JP2010505323A - パケット化システムの高速通信用のコスト効率の良いプリアンブル構造 - Google Patents

Abstract

本発明のシステム７００、装置６００及び方法は、高速の通信システムに対する階層的な疑似環状対称及び完全に環状対称なトレーニングシーケンス構造１００を提供する。好ましくは、階層的な疑似環状対称部１０１は、バースト検出、粗い周波数、タイミングエラー推定及びＡＧＣゲイン設定のために使用される。好ましくは、完全に環状対称な部１０２は、チャネル推定、精細な周波数エラー推定のために使用される。結果として生じるシーケンスは非常に良好なピーク対平均的電力ＰＡＰＲ特性を持ち、多くの用途に適したものになる。帯域効率も、対称シーケンスを使用することのため改善される。

Description

本発明のシステム、装置及び方法は、コスト効率が良く、かつピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を下げるプリアンブル構造に関する。

通常は、パケットベースのＯＦＤＭ及び他のブロック通信システム（例えば、ガード区間を備える単一搬送波）においては、トレーニングシーケンスが、各パケットの時間領域及び周波数領域の始めに送信される。これらのトレーニングシーケンスは、時間同期（ＳＹＮＣ）、周波数オフセット推定（ＦＯＥ）、ＡＧＣゲイン設定、タイミングエラー推定、及びチャネル推定（ＣＥ）のため受信器により使用される。

例えば、ＭＢ−ＯＦＤＭ ＵＷＢシステムの正常動作モードでは、（２４のＯＦＤＭシンボルに等しい長さの）時間領域シーケンスが送信される。この時間領域シーケンスは、ＳＹＮＣ及びＦＯＥのために使用される。時間領域シーケンスは、（６つのＯＦＤＭシンボルに等しい長さの）周波数領域シーケンスにより追従される。これは、ＣＥのために使用される。

通常は、これらのＯＦＤＭシンボルの全ては、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）又はゼロパッディング（ＺＰ）を用いて分離される。これらのピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）も高い。

ピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）は、通信信号の性能における重要な尺度の１つである。ＰＡＰＲは、ピークの瞬間的な信号電力Ｐ_ｐｅａｋと平均信号電力Ｐ_ａｖｅとの比である。ＰＡＰＲの重要性は、実用的な送信器（特にパワーアンプ）が限られた線形ダイナミックレンジを持つ、即ち、信号値が特定の限界を上回る場合、非線形歪が生じるという事実から生じる。ノイズ（歪曲）を所望の信号に加える他に、非線形歪は、信号の倍音を生じさせるだろう。それ故に、非線形歪は、送信器の帯域外通信を増加させる。

これを回避するためには、送信器の線形範囲内に信号が保たれなければならない。ＰＡＰＲに対して特定の値が与えられるとき、信号ピーク値に対するこの制限は、平均送信電力に関する制限を課す。従って、小さなＰＡＰＲ値を持つ信号を設計することが有益である。

ＰＡＰＲは、変調信号搬送波、信号搬送波ブロック通信（ＳＣＢＴ）又はＯＦＤＭ、コンステレーション（ＰＳＫ、ＱＡＭ）、及びパルス形状に依存する。

例えばＯＦＤＭ及びＳＣＢＴといった従来のブロック通信法では、送信器は時間領域（又は、時々周波数領域）プリアンブルを送信する。このプリアンブルは、ＣＰ又はＺＰを用いて分離される自己直交シーケンスの反復である。その後、周波数領域シーケンス（通常は、周波数領域において、平坦なレスポンスを持つように設計される）が送信される。受信器は、順次、同期、ＡＧＣゲイン設定、周波数オフセット推定、タイミングオフセット推定、訂正、及びチャネル推定を実行する。

上記手法は単純な方法に従うが、それは長いプリアンブルを必要とする。これは、次々にシステムの帯域効率を低下させる。高レートの通信システムにおいては、システムの帯域効率を改善するためプリアンブルオーバヘッドを減らすことが重要である。

