JP2008010989A - 送信信号形成方法及び送信信号形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＵＷＢ通信における送信信号の形成において、多数のユーザによる多元接続を簡易な構成で可能とする。
【解決手段】送信信号形成方法は、ＵＷＢ（超広帯域無線通信）における送信信号形成において、広帯域無線通信で規定される所定の送信信号スペクトルの要素波形を構成する複数のウェーブレットパケット波形をそれぞれ異なる特定の配列順で時系列に配列することにより送信波形列を生成し、送信しようとする送信データ列の各要素に対して、この送信波形列を対応付けることによって送信信号を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＵＷＢ（超広帯域）無線通信における送信信号の形成に関し、特に、多ユーザのシステム、高速伝送システムに適した送信信号形成方法及び送信信号形成装置に関する。

近年、 屋内近距離無線通信をはじめ、高精度レーダ， アドホックセンサーネットワークなどの様々な分野において、超広帯域無線（Ultra-Wideband，UWB ）通信方式が注目されている。ここでＵＷＢは、米国Federal Communications Commission（FCC ）の定義によれば、比帯域幅がW/fc≧ 20％を満たすか、500MHz 以上の帯域幅を占有する通信方式である。

このＵＷＢに関する技術としては、主にＤＳ（直接拡散）−ＵＷＢと、Multi-bandＵＷＢが知られている。これらの技術は、ＩＥＥＥにおいて標準化が進められている。

今日の超高速デバイス技術や新しいＵＷＢ用アンテナの設計により、任意のパルス波形がnsec オーダーで生成可能となり、また、送受信アンテナにおける波形の歪みの低減によってＵＷＢ帯域の信号が受信可能となっている。しかしながら、ＵＷＢの通信は、比帯域幅がW/fc≧ 20％を満たすか、500MHz 以上の帯域幅を占有する帯域が極めて広い通信方式であるため、他システムに対する干渉や多元接続の点で問題となる。他システムと共存し、多元接続を可能とするためには、送受信装置が複雑となり、コストが高くなるという課題を解決する必要がある。

一方、 ウェーブレット（wavelets）は、従来の様々な通信システムに適用されている。 特に，ウェーブレット（wavelets）は時間，周波数領域での局所性から、時変のフェーディング通信路に対して優れた特性を示し、また狭帯域干渉を低減することが知られている。さらに、その一般化であるウェーブレットパケット（wavelet packets，ＷＰs）は，マルチレート通信やチャネル識別、スペクトル成形などへの利用が検討されている。また、ウェーブレットパケットＷＰs はCDMA-like なシステムにおいて多値の拡散符号としても適用されており、受信機のデザインを従来のものよりも複雑度の低いものにすることができる。

例えば、送信側の直交交換で離散逆ウェーブレット変換あるいはウェーブレットパケットによる合成を行い、受信側の直交変換に離散ウェーブレット変換あるいはウェーブレットパケットによる分割を用いる方式が提案されている（特許文献１）。
特開平１１−２５２０３１号公報

大規模センサーネットワークや高データレート通信において、ＵＷＢシステムを適用するには、低複雑度の送受信機構成や、時間変動フェーディングチャネルへの耐性、干渉耐性などの課題が重要な役割を果たすと考えられる。

ウェーブレットパケットＷＰsが備える特性から、ウェーブレットパケットを用いて送信信号を形成すれば、ＵＷＢ通信システムにおいて有効であると期待されるが、ウェーブレットパケットを用いた送信信号に形成については従来提案されておらず、特に、利用ユーザ数を増加させる多元接続に適したウェーブレットパケットを用いた送信信号形成については知られていない。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、ＵＷＢ通信における送信信号の形成において、多数のユーザによる多元接続を簡易な構成で可能とすることを目的とする。

本発明は、複数のウェーブレットパケット波形を時系列で配列して送信波形列を形成し、この送信波形列に送信データ列の各データを当てはめることによって送信信号を形成するものであり、ウェーブレットパケット波形の配列を変えることによって異なる送信波形列を形成することができ、多元接続に対する適用が容易である。つまり、多数のユーザを管理することができ、低コスト、低複雑度なシステムとすることができる。

また、送信波形列の形成に用いるウェーブレットパケット波形を変えることによって、大きな性能劣化や構成の複雑度を高めることなく、ＵＷＢ通信に設定された周波数帯域において、他システムに影響のある周波数帯域を避ける送信波形列を形成することができる。つまり、通信性能に影響を与えることなく、送信周波数スペクトル設計の再構築を簡易に行うことができる。

また、受信機側において無線通信路状態を推定し、その無線通信路状態に基づいて最適なウェーブレットパケット波形を選択することによって、その無線通信路に適した送信波形列及び送信信号を形成することができる。

