JP2010505316A - Ｕｗｂ装置及び方法 - Google Patents

Abstract

送信機で拡散技術を用いて形成された２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルを含む受信シグナルを処理する超広帯域無線受信機は、シグナルが伝送されたチャネルを推定するチャネル推定手段を有する。この受信機は、チャネル推定手段から得られた推定チャネルを逆数にする逆数化手段を有し、この推定チャネルの逆数を受信シグナルへ適用して、補償シグナルを生成する。受信機は、復調の前に各チャネルの推定ノイズを用いて補償シグナルに重み付けを行う手段を有し、各チャネルの推定ノイズは、チャネル推定プロセスの逆数から取得される。
【選択図】図３

Description

発明の技術分野
本発明は、超広帯域無線（ＵＷＢ）装置、及び方法に関し、詳細には、受信した超広帯域無線シグナルを低いエラー率で復調する装置、及び方法に関する。

超広帯域無線は、デジタルデータを、３．１乃至１０．６ＧＨｚという非常に広い周波数範囲にわたって伝送する無線技術である。これは、通常、−４１ｄＢｍ／ＭＨｚ未満という超低送信電力を利用するため、この技術は、現存のＷｉ‐Ｆｉ、ＧＳＭ、及びブルートゥースなどのその他の送信周波数の下に文字通り隠すことができる。このことは、超広帯域無線が、他の通信周波数技術と共存可能であることを意味する。しかし、これには、通信距離が通常５乃至２０メートルに限られるという制限がある。

ＵＷＢには、ＵＷＢ特性を有するパルス波形からシグナルを構築するタイムドメイン方式（ｔｉｍｅ‐ｄｏｍａｉｎ ａｐｐｒｏａｃｈ）、及び、従来のＦＦＴに基づく直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）を複数の（周波数）バンドに用いてＭＢ‐ＯＦＤＭとする周波数ドメイン変調方式（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ‐ｄｏｍａｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ）の２種類の方式がある。これらのＵＷＢ方式はいずれも、周波数スペクトル内の非常に広いバンド幅を有効範囲とするスペクトル成分を発生するもので、従って超広帯域無線という用語になるのだが、そこで、そのバンド幅は、中心周波数の２０パーセント超、通常は少なくとも５００ＭＨｚを占める。

このような超広帯域無線の特性は、非常に広いバンド幅と合わせて、ＵＷＢが、家庭又は職場の環境における高速無線通信を提供するための理想的な技術であることを意味しており、その環境では、通信機器が互いに２０ｍの範囲内にある。

図１は、超広帯域無線通信用のマルチバンド直交周波数分割多重（ＭＢ‐ＯＦＤＭ）システムにおける周波数バンドの配列を示す。ＭＢ‐ＯＦＤＭシステムは、各々５２８ＭＨｚである１４個のサブバンドを含み、アクセス方式として、サブバンド間を３１２ｎｓ毎にホッピングする周波数を用いる。各サブバンド内では、ＯＦＤＭ、及びＱＰＳＫ又はＤＣＭコーディングを用いてデータが伝送される。およそ５ＧＨｚ、現時点では５．１‐５．８ＧＨｚ、のサブバンドが、例えば８０２．１１ａＷＬＡＮシステム、警備機関の通信システム、又は航空業界などの現存の狭帯域無線システムへの干渉を避けるために、未使用で残されていることには留意されたい。

１４個のサブバンドは、５種類のバンドグループを構成しており、４種類のバンドグループが５２８ＭＨｚのサブバンドを３個有し、１種類のバンドグループが５２８ＭＨｚのサブバンドを２個有している。図１に示すように、第一のバンドグループは、サブバンド１、サブバンド２、及びサブバンド３を含む。例としてのＵＷＢシステムでは、バンドグループのサブバンド間をホッピングする周波数を使用し、それによって、第一のデータシンボルは、バンドグループの第一の周波数サブバンド内の第一の３１２．５ｎｓの長さの時間間隔内で伝送され、第二のデータシンボルは、バンドグループの第二の周波数サブバンド内の第二の３１２．５ｎｓの長さの時間間隔内で伝送され、第三のデータシンボルは、バンドグループの第三の周波数サブバンド内の第三の３１２．５ｎｓの長さの時間間隔内で伝送される。従って、各時間間隔の間、データシンボルは、例えば、３９６０ＭＨｚを中心周波数とする５２８ＭＨｚのベースバンドシグナルを有するサブバンド２など、５２８ＭＨｚのバンド幅を有する各々のサブバンド内で伝送される。