更に、従来のプリアンブルは通常、高いピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を持つ。高いＰＡＰＲは低出力送信器にとって重要な考慮要素ではないが、比較的高出力の送信器に対しては問題である。なぜなら、平均送信出力は、回路によって利用可能とされるものより少なくなければならないからである。

従って、より短いプリアンブル及びより小さなＰＡＰＲ値を実現する手段が必要である。

本発明は、環状に直交するシーケンスのＫ個の反復を有するプリアンブルを送信することによりプリアンブルオーバヘッドを減らす装置、方法およびシステムを提供する。

ここで図１を参照すると、本発明において、階層的な擬似環状対称１０１及び完全な環状対称１０２トレーニングシーケンス構造１００が、高速のブロック通信システムに対して提供される。

トレーニングシーケンスは、一連なりの一定振幅ゼロ自己相関シーケンスとして規定される。

このトレーニングシーケンスの階層的な疑似環状対称部１０１は、バースト検出、粗い周波数及びタイミングエラー推定及びＡＧＣゲイン設定のために使用される。

このトレーニングシーケンスの完全な環状対称部１０２は、チャネル推定及び精細な周波数エラー推定のために使用される。

結果として生じるシーケンス１００は、多くの用途に適している非常に良好なピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を持つ。対称シーケンスを使用することによって、帯域効率も改善される。

その環状直交特性のため、プリアンブル１００は、環式のプレフィックス又はゼロプレフィックス（ポストフィックス）を必要としない。これは、結果として改良された効率性を生じさせる。

更に、プリアンブル１００のＰＡＰＲは、通常は、ＰＮシーケンスを用いるいくつかの従来のシステムと比較して約３ｄＢ分低いか、又は周波数領域シーケンスを用いるシステムと比較して５〜９ｄＢ低い。これは、結果としてより良好な送信器効率を生じさせる。

本発明による階層的なＣＡＺＡＣシーケンスを用いるプリアンブル構造を示す図である。 （１６ｘ４の）階層的なシーケンスに対する相関出力を示す図である。 さまざまなプリアンブルシーケンス構成及び検出閾値（ｔ）に対する同期検出器の性能を示す図である。 フレーム同期（フレームデリミタ）検出器の性能を示す図である。 階層的な相互相関器を示す図である。 本発明に基づき修正される送信器及び受信器を有するトランシーバを示す図である。 本発明に基づき修正される通信システムを示す図である。

当業者であれば、以下の説明は、説明目的で与えられ、限定するものではないことを理解されるであろう。当業者であれば、本発明の精神及び添付の特許請求の範囲に含まれる多くの変形例が存在することを理解されるであろう。本発明をあいまいにしないよう、既知の機能及び構造の不必要な詳細が、現在の説明から省略される場合がある。

本発明は、パケット化システムの高速通信にとってコスト効率の良いプリアンブル構造を提供する装置、方法及びシステムを提供する。好ましい実施形態において、プリアンブルは、後述するように完全に周期的な直交シーケンスにより追従される疑似周期的な直交シーケンスの反復から成る。

プリアンブル
プリアンブル１００は、環状直交特性を呈する一定振幅ゼロ自己相関（ＣＡＺＡＣ）シーケンスから構築される。トレーニングシーケンスの基本要素は、

である。ここで、ｍはＮに対する素数であり、

であり、αはフェーズオフセット係数であり、及びＮは整数である。これは、結果として長さＮ^２のシーケンスを生じさせる。長さの例は、４、９、１６、２５、３６などである。長さに関する制約が欠点と思われる可能性があるが、大部分の実際的な用途に対して、その用途にとって十分に良好である長さがおそらく存在する。

