許出願ＵＳ２００４／０２５８１３３号公報、および下記の技術文献、すなわち、通信に関するＩＥＥＥ会報、４８巻、４号、６７９〜６９１ページ（２０００年４月）掲載のMoe Zin 他の「無線多元接続通信のための超広帯域タイム・ホッピング拡散スペクトル・インパルス無線（Ultra-Wide Bandwidth Time-Hopping Spread Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access Communications ）」およびＩＥＥＥ通信レター、２巻、２号、３６〜３８ページ（１９９８年２月）掲載のMoe Zin 他の「インパルス無線：その動作（Impulse Radio: How It Works ）」を参照されたい。

ＵＷＢは、低電力送信が経路損失に打ち勝つことができる無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ：wireless local area network ）、および無線個人エリア・ネットワーク（ＷＰＡＮ：wireless personal area network）用の物理層としてだけ提案されてきた。これらの短距離通信（ＳＲＣ：short range communication ）システムは、主として通達範囲エリアが狭いために、他の中距離セルラー無線システムよりも少ない数のユーザ向けのものである。以下にさらに詳細に説明するように、ＵＷＢシステム用の動的リンク適応の本発明は、ＳＲＣ環境に対して非常に適したものになる。何故なら、低負荷システムの平均データ・レートを有意に速くすることができるからである。

図２および図３は、無線システムで使用するためのインパルス無線変調技術の簡略ブロック図である。パルス位置データ変調（ＰＰＭ：pulse-position data modulation）による通常のタイム・ホッピング多元接続超広帯域フォーマットは次式により表される。

ここで、ｗ_ｔｒ（ｔ）はパルス持続時間Ｔ_ｐの送信機クロックの時間ゼロで名目的にスタートする送信パルス形を表し、Ｔ_ｆは、パルス反復時間（またはフレーム持続時間）を表し、ｃ^（ｋ） _ｊは長さＮ_ｐの周期的な疑似雑音（ＰＮ：pseudonoise ）シーケンスを含むベクトルのｊ番目の要素である。タイム・ホッピング符号は、ｃ^（ｋ） _ｊ・Ｔ_ｃの追加の時間シフトを導入する範囲［０，Ｎ_ｈ］内の整数であり、ｄ^（ｋ） _ｉは移動局ｋのデータ情報を運ぶ２値シーケンスのｉ番目の要素であり、δは情報による時間シフトである。表記

は、関数の引数である実数ｘ以下の最大の整数を返送するフロア関数である。Ｎ_ｓはビット当たりのパルス数である。

上付きの（ｋ）で示す数量は送信機に依存する値を示す。それ故、ｋ番目の送信機（移動局）が送信する信号は、異なる時間にシフトしている多数のパルス形からなる。この場合、ｊ番目のパルス形は、時間

からスタートする。この信号モデルのデータ・レートは、次式により表される。

時間シフトの各成分については、以下にさらに詳細に説明し、また図２に示す。時間シフトの成分は、時間ベース２０１（図３の時間ベース３０１）により形成される一様なパルス・トレーン間隔、タイム・ホッピング符号遅延２０２が形成する疑似ランダム・タイム・ホッピング（図３の場合には、このことは、ユーザ・セレクタ３０２、タイム・ホッピング符号発生器３０３、および符号遅延３０４により行われる）、また、ＰＰＭ２０３によるパルス位置変調（ＰＰＭ：pulse position modulation ）を含むデータ変調（図３の場合には、このことは、データ・ビット・ソース３０５、Ｎｓソース３０７、フロア関数要素３０６、およびパルス位置変調器３０８により行われる）である。時間シフトが終了した場合には、式（１）で示す送信パルス・シーケンスを生成するために、超広帯域システム用のモノサイクル・パルス形がＵＷＢパルス発生器２０４（図３の場合には、ＵＷＢパルス発生器３０９）により生成される。

時間ベース２０１（３０１）は、Ｔ_ｆ秒の間隔を有するモノサイクル・パルスからなる、Σ^∞ _ｊ＝−∞ｗ（ｔ−ｊＴ_ｆ）の形の間隔が一様なパルス・トレーンを生成する。このフレーム時間またはパルス反復時間Ｔ_ｆは、使用できるクロック・ソースの安定性の程度により、パルス幅より遥かに長くてもよい。このパルス・トレーンは低い使用率を有する。これらの信号は一様な間隔のパルスを有する多元接続環境で発生するので、これらの信号は、場合によっては、２つ以上の信号からの多数のパルスが同じ時間的瞬間に受信される壊滅的衝突による影響を受けやすい。これらの衝突には、疑似ランダム・タイム・ホッピングを使用することにより対処することができる。

図１の多元接続環境での壊滅的衝突が起こらないようにするために、各移動局またはリンク（整数ｋで示す）には、タイム・ホッピング符号と呼ばれる異なるパルス・シフト・パターンｃ^（ｋ） _ｊが割り当てられる。各符号要素ｃ^（ｋ） _ｊは、範囲０≦ｃ^（ｋ） _ｊ＜Ｎ_ｈの整数である。タイム・ホッピング符号は、周期Ｎ_ｐの周期的な疑似ランダム符号であるので、すべての整数ｉおよびｊに対して、ｃ^（ｋ） _ｊ＝ｃ^（ｋ） _{ｊ＋ｉＮｐ}となる。それ故、タイム・ホッピング符号が、パルス・トレーン内の各パルスに追加の時間シフトを供給することを理解することができるだろう。この場合、ｊ番目のパルスは、ｃ^（ｋ） _ｊ・Ｔ_ｃ秒の追加シフトを起こす。符号によるこれらの追加時間シフトは、０とＮ_ｈＴ_ｃとの間の個々の時間である。

ユーザ・セレクタ３０２が、移動局が使用中のリンクの指標ｋを決定する。タイム・ホッピング符号発生器３０３は、移動局が使用するタイム・ホッピング符号を生成する。符号遅延３０４（または図２の場合には、タイム・ホッピング符号遅延２０２）は、下記の形のパルス・シーケンスを生成するためにこの情報を使用する。

この波形は、周期Ｔ_ｐ＝Ｎ_ｐＴ_ｆの周期的なものである。何故なら、タイム・ホッピング符号が周期Ｎ_ｐの周期的なものであるからである。この符号は、実際には、パワー・スペクトル密度を、間隔が一様なパルス・トレーンのライン・スペクトル密度（１／Ｔ_ｆ間隔）からより狭いライン間隔を有するスペクトル密度（１／Ｔ_ｐ間隔）に低減する効果を有する。

Ｎ_ｈＴ_ｃ≦Ｔ_ｆであると仮定すると、この比率はその上でタイム・ホッピングすることができるフレーム時間の一部を定義する。通常、あるトランシーバの動作およびリセットをする時間的余裕を与えるために、Ｎ_ｈＴ_ｃ／Ｔ_ｆは必ず１未満であると仮定する。Ｎ_ｈＴ_ｃをあまり小さく選択すると、壊滅的衝突が起こる虞れが依然として残る場合がある。しかし、Ｎ_ｈＴ_ｃが十分大きく、タイム・ホッピング符号をうまく設計すれば、多元接続干渉をガウス・ランダム・プロセスと見なすことができる。