また、送信波形列を直交系列の拡散系列と組み合わせることによって、多元接続に適用することができると共に、優れた自己・相互相関特性を得ることができる。また、送信波形列を非直交系列の拡散系列と組み合わせた場合にも、多元接続に適用することができる。非直交系列の拡散系列と組み合わせた場合には、直交系列のように優れた自己・相互相関特性を得ることはできないが、本発明の送信波形列はそれ自身が直交性を有したウェーブレットパケット波形を用いると共にその配列によって直交性が保たれるため、形成された送信波形列の直交性を有することができる。

また、本発明は、高速伝送及び低速伝送のどちらにも適用することができる。

本発明は、送信信号形成方法の態様と、送信信号形成装置の態様の２つの態様とすることができる。

本発明の送信信号形成方法の態様では、ＵＷＢ（超広帯域無線通信）における送信信号形成において、広帯域無線通信で規定される所定の送信信号スペクトルの要素波形を構成する複数のウェーブレットパケット波形をそれぞれ異なる特定の配列順で時系列に配列することにより送信波形列を生成し、送信しようとする送信データ列の各要素に対して、この送信波形列を対応付けることによって送信信号を形成する。

ここで、ウェーブレットパケット波形の配列順は、サイクリックシフトに対する一致符号語数が２つ以下である系列の符号語に従って定めることができ、このような系列として例えば、拡張ＲＳ系列を用いることができる。

拡張ＲＳ系列等の系列のように、各系列間において対応する位置の符号語が全て一致しないか、あるいは一致したとしても多くとも２つである場合には、各系列は低い誤り率で識別することができるるため、この系列の符号語に合わせてウェーブレットパケット波形を当てはめることによって形成された送信波形列はそれぞれ識別が可能である。

また、ここで、系列の符号語に当てはめるウェーブレットパケット波形の組み合わせを変えることによって、多元接続を行うことができる。

また、本発明の送信信号は、拡散系列として、例えば、ウォルシュアダマール系列等の直交系列により拡散されることで、互いに低相互相関な信号群を生成することができる。なお、ウォルシュアダマール系列は一例であって他の直交系列であってもよい。

また、本発明の送信信号は、拡散系列として非直交系列を用いて拡散してもよく、これによって多元接続を行うことができる。非直交系列の系列長や系列数は、系列間で求められる相関特性やその他の送信特性上において求められる条件に応じて、定めることができる。

本発明の送信信号形成装置の態様では、ＵＷＢ（超広帯域無線通信）において送信信号を形成する送信信号形成装置において、広帯域無線通信で規定される所定の送信信号スペクトルの要素波形を構成する複数のウェーブレットパケット波形をそれぞれ異なる特定の配列順で時系列に配列することにより送信波形列を生成する送信波形列生成手段と、送信しようとする送信データ列の各要素に対して、送信波形列生成手段で生成した送信波形列を対応付けして送信信号を形成する送信信号波形手段とを備える。

ここで、送信波形列生成手段は、ウェーブレットパケット波形の配列順を、サイクリックシフトに対する一致符号語数が２つ以下である、例えば、拡張ＲＳ系列の符号語に従って定める。また、送信信号波形手段は、送信信号を例えばウォルシュアダマール系列等の直交系列、あるいは非直交系列の拡散系列によって拡散して送信信号を形成することで多元接続を行うことができる。なお、拡張ＲＳ系列、ウォルシュアダマール系列は一例であり、他の系列を用いても良い。

以上説明したように、本発明によれば、ＵＷＢ通信における送信信号の形成において、多数のユーザによる多元接続を簡易な構成で可能とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図１、図２は、本発明の送信信号形成の概略を説明するための図である。図１において、本発明の送信信号形成では、複数のユーザ（ユーザ１〜ユーザＮ）の送信信号（ユーザ１送信信号〜ユーザＮ送信信号）は、各ユーザに対して設定された送信波形列に各ユーザの信号（ユーザ１信号〜ユーザＮ信号）を当てはめることによって形成される。

ここで、各送信波形列１０は、複数の要素波形１１を時系列に配列することによって生成される。送信波形列１０を構成する要素波形１１は、異なるウェーブレットパケット波形を用いることができ、各ウェーブレットパケット波形はそれぞれ直交性を有しており、直交波形群を形成する。この送信波形列１０内の要素波形１１が直交波形群を構成することから、各送信波形列は直交性を備える。

送信波形列１０は、異なる要素波形１１の配列順を異ならせることによって区別することができ、これらの送信波形列を各ユーザに割り振ることによって、ユーザ毎に送信信号を形成することができる。

なお、要素波形に用いるウェーブレットパケット波形は、ＵＷＢ（超広帯域無線通信）における送信信号形成において、広帯域無線通信で規定される所定の送信信号スペクトルを構成する要素波形であって、この要素波形から選択することができる。