好ましい実施形態のプリアンブル１００の構造が、図１に示される。プリアンブル１００の第１の部分１０１は、上記シーケンスの階層的な構造（後述）を含む。符号（＋、−）は、個々のシーケンスのフェーズを示す。各シーケンスは、異なるフェーズを持つことができる。これは、シーケンス上でオーバレイされる付加情報の通信を可能にする。例えば、図１には、（−）が１つある。これは、後続の、しかし異なるシーケンスの開始を示すサインとして使用されることができる。この種の使用は通常、フレーム同期又はフレームデリミタとして知られている。プリアンブル１０１のこの第１の部分の後、１つ又は複数のシーケンスを有する第２の部分１０２が、チャネル推定及び他の目的のために送信される。好ましくは、この第２の部分１０２は、階層的なシーケンスである必要はない。降下(decay)及び上昇(ramp up)のうちの１つに対するチャネルインパルス応答を可能にするために、シーケンスの第２の部分の終わり又は始めに、更なるより短いシーケンスが挿入されることもできる。このより短いシーケンスの長さは、通常チャネルの予想遅延拡散の長さに等しい。

階層的なシーケンス１０１は、同じ及び異なる長さのいずれかである２つのプリミティブシーケンスから構築される。

Ａ_１が長さＬ_１で、Ａ_２は長さＬ_２であるとすると、長さＬ_１＊Ｌ_２の新規な階層的なシーケンス１０１が、こうしたプリミティブシーケンスから、

として構築される。

次に図５を参照すると、本発明に関する好適な相関器５００の低コストの実現が示される。好適な相関器は、第１段でＡ_２と相関する階層的な相関器５０１であり、第１段の相関器５０１の出力は、Ａ_１に対する第２段の相関器５０２に渡される。これは、実現の複雑さを減らし、非常に高速性が要求される用途に対して特に魅力的なものにする。

結果として生じる階層的なシーケンス１０１は、多くの有利な特性を持つ。

１．プリミティブシーケンスは、それ自体の任意の循環シフトに直交する。シーケンスのこの特性により、相関ベースの同期に対してこのシーケンスを選択することが非常に良好な選択となる。更に、シーケンスが循環的に直交するので、ＣＰ又はＺＰの必要性がない。

２．シーケンスは、時間において、一定出力を持つ。即ち、

である。更に、ピーク対平均電力比率（ＰＡＰＲ）は、例えば、単純なバイナリタイプの変調（ＢＰＳＫ）より低い。パワーアンプ非線形性問題を招くことなく、シーケンスのこの特性は、より高い電力でのプリアンブルの通信を可能にする。

３．プリミティブシーケンスは、Ｎ個のコンステレーションポイントを持つ。Ｎを適切に選択することにより、シーケンス値は、２進数だけを含むよう作られることが可能である。例えば、Ｎ＝４は結果として以下のシーケンスを生じさせる。[ 1i -1 -1i 1 -1 1 -1 1 -1i -1 1i 1 1 1 1 1]。これは、送信器及び受信器の両方での実現を単純化する。受信器及び送信器での訂正に１ビット値だけが使用される。

４．プリミティブシーケンスのＤＦＴの大きさは、Ｎ^２である離れた(distinct)値のうちの１つを取るフェーズでの単位である。この特性は、周波数領域において、単純相関を実行することにより全体の帯域幅にわたりチャネルを感知することを可能にする。

シミュレーション結果
システムの性能を評価するために、以下の仮定を使用してシミュレーションが実行された。
周波数オフセット＝２．４ＭＨｚ、
サンプリングレート＝１．４ＧＨｚ、
チャネル＝７．５ナノ秒rmsの遅延拡散であるランダムな指数的に降下チャネル。