ユーザ・データ情報ストリームの内容をベースとするパルス位置変調は、式（１）に示すように、パルス・シーケンスに追加の時間的シフトを供給する。図２においては、ＰＰＭ２０３がパルス位置変調を行う。図３はその詳細図である。図３においては、ｊ番目の移動局（ユーザ）に対するユーザ・データ・ソース３０５、Ｎ_ｓソース３０７、フロア関数要素３０６、およびパルス位置変調器３０８は、全パルス位置変調を行うために協動する。Ｎ_ｓソース３０７は、ＵＷＢ ＩＲシステムのビット当たりのパルス数Ｎ_ｓの値を格納する。フロア関数要素３０６は、ユーザ指標ｊおよびビット当たりのパルス数Ｎ_ｓの比率に対してフロア関数を実行する。

ビット・ソース３０５からのユーザのデータ・シーケンスである、移動局ｋのｄ^（ｋ） _ｉは、通常、ある形で情報を運ぶ２値シンボル・ストリームである。この形の通信システムがオーバサンプリングされる。すなわち、Ｎ_ｓパルスがビット当たり送信され、各Ｎ_ｓタイム・ホッピングの後で変調データ・ビットが変化する。この変調技術の場合には、データ・ビットが０である場合、パルス上で追加の時間的シフトは変調されないが、ユーザのデータ・ビットが１である場合には、δの時間的シフトがパルスに追加される。データ変調により、疑似ランダム・タイム・ホッピング変調のパワー・スペクトル密度がさらに平滑になる。この変調フォーマットの場合、１つのビットはＴ_ｓ＝Ｎ_ｓＴ_ｆの持続時間を有する。固定フレーム（パルス反復）時間Ｔ_ｆの場合には、２値シンボル・レートまたはデータ・レートＲ_ｓが、式（２）に示す所与の２値シンボル（ビット）により変調されるモノサイクル・パルスの数Ｎ_ｓを決定する。

ＵＷＢパルス発生器２０４およびＵＷＢパルス発生器３０９は、変調したデータ・シーケンスを、ＵＷＢ ＩＲモノサイクルに通常関連するパルス形に変換する。これらのモノサイクル・パルスは、各移動局により基地局に同報通信される。

基地局においては、受信信号は、図１に示すように、関連する移動局が同報通信した信号を合成したものである。Ｎ_ｕユーザが多元接続システムで能動状態にある場合、受信機のアンテナの出力のところの合成受信信号のモデルは、次式により表される。

ここで、Ａ_ｋは移動局から基地局受信機までの伝搬経路上での移動局ｋの信号の減衰を表し、Ｓ^（ｋ） _ｒｅｃ（ｔ）は、ユーザｋからの受信信号を表し、τ_ｋは、ユーザｋの移動局（送信機）のところのクロックと時間的非同期とも呼ばれる基地局（受信機）との間の潜在的時間差を表す確率変数であり、波形ｎ（ｔ）は加算的白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ：additive white Gaussian noise ）を表す。能動ユーザＮ_ｕの数および信号振幅Ａ_ｋは、データ・シンボル間隔中一定であると仮定する。

アンテナ／伝搬システムは、その出力のところで送信モノサイクルｗ_ｔｒ（ｔ）の形をｗ（ｔ）になるように修正し、一定の減衰および遅延を導入する。後に続く理論セクションにおいては、チャネル・モデルは多重経路および分散効果を無視するものと仮定する。

必要な信号を抽出するための最適プロセッサは、干渉信号の形についてのすべての受信機または基地局の知識を使用する複雑な構造である。しかし、ユーザの数が多く、完全な複数のユーザの情報が入手できない場合には、他のユーザからの干渉信号の総合的影響をガウス・ランダム・プロセスとして近似するのが妥当である。上記のScholtz のＩＥＥＥ ＭＩＬＣＯＭ論文に記載され、引用により本明細書に組み込むものとする基本的ＵＷＢ受信機は、干渉についてのガウスの仮定に依存している。ＡＷＧＮの２値変調インパルス信号の１つのビットに対する最適受信機は、次式の場合、ｄ^（ｌ） _０＝０であることを決定する相関受信機である。

ここで、ｖ（ｔ）＝ｗ（ｔ）−ｗ（ｔ−δ）は、１つのパルスを相互に関連づけるために使用するテンプレート信号である。

式（５）の決定手順を使用する場合のエラーＰ_ｅの確率は次式により表される。

当該技術分野では、いくつかの仮定を使用した場合、式（６）で使用する信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio ）の式が次式により表されることは周知である。

ここで、ｍ_ｐは、１つの受信パルスがテンプレート信号と相互に関連づけられ、次式の他の変数で定義される場合の相関器出力である。

ここで、間隔τ_ｉはデータ・ビットを表す波形を含んでおり、受信ビット、ｗ_ｂｉｔ（ｔ）の理想的波形は次式により表される。

ｖ_ｂｉｔ（ｔ）は、１つのビットを相互に関連づけるためのテンプレートである、ｖ_ｂｉｔ（ｔ）＝ｗ_ｂｉｔ（ｔ）−ｗ_ｂｉｔ（ｔ−δ）。このシステム・モデルにより、これらのシステム・パラメータに基づいて以下の節で動的適応送信方法および装置について説明する。上記データ・レート、エラー確率およびＳＮＲ間の関係を、この一意の適応送信技術の性能を評価するために以下に使用する。この改善したシステムについては、図４〜図６を参照しながら説明する。

適応送信は、無線通信システムの効率を改善する潜在的可能性を有する。ＵＷＢ ＩＲ無線通信用の以下に説明する適応送信技術は、ＵＷＢ ＩＲ受信機が、複数のパルスを送信情報の各ビットを回収するために統合する変調でのオーバサンプリングに依存する。下記の動的適応は、ＵＷＢ ＩＲ受信機がユーザ情報のビットを回収するために統合を行うパルスの最適な数は、パルス速度、ビット速度、妨害レベル（jamming level ）および範囲を含む多数の変数に依存するという事実を使用する。この適応スキームの性能評価については、範囲および複数のユーザの干渉により制限されるシステムのところで以下に説明する。時変送信チャネルの性能を最大にする適応戦略の最適化についても説明する。

図４は、送信チャネルの変化をベースとする動的適応を使用する本発明の原理による図１の無線システムで通信を行うＵＷＢ ＩＲ送信機および受信機の簡略ブロック図である。図４のシステムは、動的ＵＷＢ（ＤＵＷＢ：dynamic UWB ）送信機４１０、動的ＵＷＢ（ＤＵＷＢ）受信機４２０、および送信チャネル４３０を含む。実際には、送信機４１０は、図１の基地局（または移動局）の送信機部分に対応し、一方、受信機４２０は、図１の移動局（または基地局）の受信機部分に対応する。

チャネル４３０は無線チャネルである。信号は基地局および移動局のところのアンテナ装置（図示せず）を介して受信される。図４の送信チャネルを横切る実線は、信号がどこでどのように使用されるのかをよりはっきり示すためのものである。各基地サイトおよび移動サイトは、送受信用のアンテナ装置を使用し、ＵＷＢは信号プロトコルに従うので、当業者であれば、フィードバック・チャネル４３１および同期チャネル４３３は、無線チャネルを通して送信される多元接続ＵＷＢ ＩＲストリームに埋め込まれている論理または仮想チャネルであることを理解することができるだろう。