本発明の送信信号形成は、図１で示した送信波形列に、直交系列あるいは非直交系列による拡散系列を組み合わせ、これによって多元接続を行い、さらに多数のユーザによる利用を可能とするものである。以下、拡散系列との組み合わせについて、直交系列を例として説明する。

図２は、このウェーブレットパケット波形に基づく直交波形群と直交系列との組み合わせを説明するための概略図である。

図２は、直交系列によるＭ個の拡散系列を形成し、このＭ個の拡散系列によってグループ１〜グループＭを形成する例を示している。なお、図２において、グループ１に示す［＋＋＋＋＋＋＋＋…］、グループ２に示す［＋−＋−＋−＋−…］等は、拡散系列の一系列を示している。なお、ここでは、拡散系列の系列を“＋”と“−”の記号を用いて表しているが、“１”と“０”によって表すことができ、以下では、両表記を併用して示す。

グループ１内の送信波形列は拡散系列の一つの系列で拡散され、このグループ１内において、ユーザ１−１〜ユーザ１−Ｎに割り振られる各送信波形列はウェーブレットパケット波形に基づく直交波形群によって直交性を有している。

また、グループ２内の送信波形列は拡散系列のグループ１とは異なる系列で拡散され、このグループ２内において、ユーザ２−１〜ユーザ２−Ｎに割り振られる各送信波形列はウェーブレットパケット波形に基づく直交波形群によって直交性を有している。

同様に、グループＭの送信波形列は、拡散系列のグループ１〜グループ１−Ｍとは異なる系列で拡散され、ユーザＭ−１〜ユーザＭ−Ｎに割り振られる各送信波形列はウェーブレットパケット波形に基づく直交波形群によって直交性を有している。

上記構成によって、送信波形列の配列の組み合わせがＮ個、拡散系列によるグループ数がＭ個である場合には、それぞれ直交性を有したＮ×Ｍ個の送信波形列が形成され、Ｎ×Ｍのユーザにそれぞれ直交性を有した送信波形列を割り当てることができる。

つまり、これらグループ間は、拡散系列を用いることで複数の送信波形列が形成され、さらに、直交系列による拡散系列によって直交性が与えられ、各グループ内においては、ウェーブレットパケット波形に基づく直交波形群によって直交性が与えられるめ、ユーザ１−１〜ユーザ１−Ｎ、ユーザ２−１〜ユーザ２−Ｎ、…、ユーザＭ−１〜ユーザＭ−Ｎの各送信信号は、互いに低相互相関の信号群を形成することになる。

なお、拡散系列として非直交系列を用いる場合には、その系列長や系列数は、送信波形列間で求められる相関性や、送信特性上で求められる条件に応じて定める。

ここで、ウェーブレットパケットの概略について説明する。ウェーブレットパケット（wavelet packets）は，wavelet分解解の一般化であり、wavelet packets基底は直交wavelet関数から生成される。wavelet packets基底の全ての集合は、信号を符号化する方法を与えたり、全体的な電力を保持しながら、信号の正確な特徴を再構成することができる。

wavelet packets Wn (t) は，quadrature mirror filters （QMF ）のh(n) とg(n) によって以下のように再帰的に定義される。

ここで，W0(t)= φ(t) はスケーリング関数，W1(t)= ψ(t)はマザーウェーブレット関数である。またQMF は，以下の式を満たす。

式（１）で記述されるwavelet packets は固定のスケールを持つ。しかし、さらに細かい分解は、｛２^sＷn（２^sｔ−ｋ）｝によって与えられる混合スケール分解によって可能となる。ここで、(s, n) は区分｛2^sn,…, 2^s(n + 1)−1｝ を形成し、また、k∈Ｚである。

さらに、これらの関数は直交基底を形成し、wavelet packets基底は関数｛２^sＷn（２^sｔ−ｋ）｝から選択される正規直交基底である。表記を変えると、Ｗ_s,f,k（ｔ）は以下のような解析関数で表される。
Ｗ_s,f,k（ｔ）＝２^s/2Ｗ_f（２^sｔ−ｋ） …（３）

ここで、s はスケーリング係数、kは時間位置のシフトの係数、fは周波数のパラメータである。(s, k) の値を決めることによって、関数Ｗ_s,f,k（ｔ）は、周波数fでの信号のばらつきを解析することができる。

従って、関数
｛Ｗ_s,f（ｔ）＝Ｗ_s,f,k（ｔ）：k ∈ Z｝ …（４）
は，(s, f)^th wavelet packetを構成する。

スケーリング関数はＷ_0,0(t)= φ(t− k)|_k∈Z と表すことができ、マザーウェーブレット関数はＷ_1,1(t)＝ψ(t/2−k)|_k∈Z と表すことができる。

wavelet packets の構成は木構造で表すことができ、要素の分割や合成を行うことができる。

次に、本発明の送信信号形成において、チャネル内のグループ数やグループ内のユーザ数を増やすための構成として、wavelet packets と拡散系列との組み合わせについて説明する。