ＵＷＢシステムの基本的なタイミング構造は、スーパーフレームである。スーパーフレームは、２５６個の媒体アクセススロット（ＭＡＳ）から成り、ここで、各ＭＡＳは、例えば２５６μｓなどの決められた期間を持つ。各スーパーフレームは、ビーコン期間から開始し、これは、１若しくは２個以上の連続するＭＡＳの間継続する。ビーコン期間における第一番目のＭＡＳの開始は、「ビーコン期間開始（ｂｅａｃｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ｓｔａｒｔ）」として知られる。

このような超広帯域無線の技術的特性は、これが、データ通信の分野でのアプリケーションに採用されつつあることを意味している。例えば、以下の環境において、ケーブル通信の代替とすることを目的とする広範囲にわたる種々のアプリケーションが存在する。
‐ＰＣとその周辺機器、すなわち、ハードディスクドライブ、ＣＤライター、プリンター、スキャナー、などの外付けデバイスとの間の通信
‐テレビ、及びワイヤレス手段、ワイヤレススピーカーなどで接続されるデバイス、などのホームエンターテイメント
‐携帯デバイス及びＰＣの間の通信、例えば、携帯電話及びＰＤＡ、デジタルカメラ及びＭＰ３プレイヤー、など

ＵＷＢシステムにおける送信機から受信機へのデータの伝送に関して、ビットあたりのエネルギーを増加させるため、及びダイバーシティゲインを利用するためにも、ＭＢＯＡ ＵＷＢの仕様には、時間及び周波数の拡散が含まれる。送信機では、例えば、単一のコンステレーションポイント（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）の２個のコピーがチャネル（時間及び／又は周波数で分割された）へ伝送される。受信機では、これらの複数のコピーが再合成され、コンステレーションポイントのシグナルノイズ比（ＳＮＲ）が最適化される。複数のダイバーシティブランチ（ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｂｒａｎｃｈ）からのシグナルを合成するための種々の技術が公知である。そのような技術の一つに、最大比合成（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）（ＭＲＣ）がある。図２は、受信シグナルを最大比合成技術を用いて合成するためのＭＲＣ逆拡散装置の簡略化した概略図である。複数のシグナルブランチｒ_１からｒ_Ｎに、各々、対応する３_１から３_Ｎの重み係数を乗算する。重み付けされたシグナル５_１から５_Ｎは、次に、加算器７にて互いに加算され、その後、受信機の復調器９へ送られる。ＭＲＣの目的は、強いシグナルを有するシグナルブランチｒ_１からｒ_Ｎをさらに増幅し、一方、弱いシグナルを有するシグナルブランチｒ_１からｒ_Ｎを減衰させることである。

シグナルブランチｒ_１からｒ_Ｎを重み付けするための一つの公知の手法は、すべてのシグナルブランチｒ_１からｒ_Ｎを同等に重み付けすることである。この手法では、高いデータ率の復調データが得られるが、同時にビットエラー率も比較的高くなる。

別の手法は、各受信チャネルにおけるノイズ強度を推定する特別の回路を作製するものであり、次にこれを用いて、適宜受信シグナルを重み付けする。これには、ノイズ強度を決定するための追加回路が必要であるという欠点があり、そのため受信機がより高価なものとなる。追加回路は、受信装置の消費電力を増加させるという欠点もある。

本発明の目的は、改良されたＵＷＢ装置及び方法を提供することである。

本発明の第一の局面によると、受信シグナルを処理する方法を提供し、この受信シグナルは、拡散技術を用いて送信機で形成された２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルを含む。本方法は、受信シグナルが伝送されたチャネルを推定するステップと、推定チャネルの逆数（ｉｎｖｅｒｓｅ）を受信シグナルに適用し、それによって補償シグナル及び各チャネルでの推定ノイズを得るステップと、チャネル推定プロセスからの各チャネルでの推定ノイズを用いて、補償シグナルの復調への入力に重み付けをするステップとを有する。

上記より、ＭＢＯＡ ＵＷＢチャネルの各々でのノイズ強度を、チャネル推定プロセスの副産物として算出可能であることが分かる。このノイズ強度に関する情報を用いて復調への入力に重み付けを行い、復調データにおけるエラーの可能性を最小限に抑えることができる。

本発明の別の局面によると、送信機で拡散技術を用いて形成された２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルを含む受信シグナルを処理するための受信機を提供する。受信機は、シグナルが伝送されたチャネルを推定するためのチャネル推定手段と、チャネル推定手段から得られた推定チャネルを逆数にする（ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ）逆数化手段とを備え、推定チャネルの逆数を受信シグナルへ適用して補償シグナルが生成される。受信機は、各チャネルの推定ノイズを用いて、復調の前に補償シグナルに重み付けを行う手段も含み、各チャネルの推定ノイズは、チャネル推定プロセスから得られる逆数から取得される。
本発明の理解を深めるために、及び本発明を実行することができる方法をより明確に示すために、例示のみの目的で、以下の図面について述べる。