ビット当たりのパルス数Ｎ_ｓがすべてのユーザに対して同じであり、全システムに対して一定の定数である従来の多元接続ＵＷＢ ＩＲシステムとは対照的に、図４〜図６に示し説明する本発明は、システムが推定する変化するチャネル状態に基づいて各ユーザに対するＮｓの最適な値を決定する。ユーザ・データに適用される時間ダイバーシティは、あるパルスから他のパルスのように頻繁に変化するチャネルの変動を抑え、ＢＥＲの統計的低減を行うが、多元接続ＵＷＢチャネルは、外部干渉、シャドウイング、移動性およびユーザの数の変化によるゆっくりとした変動の影響を受ける。それ故、Ｎ_ｓの固定値は、常に最適というわけではなく、そのためチャネル容量および処理能力のようなシステム・リソースを無駄に消費する。本発明を使用すれば、これを追加のシステム処理能力を達成するチャネルのよりすぐれた最適な使用に変換することができる。

本発明のある態様によれば、送信信号、（ｓ（ｔ））は、図５および図６の動的適応技術により計算したビット当たりのパルスの最適の数Ｎ^ｏｐｔ _ｓにより変調される。この適応技術は、Ｎ^ｏｐｔ _ｓを適応するためにチャネル状態情報を使用する。チャネル状態情報（ＣＳＩ：channel state information ）は、受信機で、送信されたパルス当たりの平均信号対雑音比（ＳＮＲ）として推定することができる。次に、この情報は、Ｎ^ｏｐｔ _ｓの新しい値を生成するために適応アルゴリズム要素上を通過する。適応アルゴリズム要素は、ＣＳＩ推定器と共に配置することもできるし、または送信サイトに設置することもできる。後者の場合、ＣＳＩ情報は、フィードバック・チャネルを通して送信機に送信される。フィードバック・チャネルは、規則正しいＵＷＢストリームの論理チャネルである。Ｎ^ｏｐｔ _ｓの値が更新された場合、更新された値は、同期チャネル、ＵＷＢストリームに埋め込まれている論理チャネルにより、対応する送信機または受信機により共有され、そのためＮ^ｏｐｔ _ｓの更新した値を使用する通信を、中断なしで移動局と基地局との間で継続することができる。

この装置の場合、Ｎ^ｏｐｔ _ｓの値が、個々にまた他のユーザから独立して各ユーザに対して動的ベースで適応され、更新される場合があることが考えられる。変動に応じて、一般的にチャネル状態の遅い変動である各ユーザに対するビット当たりのパルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓの値を動的に変えることにより、その個々のチャネル上の容量の各ユーザの使用を最適化することができ、それにより任意の適用されるビット誤り率要件に適合しながら、可能な最大データ・レートを入手することができる。

図４の実施形態の場合には、ＤＵＷＢ送信機４１０は、データ・バッファ４１１と、適応変調器４１３と、適応アルゴリズム要素４１２とを含む。データ・バッファ４１１は、受信機に送信するユーザ・データ情報を処理する。データ・バッファ４１１は、すでに説明したように、ＵＷＢ ＩＲ変調のために適応変調器４１３へユーザ・データを供給する。適応変調器４１３は、バッファ４１１からユーザ・データを受信し、要素４１２からこの特定のユーザのビット当たりのパルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓの更新した値を受信する。変調器４１３は、式（１）に示すように、ユーザｋに対する送信信号ｓ^（ｋ）（ｔ）を生成するために、Ｎ^ｏｐｔ _ｓの値によりデータを変調する。この信号は、送信アンテナ装置（図示せず）により無線多元接続ＵＷＢチャネル４３２を通して送信される。変調器４１３は、また、同期チャネル４３３を介して受信機に、ユーザｋのＮ_ｓの新しい値Ｎ^ｏｐｔ _ｓを送信する。要素４１２は、フィードバック・チャネル４３１、ＵＷＢストリーム内のもう１つの論理チャネルを介して、受信機から推定チャネル状態情報ξ _ｒを受信する。これらの論理チャネルは多くの異なる方法で実現することができる。例えば、ＣＳＩ情報またはＮ^ｏｐｔ _ｓ情報は、ユーザ・データ送信のオーバヘッドまたはペイロード部分で組み立てることができる。

ＤＵＷＢ受信機４２０は、データ出力バッファ４２３と、適応復調器４２１と、チャネル状態情報（ＣＳＩ）推定器４２１とを含む。受信機４２０が受信した信号および受信機４２０から送信された信号は、ＵＷＢ通信のためにアンテナ装置（図示せず）により処理される。式（４）に示す受信したＵＷＢ信号、ｒ（ｔ）は、復調器４２１および推定器４２２に結合される。適応復調器４２１は、受信信号からユーザ・データを回収し、そのデータを出力データ・バッファ４２３に送る。変調器４２１も、復調ルーチンを適応させ、Ｎ^ｏｐｔ _ｓの更新した値により変調した以降のユーザ・データを回収するために、同期チャネル４３３を介してＮ^ｏｐｔ _ｓの更新した値を受信する。データ・バッファ４２３は、受信機が出力するユーザ・データを処理するオプションとしての要素である。明らかに、データ出力は、復調器４２１の出力から直接処理することができる。受信信号は、チャネル状態を判断するためにＣＳＩ推定器４２２により使用される。チャネル条件または状態の推定は、当業者にとって周知のものであるのでここでは説明しない。チャネル状態の推定は、平均値または瞬間値の形でパルス当たりの信号対雑音比（ＳＮＲ）を表す信号を生成するものと予想される。平均ＳＮＲは好ましいものである。何故なら、本発明はゆっくりと変化するチャネル条件を目的としているからである。ＣＳＩ推定器４２２は、フィードバック・チャネル４３１を介して送信機へそのチャネル状態推定信号ξ _ｔを送信する。すでに説明したように、フィードバックおよび同期用の論理チャネルは、例えば、ユーザ・データ送信のＸシンボルのオーバヘッド部分またはペイロード部分により、多くの異なる方法で実現することができる。ＣＳＩ情報および更新したビット当たりパルス情報は、正規の方法で、ユーザ・データ内で、または情報の一方または両方の部分がデータ・ストリームで運ばれるトリガ・ビット信号の特種な信号フォーマットにより送信することができる。

推定器４２２は、適応アルゴリズム要素４１２と同じ装置内に配置することもできる。例えば、両方の要素が基地局内に位置している場合には、チャネル状態情報は、Ｎ^ｏｐｔ _ｓの新しい値を決定するために、直接適応要素に送られる。決定されると、その新しい値を移動局に送信することができ、次に移動局は、Ｎ^ｏｐｔ _ｓの新しい値を使用する通信がスタートする場合に、同期チャネルを通して基地局に単に通知する。

適応アルゴリズム要素４１２は、受信したチャネル状態情報ξ _ｒに応じてＮ^ｏｐｔ _ｓの新しい値を決定する。この決定は、図５および図６に示すいくつかの方法により行うことができる。各方法の結果は、ユーザｋおよびユーザｋと通信している基地局のために関連する変調器および復調器が使用するために、ビット当たりのパルスの更新した最適値Ｎ^ｏｐｔ _ｓを出力する。理論を動機とするこれらの方法については、方法の説明と共に以下の節で説明する。