ここで、グループ間は拡散系列によって分離し、グループ内の各ユーザにwavelet packet 波形群を割り当てる。また、ユーザに割り当てる固有のwavelet packets の組み合わせは、直交性を持たせるために多値のReed-Solomon（ＲＳ）系列を用いる。

グループ間を分離する拡散系列としては直交系列に限らず非直交系列を用いることができるが、以下では、グループ間を分離する拡散系列として直交系列を用いて説明する。直交系列を用いた場合には、グループ間の直交性を持たせることができる。

はじめに、直交系列の例としてWalsh-Hadamard（ＷＨ）系列について説明する。

Ｍ×ＭのＷＨ行列ＨＭは、以下のように再帰的に定義される。

ここで，m =0,1,2,… である．Hi^* はＨ_Mのｉ行目であり、以下の式で与えられる。
hi^* ＝（ｈ_i,0ｈ_i,1…ｈ_i,k-1) …（７）

また、Ｈ_Mの各行は、Ｍ^1/2で正規化される。行列の各列（ＷＨ系列）は以下のような直交性を持つ。

Ｍ＝８のときのＷＨ行列の例を表１に示す。

次に、ウェーブレットパケット波形の配列順を定める一系列例であるＲＳ系列について説明する。以下、ＧＦ(q)のエレメントを用いたＲＳ系列について説明する。

ここでは、wavelet packet 波形の組み合わせを決定するために、ＧＦ(q) 上の拡張ＲＳ系列（系列長N´＝ｑ）を用いる。

従来のＲＳ系列は以下の手順で生成される。

素数ｐ、整数ｍを選んでｑ＝ｐ^mとし、a_j,i∈ＧＦ(q) の符号語をa =[ａ_j,0,a _j,1,…,a _j,t-1] とし、以下のように多項式表現する。

ここで，a_j,t-1＝１である。

ＲＳ系列は以下のように与えられる。
ＲＳ[j][k]＝Ｐ_j（α^k), …（１０）

ここで，j =0,1,…,ＲＳ|−１，k =0,1,…,Ｎ−１であり、|ＲＳ|は系列数、Ｎは系列長、αはＧＦ(q) の原子要素である。

上述の方法で生成されたＲＳ系列のうち任意の異なる系列二つは、サイクリックシフトに対する一致符号語数が1 つ以下に制限される。ここで、各系列は全ての符号語パターン数q個の要素を持たず、Ｎ＝ｑ−１個の要素によって構成されている。そこで，各ＲＳ系列に符号語を一つ追加して、系列長がＮ´＝ｑの拡張ＲＳ系列を生成する。

表２にＧＦ(q＝８)の拡張ＲＳ系列の例（系列長Ｎ´＝８）を示す。この拡張ＲＳ系列はサイクリックシフトに対する一致符号語数が２つ以下に制限される。

次に、本発明のウェーブレットパケットを用いた送信信号の形成について説明する。

式（４）で与えられるwavelet packets Ｗ_s,f (t) において、スケールパラメータs と周波数パラメータf は２分木の深さと位置にそれぞれ対応し、全部でＮ＝２^s個のwavelet packets が生成される。そこで、互いに直交するＮ個のwavelet packets をグループ内の各ユーザに割り当てる。

ここで、全てのＭ個のグループが異なる直交系列を持つものとする。このとき、全部でＮＭ個の直交信号が生成され、各ユーザの送信信号は以下の式で与えられる。

ここで、ｑ＝０，１，…，Ｍ−１はグループ番号、ｌ＝０，１，…，Ｎ−１はｑ番目のグループのユーザ番号であり、h_q,iはＷＨ系列の符号語である。また、Ｗ_s,n＝f_(l,i)（t)は深さｓの２分木における(s, n) 番目のwavelet packet 波形であり、ｌ番目の拡張ＲＳ系列のｉ番目の符号語によってnは決定される。また、Ｔcはwavelet packet 波形の時間長である。

つまり、ユーザの送信信号は、拡張ＲＳ系列の符号語に従って並べたウェーブレットパケット波形ＷＰsの列を、ＷＨ系列の符号語に従って直接拡散することで生成される。なお、ここでは、拡散系列として直列系列の例を示しているが、非直列系列を用いても良い。また、直列系列はＷＨ系列に限らず他の直列系列を用いても良い。

図３，図４は、深さｓ＝５の場合のDaubechies mother wavelet db3 に基づくwavelet packet 波形群の時間波形と、電力スペクトル密度をそれぞれ示している。

なお、ここでは、ウェーブレットパケット波形としてDaubechies waveletの例を用いているが、CoiletsやSymlets等の他のウェーブレットパケット波形を用いることができる。特に、CoiletsやSymletsのウェーブレットパケット波形は、直交性やコンパクトサポートを有しているため、Daubechies waveletと同様に用いることができる。