マルチバンドＯＦＤＭアライアンス（ＭＢＯＡ）承認の、ＭＢ‐ＯＦＤＭシステムの周波数スペクトルを示す図である。 基本的な最大比合成（ＭＲＣ）技術を示す概略図である。 本発明にかかる受信機チェーンの一部を示す概略図である。

図３は、超広帯域無線装置の受信機チェーンの概略図であり、受信機ブロック１２から復調器３８までのチェーンを示す。好適な実施形態はＵＷＢ受信機及び方法に関して述べているが、本発明が、データが拡散及びダイバーシティ技術を用いて伝送されるその他の無線通信システム、特には（しかし、これに限定されない）ＭＢＯＡ標準を用いたＯＦＤＭシステム全般にも同様に適用可能であることは理解されるであろう。アンテナ１０は、入力シグナルを受信する。入力シグナルは、ＲＦステージ及びアナログ‐デジタル変換器（ＡＤＣ）を含む受信機ブロック１２に送られる。ＡＤＣの出力１４における受信機ノイズは、ホワイトノイズであって、標準偏差がσ＝ｓのガウス分布であると仮定する。ＡＤＣ１２の出力におけるノイズの標準偏差は、主に選択したチャネルに対して独立であり、これは、ノイズが、熱ノイズ及び受信機の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）からのノイズが主体であるからである。

ＡＤＣ１２からの出力１４は、高速フーリエ変換ステージ（ＦＦＴ）１６へ送られる。ＦＦＴ１６の出力１８における受信機ノイズの標準偏差は、係数ｋによって増加するが（すなわち、σ＝ｋｓ）、ここでも、主にチャネルに対して独立である。

ＦＦＴ１６の出力１８は、チャネル推定ブロック２０へ送られる。このチャネル推定ブロック２０は、シグナルが伝送されたチャネルのチャネル推定シグナル２２、すなわちＨ（ｚ）を生成する。Ｈ（ｚ）は、複素数のベクトルであり、各成分が、ＦＦＴサブキャリア周波数でのチャネルゲインを表す。チャネル推定シグナル２２は、逆数化ブロック（ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ｂｌｏｃｋ）２４に出力され、そこで、推定チャネルマトリックスの逆数（１／Ｈ（ｚ））２６が生成される。

ＦＦＴ１６の出力１８は、さらに、チャネル補償ブロック（ｃｈａｎｎｅｌ‐ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｂｌｏｃｋ）２８にも入力される。このチャネル補償ブロック２８は、逆数化ブロック２４から受け取った推定逆数チャネルマトリックス２６を用いて、変換シグナル１８の補償操作を行う。すなわち、逆数チャネルマトリックス２６を変換シグナル１８に適用し、それによってチャネル効果を補償する。

推定逆数チャネルマトリックス２６を変換シグナル１８に適用することにより、チャネルノイズを含むシグナル全体が、チャネルによって異なる係数である｜１／Ｈ（ｚ）｜の割合で強められる。補償シグナル３０は、従って、ノイズ係数｜１／Ｈ｜ｋｓを持つ。

補償シグナル３０は、次に、最大比合成（ＭＲＣ）逆拡散器３２へ出力される。この逆拡散器３２は、図２に関連して上述した最大比合成法に従って補償シグナル３０を逆拡散するが、この方法については以下でさらにより詳細に述べる。

シグナルノイズ比を最適化するために、受信シグナルのコンステレーションポイントの標準偏差（σ）が必要である。上述のように、受信機の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ステージ１６への入力において、加法性ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）が存在すると仮定し、これは、チャネル補償ブロック２８による出力で波形整形される。従って、ＡＷＧＮトーンの標準偏差の大きさ（ＦＦＴ及びチャネル補償後）は、１／Ｈ（ｚ）（すなわち、推定チャネルマトリックスの逆数）の大きさに比例する

最大比合成（ＭＲＣ）技術により、時間及び周波数拡散において、シグマ値を利用する数学的に最適な方法が提供される。ＭＲＣ技術は、以下の数式で説明される。ここで、サンプル値が、ｘ_ｉであり、対応するシグマ値が、σ_ｉ＝｜１／Ｈ（ｚ）｜ｋｓであることに留意されたい。