この説明の最初の部分で、シンボル毎に統合したパルス数Ｎ_ｓと結果としてのエラーの確率Ｐ_ｅとの間の関係について説明した。より詳細に説明すると、Ｎ_ｓは、式（７）に示すようにＳＮＲに影響し、一方、ＳＮＲは式（６）に示すようにＢＥＲを決定することが分かった。これらの式によれば、Ｎ_ｓがＳＮＲに影響を与える唯一のパラメータである場合には、ビット当たりのパルス数Ｎ_ｓを増大すればエラーの確率を小さくすることができる。ＢＥＲ要件を満たすＮ_ｓの最小値は、最適値である。何故なら、この最小値は式（４）の最大データ・レートを達成するからである。

チャネル条件は静的なものではない。チャネル条件はＳＮＲのように時間と共に変化する。何故なら、ＳＮＲは、シンボル当たりどれだけ多くのパルスが送信されたかについてＮ_ｓに依存するばかりでなく、本来時間と共に変化するユーザ数、妨害レベルおよび範囲のような他の要因にも依存するからである。それ故、これらの他の要因の時間的変動により、Ｎ_ｓの静的な固定値が最適でない場合がでてくる。それ故、任意のチャネル条件に対する特定のＢＥＲを維持するために、これらの他の要因の変動を補償するＮ_ｓのある値が存在する。このような値は最適と呼ぶことができる。Ｎ_ｓの値がいわゆる最適値より低いと、ＢＥＲが受け入れられないものになり、一方、Ｎ_ｓが最適値より高いと、ＢＥＲが必要なＢＥＲを潜在的に超える虞れがある。このこと自体は有害ではないが、このことはあるリソースが無駄に使用されていることを示している場合がある。

すべてのリソースを利用するために、本発明の原理による適応は、最適になるように決定されるビット当たりのパルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓをベースとしている。それ故、このような適応を使用すれば、変化するチャネル条件に応じてＵＷＢ ＩＲ信号の変調を動的に変えることができる。

Ｎ_ｓまたはＮ^ｏｐｔ _ｓを適応パラメータと見なした場合、変調モードをＮ_ｓの各値に対して定義することができる。Ｎ_ｓが低いモードは、スペクトルの点でより効率的であり、ユーザはより高いデータ・レートを達成することができる。何故なら、同じ量の情報を式（４）に示すようにより少ないパルスで送信することができるからである。逆に、Ｎ_ｓが高いモードの場合には、エラーの確率を小さくするためにシンボル当たりより多くのパルスを送信することによりデータ・レートが低くなる。Ｎ_ｓが高い変調モードは、Ｎ_ｓが低い変調モードよりも堅固である。何故なら、Ｎ_ｓが高ければ同じＢＥＲを維持するのにより低いＳＮＲですむからである。それ故、Ｎ_ｓを変化することにより、ＳＮＲに対する強度および変調モードのスペクトル効率を変化させることができる。

本発明の原理によれば、ＵＷＢシステムは、ユーザと基地局との間の各リンクまたはチャネルを、最適値Ｎ^ｏｐｔ _ｓに対してシンボル当たりのパルス数Ｎ_ｓを動的に変えることにより、チャネル条件に適応させるという方法で動作する。このようにして、所与のチャネル条件に対する最適な変調モード、すなわち、現在のチャネル状態に対して最善のスペクトル効率を達成する変調モードをいつでも使用することができるために処理能力が向上する。

ステップ５０１〜５０７は、受信した推定チャネル状態情報（ＣＳＩ）、ξに応じて、ビット当たりの最適なパルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓのための新しい値を決定するための例示としての１つの方法を示す。本発明の場合には、供給したチャネル状態情報は、実際のＳＮＲまたは平均ＳＮＲのようなＵＷＢパルス当たりの信号対雑音比（ＳＮＲ）の基準であると見なされる。ステップ５０４〜５０７は、システムが動作する前にオフラインで計算されてもよいものである。

ステップ５０１において、チャネル状態情報（ＣＳＩ）が、受信信号から周知の技術により入手される。これらの信号から、ＵＷＢ信号のパルス当たりのＳＮＲを推定することができる。推定値ξは、瞬間的な測定値であってもよいし、または平均測定値であってもよいが、平均測定値であることが好ましい。すでに説明したように、推定値は、遠隔局のところで決定することもできるし、遠隔局から受信することもできるし、または同じ局で決定することもできる。ξの形をしているＣＳＩは、ステップ５０２に供給される。

ステップ５０２において、所与のチャネル状態情報に対するＮ_ｓの最適値が近似される。近似を行うために、ステップ５０２において、ステップ５０７から追加の変数、すなわちＳＮＲ_ｏｐｔを受信する。ステップ５０２において、以下の計算が行われる。

次に、制御がオプションとしてのステップ５０３に渡される。そうでない場合には、Ｎ^ｏｐｔ _ｓの近似した値が変調器に出力され、遠隔局に送られる。この近似については、すぐこの後で詳細に説明する。

オプションとしたステップ５０３において、Ｎ^ｏｐｔ _ｓの値は、必要に応じて、変調器により処理されるＮ_ｓの可能な値の数を低減するために量子化が行われる。例えば、システムを５，１０，１５，２０等のＮ_ｓの値で動作するように設計することができる。この場合、Ｎ_ｓに対するステップ５０２が出力する値が１７である場合には、量子化器は、実際の値が１７であっても、特定の量子化器構成に基づいて、値を１５または２０として出力する。量子化器ステップの大きさおよび、実際には、量子化器ステップを使用するか否かの決定は、システムの複雑さおよび精度に影響を与える問題である。最も複雑で精度の高い方法では、このステップで量子化の使用を避ける場合がほとんどである。

ステップ５０４〜５０７において、ＳＮＲ_ｏｐｔの値が決定される。この方法のこの説明をさらに進める前に、この方法のこの部分で使用する技術の基礎である理論および実際を理解することが重要である。

この節においては、単位時間に正確に転送することができるデータの量である、処理能力を最大にする最適な変調モードを生成するための方法について説明する。ＳＮＲとして通常測定される所与のリンク品質の場合、シンボル当たりＮ_ｓのパルスにより達成される処理能力Ｓは、次式により表すことができる。

ここで、ＢＬＥＲは（Ｎ_ｓによって指定される）所与の変調スキームに対するリンク品質の関数としてのブロック誤り率であり、この場合、少なくとも１つのビット・エラーが発生した場合には、ブロックはエラーを含んでいるとみなされ、Ｒ_ｓは式（４）において定義されたデータ・レートである。適応送信のタスクは、式（８）による処理能力Ｓを最大にする、シンボル当たりの最適なパルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓを常に選択することとして、形式的に表すことができる。

ＢＬＥＲは、ブロックの少なくとも１つのビットがエラーを起こしている確率である。これは、明らかに、ＢＬＥＲ＝（１−Ｐ_ｃ）で表すように、すべてのビットを正確に受信する確率の補数である。さらに、すべてのビットを正確に受信する確率は、Ｐ_ｃ＝（１−ＢＥＲ）^Ｌによるビット誤り率（ＢＥＲ）に関連する。この場合、Ｌはブロック当たりのビット数である（Ｌ＝Ｔ_ｒ／（Ｔ_ｆＮ_ｓ）であり、この場合、Ｔ_ｒは単位時間でのブロック持続時間である）。式（８）に代入することにより、次式が得られる。

