JP2009505444A

JP2009505444A - インパルス無線システムでのフレーム持続時間を確定する方法

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Publication number: JP2009505444A
Application number: JP2007509800A
Authority: JP
Inventors: モリッシュ、アンドレアス・エフ
Original assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2009-02-05
Also published as: US20060245471A1; EP1913702A1; US7403746B2; CN101223707B; WO2007018083A1; CN101223707A

Abstract

方法は、無線測距用のインパルス無線システムにおいてのフレーム持続時間を確定する。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。信号対干渉雑音比もまた、周期的に推定される。次いで、フレームのフレーム持続時間が、チャネル状態情報及び信号対干渉雑音比に従って確定される。

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、「第１報告及び指令（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ている。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、極めて短時間、たとえば１／１，０００，０００，０００秒以下のパルスを用いて、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、ヘテロダインのための局部発振器を必要としない低コスト、低衝撃係数、低電力の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「ワイヤレス多重アクセス通信のための超広帯域幅タイムホッピングスペクトル拡散インパルス無線（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、

により関係付けられる。

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、従来の干渉性（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等化ユニット２７０、及び復号ユニット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。

フレームの適切な持続時間を選択する必要がある。短いフレーム持続時間は多重アクセス干渉（ＭＡＩ）を低減させ、S. Gezici、H. Kobayashi、H. V. Poor及びA. F. Molisch著「処理利得間のトレードオフに対するタイミングジッタの影響（Effect of timing jitter on the tradeoff between processing gains）」（Proc. ICC 2004, pp. 3596-3600, 2004）に述べられているように、タイミングジッタの存在下で性能を増強することもできる。一方、フレーム持続時間がチャネルインパルス応答の最大超過遅延より短い場合に、フレーム間干渉（ＩＦＩ）が起きる可能性がある。従来のＴＨ−ＩＲシステムでは、フレーム持続時間は固定され、変更することができない。

そのため、フレーム持続時間を適応的に選択することが望まれる。

本発明は、タイムホッピングインパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）システムにおいて、現在のチャネル状態及び干渉に従ってフレームの持続時間を適応的に確定する方法を提供する。マルチユーザシステムでは、干渉は、他の送受信器からの信号及び雑音に起因する。そのため、干渉は、信号対干渉雑音比（ＳＮＩＲ）の尺度となる。

受信器が、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及び平均ＳＮＩＲを取得する。ＣＳＩ及び電力遅延プロファイルを使用して、最適なフレーム持続時間を確定する。フレーム持続時間は、受信器又は送信器において確定することができる。フレーム持続時間は、ＣＳＩ及びＳＮＩＲが時間の経過に伴って変化する際に周期的に更新することができる。

本発明によるフレーム持続時間の選択により、フレーム間干渉及び多重アクセス干渉が低減する。システムが動作する環境に応じて、本発明は、フレーム間干渉が最小になるようにフレーム持続時間を調整する一方、同時に良好な多重アクセス能力を保持する。

本発明は、無線システムにおいて送受信器のフレーム持続時間を適応的に選択する方法を提供する。フレーム持続時間は、信号対干渉雑音比（ＳＮＩＲ）及びチャネル状態情報（ＣＳＩ）に依存する。方法は、タイムホッピングインパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）システム及びタイムホッピングを含む基準送信（transmitted-reference）システムにおける干渉性送受信器、並びに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。

第１のステップにおいて、受信器は、チャネル３０１のＣＳＩ３１１を周期的に推定する（３１０）。これは２つの方法で行うことができる。受信器は、瞬間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の近似、又は単に平方二乗平均（ＲＭＳ）遅延拡散の推定で恩恵を得ることができる。瞬間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、瞬間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３０１のＳＮＩＲ３２１を周期的に推定する（３２０）。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「リッスン」している。ＣＳＩ及びＳＩＮＲ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著「デジタル通信（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３２９が使用するフレーム持続時間３３１を周期的に取得する（３３０）。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フレーム持続時間を含む。

ＣＳＩ及びＳＮＩＲを推定した後、最適なフレーム持続時間３４１が確定される（３４０）。フレーム持続時間は、送信器又は受信器において確定することができる。最適なフレーム持続時間は、トレーニング信号と受信信号との間のＲＭＳ誤差、符号化された状態若しく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基準送信方式の場合のＢＥＲが、S. Gezici、F. Tufvesson及びA. F. Molisch著「基準送信インパルス無線の性能について（On the performance of transmitted-reference impulse radio）」（Proc. Globecom 2004）に述べられている。別法として、最適なフレーム持続時間は、送信データからのＢＥＲ又はＲＭＳ誤差から確定される。送信器においてフレーム持続時間を「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フレーム持続時間であるか、それともより大きなフレーム持続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、フレーム持続時間がそれに従って適合される。