ＦＣＣが規定するスペクトルマスクを考慮し、このスペクトルマスクにマッチするように波形を選択する。また、スペクトルマスク内にマッチする波形の中で、さらに狭帯域干渉の存在する帯域以外の波形のみを選択することによって狭帯域干渉対策が可能となる。

図４のウェーブレットパケット波形群の電力スペクトル密度において、狭帯域干渉を考慮して選択したウェーブレットパケット波形の例を表３に示す。なお、表３は、f_l,i とＲＲＳ[l][ｉ]との対応を示している。

このウェーブレットパケット波形の選択によって、ＦＣＣが規定するスペクトルマスクを満たすと共に、狭帯域干渉を抑制することができる送信信号を検出することができる。

図５は、グループq＝０内のユーザｌ＝０，１， …，８に割り当てた送信信号群の例を示している。また、図６は送信信号群の電力スペクトル密度を示している。

図５において、各送信信号は、５nsの時間幅を有する８個のウェーブレットパケット波形を時系列状に配列して生成された送信波形列であり、互いに相互直交性を持つウェーブレットパケット波形をＲＳ系列に従って配列することで生成される。

図７、８を用いて、送信信号の自己相関性および相互相関性について説明する。

図７は、グループｑ＝０内のｌ＝０番目のユーザの信号ｓ_0,0（ｔ）の自己相関関数を示している。図７に示す自己相関関数によれば、時間ずれが零の時にのみ高いピークを持つ。この自己相関特性は、信号の検出や同期やジッタ耐性などの点で有効であることを示している。

また、図８は信号ｓ_0,0（ｔ）とそれ以外の全ての信号（全グループの全ユーザ）との相互相関関数を示している。図８に示す相互相関関数によれば、時間ずれの値によらず，相互相関値は低く抑えられている。この相互相関特性は、ＵＷＢ多元接続時に用いる送信信号として優れていることを示している。

これらの特性は、各ウェーブレットパケット波形ＷＰs が直交していることに加え、これらのウェーブレットパケット波形の配列順序が拡張ＲＳ系列に従っていることによって一致符号語数が少ないことや、ＷＨ系列を用いて直接拡散していることによって得られるものである。

図９は、直接拡散によるグループの生成と、ウェーブレットパケット波形の配列による各ユーザの送信波形列の生成との関係を示している。

グループ１〜グループＭは、ＷＨ系列を用いた直接拡散によって直交性を有して生成され、各グループ内において、拡張ＲＳ系列を用いたウェーブレットパケット波形の配列によって送信波形列を生成し各ユーザに割り当てる。

例えば、グループ１〜グループＭの各グループ内において、ＲＳ−１〜ＲＳ−Ｎの系列に従ってＷＰｓ０〜ＷＰs^*を配列することで送信波形列を生成して各ユーザ１〜Ｎに割り当てる。各グループ内では、各ウェーブレットパケット波形ＷＰs が直交していることにより自己相関性が抑制され、拡張ＲＳ系列による配列順序によってウェーブレットパケット波形の一致符号語数が少ないことによって相互相関性が抑制される。

また、グループ１〜グループＭの間は、ＷＨ系列を用いて直接拡散することによって相互相関性が抑制される。なお、グループ１〜グループＭの間は、ＷＨ系列のような直列系列の他に、非直列系列を用いて拡散させてもよい。

次に、送信機および受信機の構成について説明する。

ｕ番目のユーザの送信信号は以下の式で表される。

ここで、ａ_n ^uはｕ番目のユーザのｎ番目のシンボルであり、ｃ_i ^uはｕ番目のユーザのｉ番目の直交符号要素であり、Ｗ_s,f（ｔ）は深さｓ、位置ｆのウェーブレットパケットであり、Ｎは送信システムのプロセスゲインである。

一方、受信信号ｒ^u（ｔ）は以下の式で表される。
ｒ^u（ｔ）＝ｓ^u（ｔ）^*ｈ^u（ｔ）＋ν（ｔ） …（１４）

ここで、ｇ^u（ｔ）を以下の式（１５）としたとき、ｒ^u（ｔ）は式（１６）で表される。
ｇ^u（ｔ）は通信経路の遅延とゲインＮに依存する。

受信機は、受信端のフィルタ部を有し、受信信号をＷ＝Ｑ／Ｔc（Ｑ≧２）のレートでサンプリングする。ｇ^u（ｔ）のサンプルは以下の式（１７）で表されるベクトルｇ^uから選択される。