多少の計算の後、次式になる。

処理能力に対するこの式は、ＳＮＲを含んでいないので、さらに修正しなければならない。

次式に示すように、ＢＥＲは、式（６）のシンボル当たりのＳＮＲに関連し、一方、シンボル当たりのＳＮＲは、パルス当たりのＳＮＲおよびシンボル当たりのパルス数Ｎ_ｓの積に等しい。

この事実により、次式で表される処理能力の最終式が必然的に得られる。

式（１２）が示す処理能力Ｓは、図１０の表面にグラフで示す２つの変数Ｎ_ｓおよびξのスカラー関数である。図１０を見れば、本発明の原理によるＵＷＢ通信システムの適応送信の利点を容易に理解することができるだろう。Ｎ_ｓの値が静的であり、Ｎ_ｓの値がＳＮＲに動的に適応しない標準ＵＷＢシステムの場合には、達成できる処理能力は予め選択したＮ_ｓの固定値に対応する表面の値に制限される。それ故、ＳＮＲが静的ＵＷＢシステムで変化すると、ＳＮＲ軸に沿って移動することができるだけで、その場合、処理能力は向上しない。同じ高さに留まる代わりに、図１０の表面上を上方に移動することによってだけ処理能力を向上することができる。ＤＵＷＢを動的に適応させることにより、システムは処理能力を向上させることができる。

次のステップでは、式（１２）の処理能力Ｓの式を使用して、適応にとって必要不可欠な、パルス当たりの所与のＳＮＲに対して送信されるべきシンボル当たりの最適なパルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）を見出す。Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）を解析的に見出す方法では、次式を構成する。

Ｑ関数の偏微分による式（１３）から得られるＮ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）の正確な式は、従順な関数（amenable function ）ではない。そのため、Ｓ（Ｎ_ｓ，ξ）のグラフ表示の観察に基づいて、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）の優れた近似値を見出すために、別の方法を検討する必要がある。この場合も、図１０から任意のパルス当たりの所与のＳＮＲ ξに対して、処理能力面の「縁部」のところで最大の処理能力が達成されることが分かる。それ故、最大の全処理能力を入手するための方法は、いつでもＳの「縁部」に沿って移動する。実際には、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）を知ることができ、三次元曲線Ｓ_ｏｐｔ（Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ），ξ）を描くことができれば、この曲線は表面Ｓの「縁部」に完全に適合することが予想される。この議論から、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）に対する式を見出すことは、その三次元図形がＳの「縁部」に適合する曲線を見出すのと同じであると考えるのが妥当である。この曲線を見出すために、本発明のシステムによる最適な適応の結果として、ＢＥＲは一定であると仮定する。この仮定が正しいものであるならば、式（６）により、シンボル当たりのＳＮＲも一定に維持されることになる。このような条件の下で、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）に対する式は、式（１１）を見れば分かるように、次式のようになる。

ここで、ＳＮＲ_ｏｐｔは未知の定数である。図１０は、また、表面Ｓと、４つのＳＮＲ_ｏｐｔ値、すなわち１５，１９，３４および３０に対する仮定から得られる４つのＳＮＲ_ｏｐｔ（Ｎ^ｏｐｔ _ｓ）曲線の重畳を示す。その観察から、実際に生成した曲線のグループが必要に応じてＳの「縁部」に適合する傾向があることを理解することができる。この結果は、仮定が上記近似に有効であることを確認している。何故なら、曲線ＳＮＲ_ｏｐｔ（Ｎ^ｏｐｔ _ｓ）をＳの縁部に適合させるＳＮＲ_ｏｐｔの値を見出すことができるからである。図１０の曲線を生成するために使用するパラメータＴ_ｒおよびＴ_ｆを特に選択するために、ＳＮＲ_ｏｐｔ＝１９の場合に、最善の適合が行われると判断することができる。それ故、この例示としてのシステムで使用する特定の構成（Ｔ_ｒ，Ｔ_ｆ）に対して送信するパルスの最適な数Ｎ_ｓは、次式により近似することができると結論するのが妥当である。

要約すると、この方法は、適応Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）に対するキー機能を評価するための簡単な方法を提供する。式（１５）で使用するＳＮＲ_ｏｐｔの値は、持続時間変数Ｔ_ｒおよびＴ_ｆの異なるパラメータの選択に対して異なるものであってもよい。しかし、ＳＮＲ_ｏｐｔは、同じ手順、すなわち、これらのパラメータによりＳ表面を決定し、ＳＮＲ_ｏｐｔの異なる値に対する曲線を重畳し、表面に最もよく適合するＳＮＲ_ｏｐｔの値を選択する手順により見出さなければならない。この手順を行うことにより、シンボル当たりの最適なパルス数Ｎ_ｓへの優れた近似を任意のチャネル状態に対して確実に使用することができる。

上記方法を使用することにより、ステップ５０４において、選択した組の値Ｔ_ｒおよびＴ_ｆに対する式（１２）によるシステムの処理能力が計算される。Ｔ_ｒはブロックの持続時間であり、移動局Ｔ_ｆはフレームの持続時間であることを思い出されたい。Ｎ_ｓおよびξは、この計算中、値の広い範囲において変化する。ほとんどのシステムのＮ_ｓの実際の範囲は、１〜約５００であるが、２０００のようなさらに高い最大値が、センサ・ネットワークのような低いデータ・レート用途に対して考えられる。ξに対する実際の範囲は０．００１〜約０．１であるが、さらに高い最大範囲も考えられる。この場合、ξは１０以上程度である。

ステップ５０５において、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）の値は、以下の関数によりステップ５０４において計算した処理能力の値のグループにより決定される。

「ａｒｇ」関数は、Ｎ_ｓのすべての値を通して最大処理能力を返送した特定のＮ_ｓ（ξ）を供給する。

ステップ５０６において、Ｎ_ｓの最適値が式（１４）により近似される。次に、ステップ５０２においてシステムが使用するシステム値が次式により決定される。

上式の場合、被積分関数は累積エラーの２乗に対応する。積分は、最小値から最大値までξの値の広い範囲において行われる。「Ｍｉｎ」関数は、ＳＮＲ_ｏｐｔのすべての可能な値上の積分関数の最小値を決定する。すでに説明したように、「ａｒｇ」関数は、Ｍｉｎ関数により見出された最小値になるＳＮＲ_ｏｐｔの値を返送する。ＳＮＲ_ｏｐｔのこの後者の値はステップ５０７において後で使用するために出力され、格納される。この値は、ステップ５０２において、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）の計算の際に使用される。

図６は、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）を決定するためのこの方法に対する代替の方法を示す。ステップ６０１および６０２は、ξの形のチャネル状態情報（ＣＳＩ）が入手された場合にリアルタイムで行われ、必要に応じて、量子化される。ステップ６０３〜６０５は、通常、変調器へのＮ_ｓのすべての更新の遅延を避けるために、（リアルタイムでなく）オフラインで行われる。

ステップ６０１において、ＣＳＩが入手され、そこからパルス当たりのＢＥＲ ξが推定される。オプションとしてのステップとしてのステップ６０１は、また、ξの値を量子化する可能性を含む。ξは実数であってもよいので、量子化は、単に四捨五入演算を含むこともできるし、単にξの整数部の返送を含むこともできる。この方法の精度に重大な影響を与えることなく、ξの可能な値を制限するためにさらなる量子化を実行することができる。ステップ６０５からのルックアップ・テーブル内の記憶容量は有限なので、ルックアップ・テーブルに含まれているのと同じ数の値だけを有するように、ξの値を量子化することができる。