これらのパラメータは、６０ＧＨｚでの無線高速通信にとって必要であるものに非常に似ている。シミュレーション結果が、図２〜４に示される。

図２は、プリアンブルの１つのユニットを備える上記の障害に従うプリアンブルの相互相関を示す。この場合、９つの階層的プリアンブルが存在し、各々６４サンプルを持ち、１つまた１つとカスケードされる。階層的なプリアンブルの各々は、上述した通り４及び１６のプリミティブプリアンブルから構築される。その後、このプリアンブルシーケンスは、１つのプリアンブルと相関される。図２は、予想されるような９つの非常に分離した(distinct)ピークを示す。更に、図２は、非常に小さなサイドローブも示す。かなり小さなサイドローブは、階層的な構造の結果である。他方、各プリミティブの相互相関関数は、エンドポイント及びマッチポイント以外では至る所で数学的にゼロである。

図３は、プリアンブル及び検出機構の複数の構成における検出確率を示す。

図４は、フレームデリミタ検出器の性能を示す。

中でも、本発明は、例えばＵＷＢ及び６０ＧＨｚといったパケット化高速通信に適用可能である。

図６は、送信器６０２及び受信器６０３を有するトランシーバ６００の好ましい実施形態を示す。送信器６０２は、符号化及び変調要素６０２．１を更に有する。その出力は、本発明による、非階層的な疑似環状対称及び完全に環状な対称ＣＡＺＡＣトレーニングシーケンスにより後続される階層構造を挿入するプリアンプル挿入モジュール６０２．２への入力である。本発明によるプリアンブルの挿入の後、この信号は、モジュール６０２．４によりフィルタリングされ、ＤＡコンバートされ、チャネル６０４を介して送信される。本発明によるプリアンブルを含む信号が、本発明に基づき修正される受信器６０３により受信される。この受信器は、受信信号のＡＧＣ制御をフィルタリングするモジュール６０３．４等を有し、その信号を更に処理するデジタルフロントエンド６０３．２に出力信号を提供する。

図７は、本発明による階層的なＣＡＺＡＣシーケンスを用いて、プリアンブル構造を有するメッセージを送信及び受信する、本発明に基づくトランシーバ７００を有する通信システムを示す。

本発明の好ましい実施形態が示されて、記載されていたが、本願明細書に記載されるシステム、装置、及び方法が、説明的なものであること、さまざまな変更及び修正がなされることができること、及び本発明の真の範囲を逸脱することなく均等物がその要素に対して置換されることができることは当業者であれば理解されるであろう。更に、その中心範囲から逸脱することなく本発明の教示を特定の状況に適応させるため、多くの修正が実行されることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考察される最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されず、本発明が、例として使用される実現に対するオブジェクト指向な手法だけでなく、すべての実現技術と同様に、本願明細書に添付される請求項の範囲内に含まれるすべての実施形態を含むことが意図される。

Claims (29)

1. ブロック通信無線通信システムであって、
   サイクリックプレフィックス、ゼロプレフィックス、及びゼロポストフィックスからなるグループから選択される要素のいずれかを含むトレーニングシーケンスに対する必要性が除去されることにより前記無線通信システムの帯域効率が改善されるよう、２パートのトレーニングシーケンスの少なくとも１つの反復を含むプリアンブルと、
   前記プリアンブルと、前記プリアンブルに含まれる前記２パートトレーニングシーケンスとをブロック時間領域及びブロック周波数領域の各々の始めに送信する送信器と、
   時間同期、周波数オフセット推定、ＡＧＣゲイン設定、タイミングエラー推定及びチャネル推定のためのトレーニングシーケンスを使用する受信器とを有し、
   従来のシステムより少なくとも２ｄＢ分低いピーク対平均電力比のため、前記無線通信システムの帯域効率が改善される、ブロック通信無線通信システム。
2. 前記ブロック通信が、パケットベースのＯＦＤＭ通信である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記２パートトレーニングシーケンスが、プリミティブシーケンスとしても知られ、環状直交特性を呈する複数の一定振幅ゼロ自己相関シーケンスのシーケンスとして、
   

   

   により規定され、ｍはＮに対する素数であり、
   

   