最適なフレーム持続時間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、所定の固定フレーム持続時間に向けて最適化される。予め選択されるＴＨ系列は、異なる送受信器間で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３５１を適応的に選択する（３５０）。異なる長さを有する系列の離散セット３４９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、最適なフレーム持続時間３４１に最適な系列３５１を選択する。

測距
タイムホッピング及び／又は極性ホッピングを使用する無線信号は測距にも使用することができる。測距の応用形態では、送信器と受信器との距離が受信信号の到着時間（ＴＯＡ）から確定される。これらの応用形態では、チャネルの状態、及び受信器の構造に応じて、フレーム持続時間を適合させることも有益である。非干渉性受信器は、一般的に、干渉性受信器よりも、前に受信したパルスからの干渉を受けやすい。

フレーム持続時間を増大させることにより、受信器におけるフレーム間干渉（ＩＦＩ）を低減させることができる。フレーム持続時間を増大させるための１つの方法は、パルスの間隔を時間的に大きく離間することによるものである。そのため、測距の応用形態では、フレーム持続時間は、チャネル状態及び受信器の構造に応じて増大するべきである。

また、上述したように、適応的なフレーム持続時間をＵＷＢ信号等の他のスペクトル拡散無線信号とあわせて使用することができることにも留意されたい。特に、適応的なフレーム持続時間は、＋１及び−１の極性で、又はゼロの振幅で、フレーム持続時間の整数倍で送信されるパルス系列に適用されることもでき、すなわち特定のパルスが抑制される。この場合、フレーム持続時間を適合することは、パルス間の持続時間を変更することを意味する。同様に、本方法は、＋１又は０の振幅を有するパルスのみがフレーム持続時間の整数倍である時に送信される場合に適用されることができる。

１つの「マスタ」デバイスが複数の「スレーブ」デバイスと通信するネットワークでは、マスタはネットワーク全体に１つのフレーム持続時間を設定することができるか、又は複数のスレーブのフレーム持続時間を個別に設定することができる。ネットワーク全体にフレーム持続時間を設定するために、マスタは持続時間情報をブロードキャストする。この場合、選択されたフレーム持続時間は、チャネル状態及びスレーブデバイスの構造に基づく。同様の考慮事項が、ピアツーピアネットワークにも当てはまる。

本発明を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。本発明によるフレーム持続時間を確定する方法の流れ図である。

Claims

チャネル状態情報に従って無線信号のフレーム持続時間を確定すること、
フレームを前記フレーム持続時間に従って送信器から受信器にパルスとして送信すること、及び
前記受信器において前記パルスの到着時間を推定して、前記送信器と前記受信器との間の距離を確定すること
を含む、インパルス無線システムでのフレーム持続時間を確定する方法。
前記送信器は、前記チャネル状態情報を周期的に推定する
請求項１記載の方法。
非干渉性受信器における前記フレーム持続時間は、干渉性受信器における前記フレーム持続時間より長い
請求項２記載の方法。
前記無線信号はパルス系列を使用し、
前記パルスの時間的な間隔を大きく増大させることにより前記フレーム持続時間を増大させることをさらに含む
請求項１記載の方法。
前記無線信号は、スペクトル拡散無線信号である
請求項１記載の方法。
前記パルスは、＋１、−１及び０の極性を有する
請求項４記載の方法。
前記パルスは、＋１及び−１の極性を有する
請求項４記載の方法。
前記無線信号は、タイムホッピング信号であり、すなわちフレーム内の前記パルスの位置は疑似乱数系列により確定される
請求項１記載の方法。
前記無線システムにおいて、前記フレーム持続時間は、マスタデバイスにより、全てのスレーブデバイスにつき１つに設定される
請求項１記載の方法。
前記無線システムにおいて、前記フレーム持続時間は、マスタデバイスにより、各スレーブデバイスにつき個別に設定される
請求項１記載の方法。
２つのデバイスがそれらの間で前記フレーム持続時間をネゴシエートする
請求項１記載の方法。
前記受信器は、チャネルの前記チャネル状態情報を周期的に推定する
請求項１記載の方法。
受信器の構造に従って無線信号のフレーム持続時間を確定すること、
フレームを前記フレーム持続時間に従って送信器から前記受信器にパルスとして送信すること、及び
前記受信器において前記パルスの到着時間を推定し、前記送信器と前記受信器との間の距離を確定すること
を含む、インパルス無線システムでのフレーム持続時間を確定する方法。
チャネル状態情報及び受信器の構造に従って無線信号のフレーム持続時間を確定すること、
フレームを前記フレーム持続時間に従って送信器から前記受信器にパルスとして送信すること、並びに
前記受信器において前記パルスの到着時間を推定して、前記送信器と前記受信器との間の距離を確定すること
含む、インパルス無線システムでのフレーム持続時間を確定する方法。