ステップ６０２において、テーブルを参照するために、ξの値、チャネル状態情報がステップ６０１から受信され、入力値として使用される。ステップ６０５において格納したテーブルは、ある範囲のＮ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）の値およびξの関連する値を含む。参照によりＮ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）の値が検索された場合には、ステップ６０２において出力され、適応変調器および復調器に送られる。

ステップ６０３において、ステップ５０４で使用した方法と類似の方法でシステム値の全範囲に対して処理能力値のグループが計算される。上記方法の場合、ステップ６０３において、システム・パラメータの選択した一組の値Ｔ_ｒおよびＴ_ｆについてのシステムの処理能力が式（１２）により計算される。この場合も、Ｔ_ｒがブロックの持続時間であり、一方、Ｔ_ｆはフレームの持続時間であることを思い出されたい。Ｎ_ｓとξは、この計算の際に値の広い範囲で変化する。すでに説明したように、ほとんどのシステムの場合Ｎ_ｓの実際の範囲は、１〜約５００であるが、２０００のようなさらに高い最大値が、センサ・ネットワークのような低いデータ・レート用途に対して考えられる。すでに説明したように、ξに対する実際の範囲は０．００１〜約０．１であるが、さらに高い最大範囲も考えられる。この場合、ξは１０以上程度である。

ステップ５０５に類似のステップ６０４において、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）の値が、以下の関数によりステップ６０３において計算した処理能力の値のグループにより決定される。

「ａｒｇ」関数は、Ｎ_ｓのすべての値を通して最大処理能力を返送した特定のＮ_ｓ（ξ）を供給する。この動作は、ξのすべての可能な値に対して行われる。次に、一対の値（Ｎ^ｏｐｔ _ｓ，ξ）がルックアップ・テーブル内に格納される。ξの値がステップ６０２においてテーブル・ルックアップ動作に入力されると、Ｎ^ｏｐｔ _ｓ（ξ）の値がルックアップ動作により出力される。

チャネル状態情報に応じて、Ｎ_ｓの更新した値を決定するために、図５および図６に示す方法の間で多数のトレードオフ（trade-off ）が行われる。これらのトレードオフは、計算の速度および複雑さ、使用できる記憶装置、および結果の正確さおよび精度を含む。

以下の節においては、従来の多元接続、タイム・ホッピングＵＷＢ ＩＲシステムに追加した本発明の動的リンク適応技術の利得の評価結果について説明する。この評価は、Ｎｓの適応が、実際に期待した量の容量の増加をもたらすか否かを示す。この評価は、また、本発明のＤＵＷＢ技術を導入することにより、従来のＵＷＢシステムを強化することができる条件を示す。

より詳細に説明すると、短距離、低電力、多重ユーザ通信に対するＤＵＷＢの特徴を観察し、評価してきた。この節においては、２つの理想的なシナリオについて説明する。最初に、多重ユーザ・インターフェースにより制限されているシステムについて説明し、次に距離により制限されているシステムについて説明する。この評価の目的は、これら２つの条件で別々にＤＵＷＢの性能の正確な反映を供給することである。この結果から、ＤＵＷＢを使用することによりＵＷＢシステムの効率が有意に強化される条件を決定することができる。

動的ＵＷＢ ＩＲシステムを含む従来のＵＷＢ ＩＲシステムの性能を比較するために、システムの性能の優れた表示であるユーザ毎の平均データ・レートを考慮する。何故なら、平均データ・レートは、単位時間内にシステムを通してユーザが転送することができるビットの予想数を示すからである。平均データ・レート、Ｒ _ｓは下式により表すことができる。

多重ユーザ・インターフェースで制限されているシステムの場合には、最大データ・レートは、同じシステムの他のユーザに対して生じた干渉により制限される。多重ユーザ環境においては、例えば、会議センタ内の一室のようなある位置は、ＵＷＢによりカバーされている。ユーザはこの場所にランダムに出入りし、ユーザはそれぞれランダムな時間その場所に留まる。ユーザが室内にいる間、ＵＷＢシステムは、各ユーザにデータ・サービスを行い、ユーザはマップ、スケジュールおよび論文のような会議に関連する情報をダウンロードすることができる。実際には、この部屋は会議のための情報センタとしての働きをする。

簡単のため、ユーザの出入りに対してポアソン・トラヒック・モデルが仮定される。このことは、ユーザがある到着速度λでシステムに入り、平均１／μである指数的に分配した時間の間システム内に留まることを意味する。また、システムはいつでも最小データ・レートを超えるデータ・レートを供給するものと仮定する。そのため同時に能動状態にあるユーザＮには限りがある。Ｎの値は提供された負荷および必要な損失確率で決まる。このサービス・モデルは、その確率の分布が次式で表されるＭ／Ｍ／ｃ／ｃ待ち行列システムと同じものである。

ここで、

であり、ρ＝μ／λは提供された負荷である。損失確率が非常に低い場合には、ρはシステムのユーザのほぼ平均数である。このシステムのユーザ当たりの平均データ・レートＲ _ｓは次式で表される。

ここで、ｍはＵＷＢまたはＤＵＷＢであるモードを示し、Ｎ_ｕはシステムのユーザの数を示し、Ｎはシステムによりサポートされるユーザの最大数を示し、Ｒ_Ｓｍ（Ｎ_ｕ）は、モードｍの間にシステムで能動状態にあるユーザの数の関数としてのデータ・レートを示し、ｐ_ｍ（Ｎ_ｕ）はｍモード中のシステムにＮ_ｕユーザが入る確率を示す。

ＵＷＢおよびＤＵＷＢモード両方の場合、Ｒ_Ｓｍ（Ｎ_ｕ）は、式（６）および（７）から導出可能な特性関数

に深く関係する。この関数は、ユーザの間に生じた多重ユーザ干渉がＢＥＲを指定の値より小さくするように、Ｎｕユーザが同時に動作することができるデータ・レートを確立する。図７は、異なるＢＥＲ要件に対するこの特性関数を示す。図７は、ビット誤り率が１０^−６（曲線７０８）、１０^−５（曲線７０６）、１０^−４（曲線７０４）および１０^−３（曲線７０２）の場合のユーザの数の関数としてのデータ・レートを示す。

従来のＵＷＢの場合には、各ユーザは同じデータ・レートで動作する。システムの能動状態のユーザの数とは無関係に、システムは、いつでも、最悪の場合、すなわち能動状態のユーザの数が許容最大数である場合、あるＢＥＲを保証するデータ・レートを提供する。それ故、次式のようになる。

本発明のＤＵＷＢの場合には、依然として必要なＢＥＲを達成しながら、ユーザの現在数に対して許容された最大値にデータ・レートＲ_ｓがいつでも適応するものと仮定する。データ・レートは、ユーザ数が変化した場合だけ変化する。従って、次式のようになる。