各シンボル時間としてｔ＝ｋＴsとしたとき、上記式（１６）は以下の式（１８），（１９）で表される。なお、式（１９）では、Ｔ＝ＮＴc＝ＮＱＴsとしている。

各シンボル時間ではｒ^u［ｋ］はｎＮＱ＋Ｎg続くので、Ｎs個のサンプルをとると、式（１８）は以下のマトリックスＧで表される。

マトリックスＧ^uは、（Ｎ_s−１）ＮＱ＋Ｎ_g×Ｎ_sの大きさを持ち、図１０で表すことができる。

Ｕユーザの受信信号ｙは、以下の式（２３）〜（２６）で表される。

受信信号は、Ｇに対応するマッチドフィルタによって検出およびデコードを行うことができる。このフィルタは、ウェーブレットパケット、ＷＨ拡散系列、拡張ＲＳ系列による特性波形や通信経路のインパルス応答の情報を有している。

マッチドフィルタの出力は、以下の式で表すことができる。

ｕ番目のｎ番目のシンボルに対応する出力は以下の式（３２）で表される、

なお、マトリックスＲは、以下の式（３３）で表されるＮs×Ｎsのサイズのエルミート行列である。

なお、Ｒ_u,vはユーザｕとユーザｖの間の相関を表し、以下の式（３４）で表される。

これにより、式（３７）の出力Ｚは以下の式（３５）、（３６）で表される。

次に、本発明の送信機及び受信機の構成例について説明する。図１１は、本発明の送信機の構成を説明するためのブロック図である。このブロック図はｕ番目のユーザの送信機の構成例を示している。

ｕ番目のユーザの送信機は、送信波形列生成手段１によっって、拡張ＲＳ系列（ＲＳ［u］［0］〜ＲＳ［u］［n-1］）で生成される符号ｆ₀ ^u〜ｆ_n ^uによってウェーブレットパケットＷ_s,fを割り当て、これらを順に時間Ｔcだけ遅延させると共に、送信信号形成手段２によって直交系列［Ｃ₀ ^u，Ｃ₁ ^u，…，Ｃ_N-1 ^u］に基づいて例えば位相を切り換えることで拡散した後、これらを加算することで送信波形列を生成する。

生成した送信波形列に、送信信号ａのシンボルａ₀ ^uを割り当てることにより送信信号が形成される。

図１２は、本発明の受信機の構成を説明するためのブロック図である。このブロック図はユーザ０〜ユーザＮ−１ｕについて受信する送信機の構成例を示している。通信経路を通じて受信した信号ｙ（ｔ）は、Ｇに対応するマッチドフィルタにより相関をとった後、実部からｚ［ｎ］を取得し、この信号からしきい値によってノイズ分を除去して信号のシンボルａ_nを取り出す。このノイズ分の除去処理は、式（４１）中のISI分、MAI分の除去に相当する。

図１３は、図１１で示した送信機の構成例において、信号の処理状態を説明するために図である。ここでは、予め送信信号の形成に用いる要素波形として、それぞれ互いに直交するウェーブレットパケット波形Ｗ_s,f0を〜Ｗ_s,f7を用意しておく。なお、８個のウェーブレットパケット波形を用いて送信波形列を生成する例を示しているが、ウェーブレットパケット波形の個数は８個に限られるものではない。

複数のウェーブレットパケット波形を拡張ＲＳ系列の符号順に従って配列する。拡張ＲＳ系列の符号が例えば、［１２４３６７５０］である場合には、この符号順に合わせてウェーブレットパケット波形を対応付けて配列する。例えば、ウェーブレットパケット波形Ｗ_s,f0〜Ｗ_s,f7を、拡張ＲＳ系列の符号０〜７にそれぞれ対応付けした場合には、拡張ＲＳ系列の符号順［１２４３６７５０］に従ってウェーブレットパケット波形Ｗ_s,f0〜Ｗ_s,f7を選び出し、それぞれＴcの時間分だけずらしならがら時系列に配列し、これによって送信波形列を生成する。

このとき、グループ間の多元性を高めるために拡散系列で拡散する。このとき、拡散系列として直交系列を用い、直交系列から選択した系列に従って拡散を行うることによって、グループ間の直交性を得ることができる。

図１３では、８×８ＨＭ系列中の［１１１１１１１１］の系列を用いた例であるため、選択及び遅延された各ウェーブレットパケット波形Ｗ_s,f0〜Ｗ_s,f7を加算することによって送信波形列を生成することができる。

８×８ＨＭ系列中の［１-１１-１１-１１-１］の系列を用いた場合には、例えば、選択及び遅延された各ウェーブレットパケット波形Ｗ_s,f0〜Ｗ_s,f7の内、“−１”に相当するウェーブレットパケット波形の位相を反転させ、これらを加算することによって送信波形列を生成することができる。

この生成された送信波形列に対して、送信しようとする信号データの各シンボルを対応付ける。これによって送信信号が形成される。

次に、本発明による送信信号形成の性能評価について示す。ここでは、ＵＷＢ多元接続システムにおいて、本発明によって形成した送信信号群を用いたときの性能を計算機シミュレーションによって評価する。ここでのシミュレーションでは、簡単のため以下の仮定（１）〜（４）の元で評価する。