ＭＲＣ逆拡散器の出力におけるノイズの標準偏差（σ）は、数式：

本発明によると、本方法を実施するために、ＭＲＣ逆拡散器３２は、さらに、推定チャネル逆数化ブロック２４からの｜１／Ｈ（ｚ）｜の大きさのシグナル３４の入力を受け取る。シグナル２６（すなわち、１／Ｈ（ｚ））は、チャネル推定ステージ及び逆数化ステージ２０、２４において算出され、シグナル３４（すなわち、｜１／Ｈ（ｚ）｜）は、チャネル補償プロセス（シグナル２６を参照）の一部として算出される。従って、シグナル３４の生成には、追加の処理がほとんど必要ないということが理解されるであろう。さらに、シグナル｜１／Ｈ（ｚ）｜ｋｓは、最適なＭＲＣを確保するために、正確に推定されるということにも留意されたい。シグナル３４が、複数の重み係数、すなわち、独立に処理されるＦＦＴサブキャリアの各々に対して１個ずつの係数を表すことも理解されるであろう。

推定チャネルの逆数が、以下に示すように、ノイズレベルの指標を提供することに留意されたい。加法性ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）は、チャネル補償の前は、スペクトル的に「フラット」であると仮定する（すなわち、全レベルでのエネルギーが等しい）。チャネル補償後（周波数ドメインではＦＦＴ後）、この一定のノイズ出力は、各ＦＴＴサブキャリア上にて、推定チャネルの逆数の大きさに従って増幅又は減衰される。

ＭＲＣ逆拡散器３２は、逆拡散されたシグナル３６を復調器３８へ出力し、これがさらに、復調データを出力する。

上記より、ＭＢＯＡ ＵＷＢチャネルの各々におけるノイズ強度を、チャネル推定プロセスの副産物として算出可能であることが分かる。次に、ノイズ強度の情報を用いて、復調への入力の重み付けを行い、それによって、復調データのエラーの確率が最小限に抑えられる。

従って、本発明は、受信シグナルを復調し、その復調データのエラー率を低下させる方法を提供する。この性能優位性は、多大な追加コストをかけることなく達成され、それは、ノイズ強度が、通常のチャネル推定プロセスの一部分として既に算出されているからである。すなわち、最大比合成操作のためのノイズ強度は、チャネル推定プロセスの一部として、「コストゼロ」で算出される。

本発明は、所定の範囲でのエラー率の低下、又は所定のエラー率での範囲の拡大による高い性能の達成を、コストの増加も消費電力の増加もなく可能にするという利点を有する。

上述の実施形態は、本発明を制限するものではなく、説明するものであり、当業者であれば、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、多くの別の選択肢としての実施形態を設計することが可能であることには留意されたい。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」の語は、請求項に列挙した以外の要素又はステップの存在を除外するものではなく、「一の（ａ）」又は「一の（ａｎ）」は、複数を除外するものではなく、単一のプロセッサー又はその他のユニットは、請求項に挙げるいくつかのユニットの機能を実行することができる。請求項における引用符号はいずれも、請求項の範囲を制限するものとして解釈してはならない。

Claims (8)

1. 受信シグナルを処理する方法であって、該受信シグナルは、拡散技術を用いて送信機で形成された２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルを含み、
   前記方法は、
   受信シグナルが伝送されたチャネルを推定するステップと、
   推定チャネルの逆数を受信シグナルへ適用し、それによって、補償シグナル及び各チャネルでの推定ノイズを生成するステップと、
   チャネル推定プロセスからの各チャネルでの推定ノイズを用いて、補償シグナルの復調への入力に重み付けをするステップとを有する方法。
2. 最大比合成プロセスを実行して、復調の前に、前記２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルを合成するステップを有し、該最大比合成プロセスの間、各チャネルの推定ノイズを用いて、前記２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルに重み付けを行う、請求項１に記載の方法。
3. 前記各チャネルの推定ノイズが、推定チャネルの逆数に基づいた近似である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記受信シグナルが、超広帯域無線シグナルである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 送信機で拡散技術を用いて形成された２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルを含む受信シグナルを処理する受信機であって、
   前記シグナルが伝送されたチャネルを推定するチャネル推定手段と、
   前記チャネル推定手段から得られた推定チャネルを逆数にする逆数化手段であって、該推定チャネルの逆数を前記受信シグナルへ適用して補償シグナルを生成する手段と、
   復調の前に、各チャネルの推定ノイズを用いて前記補償シグナルに重み付けを行う手段であって、前記各チャネルの推定ノイズが、チャネル推定プロセスの逆数から取得される手段とを備える受信機。
6. 最大比合成プロセスを実行して、復調の前に、前記の２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルを合成する手段を備え、該最大比合成プロセスの間、前記各チャネルの推定ノイズを用いて、前記２若しくは３個以上のダイバーシティシグナルに重み付けを行う、請求項５に記載の受信機。
7. 前記各チャネルの推定ノイズが、推定チャネルの逆数に基づいた近似である、請求項５又は６に記載の受信機。
8. 前記受信機が、超広帯域無線シグナルを受信するための超広帯域無線受信機である、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の受信機。

Images