ユーザの分布ｐ_ｍ（Ｎ_ｕ）が両方のモードに対して同じであることを考慮した場合、ユーザ当たりの平均データ・レートは、図８に示すように従来の各ＵＷＢシステムおよび多重ユーザ干渉により制限されているＤＵＷＢシステムに対するトラヒック負荷の関数として計算することができる。図８は、ポアソン・ローディング速度の場合の異なるユーザ負荷に対する各システムの平均データ・レートを示す。各システムに対するＢＥＲは１０^−５に維持した。曲線８０２は、従来のＵＷＢシステムの性能を示し、一方、曲線８０４は、本発明の原理により動作しているＤＵＷＢシステムの性能を示す。

図８の場合には、ＤＵＷＢシステムの動的リンク適応により、ユーザの負荷とは無関係に従来のＵＷＢシステムよりも平均データ・レートが速くなっていることに留意されたい。例えば、ユーザの平均数が４である場合、従来のＵＷＢの場合の平均データ・レートは１７Ｍｂｐｓになる。一方、ＤＵＷＢシステムで動的リンク適応を行うと、同じトラヒック負荷の場合、平均データ・レートは３５Ｍｂｐｓになる。さらに、ユーザ当たりの平均データ・レートの利得が低い負荷（＜１０）の場合に最高であり、１０〜１００の負荷の場合かなり高く、１００を超える負荷の場合には無視できる程度のものであることに注目することも重要である。負荷が小さい場合には、ＤＵＷＢシステムで動的リンク適応を使用すると、平均データ・レートの最高１００％の利得を達成することができる。これらの結果は、低いトラヒック負荷システムに対して、ＤＵＷＢシステムに動的リンク適応を導入することが適していることを示している。システムの負荷が低減すると、本発明の原理による動的リンク適応から利用できる利得が増大する。

この節においては、距離により制限を受けているシステムの平均データ・レートを増大するために、潜在的動的ＵＷＢを調査する。このようなシステムの場合、最高データ・レートは送信機と受信機との間の経路損失により制限される。そのため内部干渉および外部干渉は考慮に入れない。すでに強調したように、従来のＵＷＢシステム、すなわち非適応システム設計の場合には、すべてのユーザのデータ・レートは同じである。この同じ「選択した」データ・レートは、最悪の場合使用できる最大データ・レートである。距離により制限されているシステムの場合には、最悪の場合はユーザが最も遠い場所にいる場合である。それ故、送信機に非常に近い場所にいるユーザは、使用できる場合でも、より高いデータ・レートで動作することができない。何故なら、システム設計が、各ユーザが有効範囲エリア内の最も遠いユーザに与えられる同じデータ・レートを使用するように要求するからである。一方、本発明の原理による動的に適応しているＵＷＢシステムは、有効範囲エリア内すべての場所のすべての各ユーザに使用することができる最大データ・レートを供給することができる。異なる場所にいるユーザは、異なるデータ・レートを使用することができる。何故なら、使用することができるデータ・レートは、一様に分配されていないからである。データ・レートは、距離（基地局からユーザまでの距離）に反比例する。

距離の変動は下記のようにモデル化される。１人のユーザが、図１の例示としての円Ｂにより示すような円である半径Ｒの円の形をしているＵＷＢシステムの有効範囲エリア内を移動している。ユーザは、位置および時間の長さがまちまちになるように、各位置にある特定の長さの時間留まる。次に、このシステムを基地局から距離ｄのところにいるユーザの確率分布関数（ｐｄｆ：probability distribution function ）により特徴づけることができる。このシステムの比較の場合、セル半径Ｒおよび有効範囲エリア内のユーザの分布の影響を関連づけることも重要である。セル半径Ｒの影響を知るために、セル半径Ｒの関数としてＵＷＢシステムおよびＤＵＷＢシステムそれぞれに対して平均データ・レートを計算する。すべての場合、平均データ・レートは次式により計算する。

ここで、ｍはＵＷＢシステムまたはＤＵＷＢシステムのモードであり、ｄは送信機と受信機との間の距離であり、Ｄは最大距離であり、Ｒ_Ｓｍ（ｄ）は距離の関数としてのデータ・レートであり、ｐ_ｍ（ｄ）はユーザが距離ｄのところにいる確率である。

半径Ｒの円形有効範囲エリアの場合には、ｐ_ｍ（ｄ）の３つの異なる分布が考えられる：すなわち、一様な分布、距離についての線形な分布、およびｐ_ｍ（ｄ）がｄ^２（二次）に比例する分布。距離Ｒ_Ｓｍ（ｄ）の関数としてのデータ・レートは、リンク割当て方程式（link budget equation）により入手することができる。

図９は、直上の式により、半径Ｒの有効範囲エリア内をランダムに移動する１人のユーザについて入手した平均データ・レート

および経路損失指数ｎを示す。図９は、両方のシステムに対して有効範囲エリア半径の関数として達成した平均データ・レートを示す。曲線９０２（ｎ＝２．４）および９０６（ｎ＝２）は、従来のＵＷＢシステムの性能を示す。曲線９０４（ｎ＝２．４、二次）、曲線９０８（ｎ＝２．４、線形）、および曲線９１０（ｎ＝２．４、一様）は、本発明の原理によるＤＵＷＢシステムのための動的リンク適応の性能を示す。

図９から、任意の有効範囲エリア半径Ｒの場合、ユーザ毎の平均データ・レートの点でＤＵＷＢシステムの性能が、従来のＵＷＢシステムの性能より優れていると推定することができる。例えば、半径Ｒ＝１０ｍの円形エリア内においては、１人のユーザは、従来のＵＷＢシステムで６０Ｍｂｐｓの平均データ・レートを達成することができ、一方、同じユーザは、その位置分布が二次である場合、ＤＵＷＢシステムを使用することにより、２００Ｍｂｐｓの平均データ・レートを達成することができる。同じシナリオの場合には、ＤＵＷＢシステムのユーザは、それぞれ線形および一様な位置分布の場合に６００Ｍｂｐｓおよび２Ｇｂｐｓの平均データ・レートを達成することができる。これらの極端に高いデータ・レートは、データ・レートへの唯一の制限が通信範囲、すなわち経路損失であるこの分析の場合の例示としてのものであることを理解されたい。しかし、この分析は、送信機と受信機との間の距離にその送信パラメータを適応することができるシステムにおいて、ユーザに供給される平均データ・レートを劇的に増大するために、その制限されたリソースをどのように使用することができるのかについての有用な比較および予見を与えてくれる。

また、図９に示すように、位置分布が一様な分布や線形な分布の場合には、各ユーザはより高い平均データ・レートを入手することができる。これは、一様な分布の場合、送信機（基地局）が位置する円形の有効範囲エリアの中心にユーザの位置が集中するからである。線形な分布の場合には、一様な分布の場合よりユーザの位置がさらに拡がる。それ故、各ユーザの平均データ・レートが低くなる。距離ではなく面積についての線形な分布と解釈可能な二次分布は、セルラー・システムの最も普通のユーザ分布モデルである。図９は、また、本発明のＤＵＷＢシステムの動的リンク適応により達成した改善のレベルを示すために、経路損失指数がｎ＝２である従来のＵＷＢシステムのために入手した各ユーザの平均データ・レートを示す。この分析から、位置についての線形な分布の場合、経路損失指数ｎ＝２．４であるＤＵＷＢシステムの各ユーザの平均データ・レートは、経路損失指数がｎ＝２である場合には、従来のＵＷＢシステムで入手する各ユーザの平均データ・レートより高いと結論することができる。