仮定１：多元接続システムについて、ユーザ間は非同期として、各ユーザにランダムなチップ遅延を与える。

仮定２：通信路はブロックフェーディング通信路を想定し、１０シンボル分の時間は通信路の変動がないとする。

仮定３：受信機では、希望信号との同期が完全にとれていると仮定し、通信路の推定が完璧に行われているものとする。

仮定４：理想的なマッチドフィルタを想定し、全てのパスをRake受信し、最大比合成する。

また、シミュレーションの諸元を表４に示す。

ここで、本発明のウェーブレットパケット波形ＷＰsによって構成される送信信号を用いる方式をWPs-UWBで表記している。

比較対象の従来方式として、変調ガウシアンパルスを用いたDS-UWB方式を用い、拡散系列にはGold系列を用いる。また、通信路モデルは、IEEE802.15.4aの標準化に用いられているモデルを用いる。

図１４はWPs-UWB方式と従来のDS- UWB方式のビット誤り率（BER）特性を示し、図１５はと本発明WPs-UWB方式と従来のDS- UWB方式のスループット特性Ｔを示している。

なお、スループット特性Ｔは、以下の式（３７）で表される。
Ｔ＝（１−ＢＥＲ）×Ｒ×Ｎu …（３７）
ここで、Ｒ＝１／Ｔｃはユーザのデータレートである。

図１４に示すビット誤り率（BER）特性の結果から、BER 特性においては、ユーザ数が少ない場合には本発明のWPs-UWB方式による送信信号形成が優れ、ユーザ数が多い場合には従来のDS- UWB方式が優れる傾向があるが、その差は僅かである。

また、図１５に示すスループット特性では、本発明のWPs-UWB方式による送信信号形成が従来のDS- UWB方式を大きく上回っていることが確認される。

これは送信信号数を揃えているため、従来のDS- UWB方式では系列数をたくさん用意するために系列長を長くしなければならず、伝送速度が本発明のWPs-UWB方式と比べ遅くなるためである。

また複雑度の点においても、本発明のWPs-UWB方式による送信信号形成は、系列長および系列数が少なくてもよいため、従来よりも簡易な構成によって実現することができる。

したがって、本発明は、非常に多数の信号群が簡易な構成で生成可能であり、自己相関特性や相互相関特性が優れている。

また、本発明は、上記した態様の他に、ウェーブレットパケット波形と直交系列との組み合わせる別の態様によって送信信号を形成することができる。

この態様は、前記した態様と同様に、互いに直交する複数のウェーブレットパケット波形をから、２つのウェーブレットパケット波形の組みを選択し、この選択した２つのウェーブレットパケット波形を直交系列の各系列に基づいて配列することで送信波形列を生成する。

図１６、図１７は本発明による送信波形列生成する他の態様を説明するための図である。図１６では、互いに直交する８個のウェーブレットパケット波形を用意し、この８個の中から２個のウェーブレットパケット波形を選択し、選択した２個のウェーブレットパケット波形を直交系列の各系列の符号に合わせて、所定時間で遅延させながら配置することで送信波形列を生成する。

この構成によれば、８個のウェーブレットパケット波形から２個のウェーブレットパケット波形を選択して形成される組みの個数は₈Ｃ₂（＝２８）個となるため、直交系列として８×８の系列を用いた場合には、全体として２８×８＝２２４個の送信波形列を生成することができる。

図１７において、ウェーブレットパケット波形としてＮ個のＷＰs1〜ＷＰsNを用意し、直交系列としてＭ×Ｍの系列を用意した場合には、Ｎ個のウェーブレットパケット波形から２個のウェーブレットパケット波形を選択して形成される組みの個数は_NＣ₂個となるため、全体として_NＣ₂×Ｍ個の送信波形列を生成することができる。

本発明は、多数信号群を生成する際の優れた簡易構成性や、優れた自己相関特性や相互相関特性によって、UWB-Wireless Personal Area Network（WPAN）やアドホックセンサーネットワークに適用することができる。