   であり、αはフェーズオフセット係数であり、Ｎは結果として長さＮ^２のシーケンスを生じさせる自然数であり、長さは、４、９、１６、２５、及び３６を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ブロック通信が、パケットベースのＯＦＤＭ通信である、請求項３に記載のシステム。
5. 前記２パートトレーニングシーケンスが、
   階層的な疑似環状対称シーケンス構造を持つ第１の部分と、完全な環状対称トレーニングシーケンス構造を持つ第２の部分とを有する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１の部分が、バースト検出、粗い周波数及びタイミングエラー推定、並びにＡＧＣゲイン設定のために使用され、
   前記第２の部分は、チャネル推定及び精細な周波数エラー推定のために使用される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１の部分が、同じ長さ及び異なる長さからなるグループから選択されるそれぞれ長さＬ_１及びＬ_２の２つのプリミティブシーケンスＡ_１及びＡ_２から構築され、前記第１の部分は、長さＬ_１＊Ｌ_２を持ち、
   

   

   として前記プリミティブシーケンスから構築される、請求項６に記載のシステム。
8. 各プリミティブシーケンスが、シーケンスの値が２進数だけを含むよう選択されるＮのコンステレーションポイントを持ち、１ビット値だけが、前記受信器及び前記送信器での訂正に使用される、請求項７に記載のシステム。
9. チャネルインパルス応答が、降下及び上昇からなるグループから選択される態様で振舞うよう、前記第２の部分に先行する又は前記第２の部分に後続する追加的なより短いシーケンスが挿入される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記より短いシーケンスの長さが、前記プリアンブルが前記送信器により送信されるチャネルの予想遅延拡散の長さに等しい、請求項９に記載のシステム。
11. 無線通信システムにおいてブロックを送信する方法において、
    従来のシステムより少なくとも２ｄＢ低いピーク対平均電力比により、並びにサイクリックプレフィックス、ゼロプレフィックス及びゼロポストフィックスからなるグループから選択される要素のいずれかを含むトレーニングシーケンスの必要性が除去されることにより、帯域効率を改善するよう、２パートのトレーニングシーケンスの少なくとも１つの反復を含むプリアンブルを提供するステップと、
    前記プリアンブル及び該プリアンブルに含まれる前記２パートトレーニングシーケンスを、ブロック時間領域及びブロック周波数領域の各々の始めに送信するステップと、
    時間同期、周波数オフセット推定、ＡＧＣゲイン設定、タイミングエラー推定及びチャネル推定のため前記送信されたトレーニングシーケンスを使用するステップとを有する、方法。
12. プリミティブシーケンスとしても知られ、環状直交特性を呈し、及び
    

    

    によりそれぞれ規定される、複数の一定振幅ゼロ自己相関シーケンスのシーケンスとして前記２パートトレーニングシーケンスを規定するステップを更に有し、ｍはＮに対する素数であり、
    

    

    であり、αはフェーズオフセット係数であり、Ｎは結果として長さＮ^２のシーケンスを生じさせる自然数であり、長さは、４、９、１６、２５、及び３６を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記送信されるブロックが、ＯＦＤＭパケットである、請求項１２に記載の方法。
14. 前記２パートトレーニングシーケンスを提供するステップが、
    階層的な疑似環状対称シーケンス構造を持つ第１の部分を提供するステップと、
    完全な環状対称トレーニングシーケンス構造を持つ第２の部分を提供するステップを更に有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記使用ステップが、
    バースト検出、粗い周波数及びタイミングエラー推定、並びにＡＧＣゲイン設定のために前記第１の部分を使用するステップと、
    チャネル推定及び精細な周波数エラー推定のために前記第２の部分を使用するステップとを更に有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の部分を、同じ長さ及び異なる長さからなるグループから選択されるそれぞれ長さＬ_１及びＬ_２の２つのプリミティブシーケンスＡ_１及びＡ_２から構築するステップを更に有し、前記第１の部分は、長さＬ_１＊Ｌ_２を持ち、
    