この節においては、一方は多重ユーザ干渉により制限され、他方は距離により制限されている２つの理想的シナリオでのＤＵＷＢシステムの利点を分析した。各シナリオの場合、ＤＵＷＢシステムの性能は、非適応の従来のＵＷＢシステムの性能より有意に優れている。正確なチャネル状態推定を使用することにより、またチャネル状態情報に基づいて各ユーザに対してＮｓの値を個々に最適化することにより、ＤＵＷＢシステムの性能が、ＳＮＲと各ユーザのデータ・レートの間で折り合い（trading ）をとることにより、真の動作環境において従来のＵＷＢシステムの性能より優れたものになることが予想される。チャネル品質が劣化した場合、ＤＵＷＢシステムのユーザは、所望のＢＥＲを達成するために自分のデータ・レートを低減することができる。チャネル品質がよい場合には、ユーザは自分のデータ・レートを増大するために、ＢＥＲの余分な部分を再度使用することができる。

シンボル当たりのパルス数を使用するＵＷＢ無線リンクの動的適応は比較的簡単なものである。適応のために供給するモードの数は非常に多く、そのためチャネル予測に完全に一致する正確な適応が確実に行われる。ＤＵＷＢは異なるユーザ間でその使用が制限されないし、それぞれの場合に所望のデータ・レートを割り当てる各ユーザに対して個々に適応を行うことができる。この特徴により、異なるユーザに対してサービスの品質を変えることができる。

今まで本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の基本的範囲から逸脱することなしに、本発明の他のまた別の実施形態を実行することができる。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載してある。

なお、国際出願の英文明細書中にＪＩＳコードで表記できない箇所があったため、本翻訳文では代替表記を使用した、具体的には、本翻訳文において、下線をつけた表現した文字ξ，Ｒは、国際出願の英文明細書では以下のように表現されていたものである。

例示としての多重ユーザ無線システム。 本発明の原理による無線システムで使用するためのインパルス無線変調器の簡略ブロック図。 本発明の原理による無線システムで使用するためのインパルス無線変調器の簡略ブロック図。 本発明の原理による図１の無線システムで通信を行う送信機および受信機の簡略ブロック図。 本発明の原理による動的リンク適応を行うための他の技術。 本発明の原理による動的リンク適応を行うための他の技術。 本発明の原理による適応無線システムの種々の性能曲線。 本発明の原理による適応無線システムの種々の性能曲線。 本発明の原理による適応無線システムの種々の性能曲線。 ＳＮＲ_ｏｐｔの種々の値に対する三次元処理能力面の縁部に適合する適応関数曲線。

Claims (16)

1. 超広帯域通信システムで動的差別化リンク適応を行うための方法であって、複数のユーザ情報ビットが、各情報ビットに対する複数のパルスＮ_ｓを部分的に含むように変調され、前記方法は、
   前記システムで特定の通信リンクに関連するチャネル状態情報を入手するステップと、
   前記ユーザ・リンク上のデータ処理能力が実質的に最適化されるように、前記チャネル状態情報に応じて変調パラメータを適応するように変化させるステップであって、前記変調パラメータがユーザ情報ビット当たりのパルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓの基準になる、適応するように変化させるステップと、
   を備える方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、さらに、遠隔地に前記変調パラメータＮ^ｏｐｔ _ｓを送信するステップを備える方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、さらに、前記適応するように変化させるステップにおける前記変調パラメータＮ^ｏｐｔ _ｓに少なくとも応じて、適応により変化した変調パラメータＮ^ｏｐｔ _ｓに従って前記ユーザ情報ビットを変調するステップを備える方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記チャネル状態情報が、パルス当たりの平均信号対雑音比およびパルス当たりの瞬間的信号対雑音比からなるグループから選択される、方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記適応するように変化させるステップが、さらに、次式
   

   

   によりＮ^ｏｐｔ _ｓを計算するステップを含み、ここで、ξは決定されたチャネル状態情報であり、ＳＮＲ_ｏｐｔは次式
   

   

   により決定された一定の値である、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、さらに、ビット当たりの前記パルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓを所望の範囲内の特定の一組の値のうちの１つに量子化するステップを備える方法。
7. 請求項４に記載の方法において、前記適応するように変化させるステップが、さらに、次式
   

   

   により前記チャネル状態情報ξの値に応じてＮ^ｏｐｔ _ｓを計算するステップを含み、ここで、Ｓ（Ｎｓ，ξ）は、ＵＷＢ ＩＲシステム・パラメータとしてのＴ_ｒおよびＴ_ｆに対する次式
   

   

   により定義される処理能力関数であり、ここで、Ｔ_ｒはデータ・ブロックの持続時間であり、Ｔ_ｆはデータ・フレームの持続時間である、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、さらに、前記チャネル状態情報を、所望の範囲内の特定の一組の値のうちの１つに量子化するステップを備える方法。
9. 超広帯域（ＵＷＢ）インパルス無線（ＩＲ）通信システムで動的差別化リンク適応を行うための方法であって、複数のユーザ情報ビットが、各情報ビットに対する複数のパルスＮ_ｓを部分的に含むように変調され、前記方法は、
   所望のユーザに付随する特定のリンクに関連する遠隔地からチャネル状態情報を受信するステップと、
   前記ユーザ・リンク上のデータ処理能力が実質的に最適化されるように、前記チャネル状態情報に応じて、変調パラメータを適応するように変化させるステップであって、前記変調パラメータがユーザ情報ビット当たりのパルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓの基準になる、適応するように変化させるステップと、
   を備える方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、さらに、遠隔地に前記変調パラメータＮ^ｏｐｔ _ｓを送信するステップを備える方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、さらに、前記適応するように変化させるステップにおける前記変調パラメータＮ^ｏｐｔ _ｓに少なくとも応じて、適応により変化した変調パラメータＮ^ｏｐｔ _ｓに従って前記ユーザ情報ビットを変調するステップを備える方法。
12. 請求項９に記載の方法において、前記チャネル状態情報が、パルス当たりの平均信号対雑音比およびパルス当たりの瞬間的信号対雑音比からなるグループから選択される、方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記適応するように変化させるステップが、さらに、次式
    

    

    によりＮ^ｏｐｔ _ｓを計算するステップを含み、ここで、ξは決定されたチャネル状態情報であり、ＳＮＲ_ｏｐｔは次式
    

    

    により決定された一定の値である、方法。
14. 請求項９に記載の方法であって、さらに、ビット当たりの前記パルス数Ｎ^ｏｐｔ _ｓを所望の範囲内の特定の一組の値のうちの１つに量子化するステップを備える方法。
15. 請求項１２に記載の方法において、前記適応するように変化させるステップが、さらに、次式
    

    

    により前記チャネル状態情報ξの値に応じてＮ^ｏｐｔ _ｓを計算するステップを含み、ここで、Ｓ（Ｎｓ，ξ）は、ＵＷＢ ＩＲシステム・パラメータとしてのＴ_ｒおよびＴ_ｆに対する次式
    

    

    により定義される処理能力関数であり、ここで、Ｔ_ｒはデータ・ブロックの持続時間であり、Ｔ_ｆはデータ・フレームの持続時間である、方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、前記チャネル状態情報を、所望の範囲内の特定の一組の値のうちの１つに量子化するステップを備える方法。

Images