本発明の送信信号形成の概略を説明するための図である。 本発明のウェーブレットパケット波形に基づく直交波形群と直交系列との組み合わせを説明するための概略図である。 深さｓ＝５の場合のDaubechies mother wavelet db3 に基づくwavelet packet 波形群の時間波形を示す図である。 深さｓ＝５の場合のDaubechies mother wavelet db3 に基づくwavelet packet 波形群の電力スペクトル密度時間波形を示す図である。 グループ内の各ユーザに割り当てた送信信号群の例を説明するための図である。 送信信号群の電力スペクトル密度を示す図である。 送信信号の自己相関性を説明するための図である。 送信信号の相互相関性を説明するための図である。 直接拡散によるグループの生成と、ウェーブレットパケット波形の配列による各ユーザの送信波形列の生成との関係を示す図である。 マトリックスＧｕを説明するための図である。 本発明の送信機の構成を説明するためのブロック図である。 本発明の受信機の構成を説明するためのブロック図である。 送信機の構成例における信号の処理状態を説明するために図である。 WPs-UWB方式と従来のDS- UWB方式のビット誤り率（BER）特性を示す図である。 本発明WPs-UWB方式と従来のDS- UWB方式のスループット特性Ｔを示す図である。 本発明による送信波形列生成する他の態様を説明するための図である。 本発明による送信波形列生成する他の態様を説明するための図である。

符号の説明

１…送信波形列生成手段、２…送信信号形成手段、１０…送信波形列、１１…要素波形

Claims (16)

1. ＵＷＢ（超広帯域無線通信）における送信信号形成において、
   広帯域無線通信で規定される所定の送信信号スペクトルの要素波形を構成する複数のウェーブレットパケット波形をそれぞれ異なる特定の配列順で時系列に配列することにより送信波形列を生成し、
   送信しようとする送信データ列の各要素に対して、前記送信波形列を対応付けることによって送信信号を形成することを特徴とする、送信信号形成方法。
2. 前記ウェーブレットパケット波形の配列順は、サイクリックシフトに対する一致符号語数が２つ以下である系列の符号語に従って定めることを特徴とする、請求項１に記載の送信信号形成方法。
3. 前記系列は拡張ＲＳ系列であることを特徴とする、請求項２に記載の送信信号形成方法。
4. 前記送信信号は拡散系列により拡散されることを特徴とする、請求項１から３の何れか一つに記載の送信信号形成方法。
5. 前記拡散系列は直交系列であることを特徴とする、請求項４に記載の送信信号形成方法。
6. 前記直交系列は、ウォルシュアダマール系列であることを特徴とする、請求項５に記載の送信信号形成方法。
7. 前記拡散系列は非直交系列であり、当該非直交系列の系列長および系列数は各系列間の相関特性のレートに応じて定めることを特徴とする、請求項４に記載の送信信号形成方法。
8. 広帯域無線通信における送信信号形成において、
   広帯域無線通信で規定される所定の送信信号スペクトルの要素波形を構成する複数のウェーブレットパケット波形を、拡張ＲＳ系列の符号語の配列順に従って時系列に配列して送信波形列を生成し、
   送信しようとする送信データ列の各要素に対して、前記送信波形列を拡散系列に従って拡散させて対応付けることによって送信信号を形成することを特徴とする、送信信号形成方法。
9. ＵＷＢ（超広帯域無線通信）において送信信号を形成する送信信号形成装置において、
   広帯域無線通信で規定される所定の送信信号スペクトルの要素波形を構成する複数のウェーブレットパケット波形をそれぞれ異なる特定の配列順で時系列に配列することにより送信波形列を生成する送信波形列生成手段と、
   送信しようとする送信データ列の各要素に対して、前記送信波形列生成手段で生成した送信波形列を対応付けして送信信号を形成する送信信号波形手段とを備えることを特徴とする、送信信号形成装置。
10. 前記送信波形列生成手段は、
    前記ウェーブレットパケット波形の配列順を、サイクリックシフトに対する一致符号語数が２つ以下である系列の符号語に従って定めることを特徴とする、請求項９に記載の送信信号形成装置。
11. 前記送信波形列生成手段は、拡張ＲＳ系列の符号語に従って前記ウェーブレットパケット波形の配列順を定めることを特徴とする、請求項１０に記載の送信信号形成装置。
12. 前記送信信号波形手段は、前記送信信号を拡散系列によって拡散して送信信号を形成することを特徴とする、請求項９から１１の何れか一つに記載の送信信号形成装置。
13. 前記拡散系列は直交系列であることを特徴とする、請求項１２に記載の送信信号形成装置。
14. 前記直交系列は、ウォルシュアダマール系列であることを特徴とする、請求項１３に記載の送信信号形成装置。
15. 前記拡散系列は、各系列間の相関特性のレートに応じて定められる系列長および系列数を備える非直交系列であることを特徴とする、請求項１２に記載の送信信号形成装置。
16. 広帯域無線通信における送信信号形成において、
    広帯域無線通信で規定される所定の送信信号スペクトルの要素波形を構成する複数のウェーブレットパケット波形を、拡張ＲＳ系列の符号語の配列順に従って時系列に配列して送信波形列を生成する、送信波形列生成手段と、
    送信しようとする送信データ列の各要素に対して、前記送信波形列を拡散系列に従って拡散させて対応付けることによって、送信信号を形成する送信信号波形手段ことを特徴とする、送信信号形成装置。