    

    として前記プリミティブシーケンスから構築される、請求項１５に記載の方法。
17. プリミティブシーケンスの値が２進数だけを含むよう、各プリミティブシーケンスに対してＮのコンステレーションポイントを選択するステップを更に有し、１ビット値だけが受信器及び送信器で訂正に使用される、請求項１６に記載の方法。
18. チャネルインパルス応答が降下及び上昇からなるグループから選択される態様で振舞うよう、前記第２の部分の前又は前記第２の部分の後のいずれかに追加的なより短いシーケンスを挿入するステップを更に有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記挿入されたより短いシーケンスの長さが、前記送信ステップにより前記プリアンブルが送信されるチャネルの予想遅延拡散の長さに等しい、請求項１８に記載の方法。
20. ブロック通信無線通信に関する送信装置であって、
    サイクリックプレフィックス、ゼロプレフィックス及びゼロポストフィックスからなるグループから選択される要素のいずれかを含むトレーニングシーケンスの必要性がないことから、前記無線通信の帯域効率が改善されるような、２パートのトレーニングシーケンスの少なくとも一つの反復を含むプリアンブルと、
    前記プリアンブル及び該プリアンブルに含まれる前記２パートトレーニングシーケンスを、ブロック時間領域及びブロック周波数領域の各々の始めに挿入するプリアンブル挿入モジュールとを有し、
    前記無線通信システムの帯域効率が、従来のシステムより少なくとも２ｄＢ低いピーク対平均電力比により改善される、送信装置。
21. 前記ブロック通信が、パケットベースのＯＦＤＭ通信である、請求項２０に記載の装置。
22. 前記２パートトレーニングシーケンスが、プリミティブシーケンスとしても知られ、環状直交特性を呈する複数の一定振幅ゼロ自己相関シーケンスのシーケンスとして、
    

    

    により規定され、ｍはＮに対する素数であり、
    

    

    であり、ｊはフェーズオフセット係数であり、Ｎは結果として長さＮ^２のシーケンスを生じさせる自然数であり、長さは、４、９、１６、２５、及び３６を含む、請求項２０に記載の装置。
23. 前記ブロック通信が、パケットベースのＯＦＤＭ通信である、請求項２２に記載の装置。
24. 前記２パートトレーニングシーケンスが、
    階層的な疑似環状対称シーケンス構造を持つ第１の部分と、
    完全な環状対称トレーニングシーケンス構造を持つ第２の部分とを有する、請求項２３に記載の装置。
25. 前記第１の部分が、バースト検出、粗い周波数及びタイミングエラー推定、並びにＡＧＣゲイン設定のために使用され、
    前記第２の部分は、チャネル推定及び精細な周波数エラー推定のために使用される、請求項２４に記載の装置。
26. 前記第１の部分が、同じ長さ及び異なる長さからなるグループから選択されるそれぞれ長さＬ_１及びＬ_２の２つのプリミティブシーケンスＡ_１及びＡ_２から構築され、前記第１の部分は、長さＬ_１＊Ｌ_２を持ち、
    

    

    として前記プリミティブシーケンスから構築される、請求項２５に記載の装置。
27. 各プリミティブシーケンスが、シーケンスの値が２進数だけを含むよう選択されるＮのコンステレーションポイントを持ち、１ビット値だけが、前記受信器及び前記送信器での訂正に使用される、請求項２６に記載の装置。
28. チャネルインパルス応答が、降下及び上昇からなるグループから選択される態様で振舞うよう、前記第２の部分に先行する又は前記第２の部分に後続する追加的なより短いシーケンスが挿入される、請求項２７に記載の装置。
29. 前記より短いシーケンスの長さが、前記プリアンブルが前記送信器により送信されるチャネルの予想遅延拡散の長さに等しい、請求項２８に記載の装置。

Images