JP3944203B2 - マルチバンド超広帯域通信システムの受信装置及びその受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信システムの受信装置及びその受信方法に関し、更に詳しくは、マルチバンド（multi-band）を用いる超広帯域（Ultra Wideband：ＵＷＢ）通信システムにおいて、当該マルチバンドを構成する複数のサブバンドにおいて各サブバンドの中心周波数の差異によって生じる各々のサブバンドごとの受信信号の経路（チャンネル）減衰の差を補償できる通信システムの受信装置及びその受信方法に関する。

無線デジタルパルスであると知られている超広帯域通信は、短距離区間において低電力で広いスペクトル周波数を介し大量のデジタルデータを伝送するための無線通信技術である。超広帯域通信は、無線データの伝送のために数ＧＨｚの超広帯域を使用しながら、かつ断続的にデータを伝送できる特性を有していることから周波数スロットの不足現象を解決できると期待されている。超広帯域通信は、５００Ｍｂｐｓ〜１Ｇｂｐｓ（bit per second）の超高速伝送が可能であり、早い伝送速度にもよらずその電力消耗量は携帯電話や無線ＬＡＮなどの製品が必要とする電力量の１００分の１しかならない長所を有している。係る超広帯域通信の主な技術としては、１００Ｍｂｐｓ級ＵＷＢモデム技術、高品質ＱｏＳ（Quality of Service）リソースのためのＭＡＣ（Media Access Control）技術、及び広帯域伝送に適した小型アンテナ技術などがある。

一方、このような超広帯域通信の技術標準として現在はシングルバンドとマルチバンドの２つの案が提案されている。シングルバンドは利用できる周波数帯域の全帯域をカバーする方式であり、マルチバンドは利用できる周波数帯域の全域を多数個のサブバンドに分けて使用する方式である。今のところ、マルチバンド超広帯域通信システムは、３.１Ｇｈｚから１０.６ＧＨｚとの間に存在する使用可能な周波数帯域をＭ個のサブバンドに分けて使用する。

図１には、Ｍ＝１６個のサブバンドを有するマルチバンド超広帯域通信システムの周波数スペクトルが示されている。同図を参照すると、低周波数セット（Low Frequency Set）に０〜７までのサブバンドが設定されており、高周波数セット（High Frequency Set）に８〜１５までのサブバンドが設定されている。図１において、Unexpected Interferenceと表示された領域は、他の通信システムにて使用する周波数帯域と一致し干渉を引き起こしえる領域である。同図に示した各サブバンドごとの中心周波数（Ｆｃ）と低域周波数（ＦＬ）、及び高域周波数（ＦＨ）は次の通りである。

表１において周波数プランＢを基準とした場合、最も周波数の高いサブバンドである１４Ｂの中心周波数は９.９ＧＨｚであり、最も周波数の低いサブバンドである０Ｂの中心周波数は３.７４ＧＨｚであって、この２つの中心周波数を比較すると２.６５倍の差異があることが分かる。経路による電波減衰は周波数の二乗に比例するため、９.９ＧＨｚ帯域を介して伝送された信号は、３.７４ＧＨｚ帯域を介して伝送された信号に比べて７倍（８.４５ｄＢ）ぐらいの経路減衰の現象が起こる。

図２は、従来のマルチバンドを使用する超広帯域通信システムの受信装置に対する一実施形態を示したブロック図である。同図を参照すると、従来のマルチバンド超広帯域通信システムの受信装置は、マルチバンドインデックス発生部１０、マルチバンド周波数発生部１２、乗算部１３、相関受信部１４、及び信号処理部１６を備える。

マルチバンドインデックス発生部１０は、受信されたマルチバンド超広帯域通信信号の各サブバンドに対応するマルチバンドインデックス（ｍ）を算出する。マルチバンド周波数発生部１２は、マルチバンドインデックス発生部１０から入力されるマルチバンドインデックス（ｍ）に応じて各サブバンドに対するマルチバンド周波数を生成する。乗算部１３は、アンテナを介して受信したマルチバンド超広帯域通信信号とマルチバンド周波数とを乗じた信号を出力する。相関受信部１４は、乗算部１３から出力される信号を一定の積分時間を用いて積分した値を出力する。そして、信号処理部１６は、相関受信部１４から出力される信号を信号処理し送信側にて伝送した信号を復元する。

ところが、従来の超広帯域通信システムの受信装置では、相関受信部１４がＭ個の各サブバンドを介して伝送された信号を処理する際、同一な積分時間を用いて各サブバンド当たり同一な時間を経て受信された信号のエネルギーを集める方式を採っている。これによって、表１と関連して詳説したように、サブバンド当たり受信信号のエネルギーの違いが最大８.４５ｄＢまでになる。

係るサブバンドごとの受信信号のエネルギーの違いは、サブバンドごとに相異なるビットエラー率（Bit Error Rate、ＢＥＲ）を生じさせる。この際、最も経路減衰が大きいサブバンド、即ち、中心周波数の最も高いサブバンドを介して受信された信号のビットエラー率によって全サブバンドの平均ビットエラー率が主として決まるため、それが全マルチバンド超広帯域通信システムの性能を低下させる原因となっている。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、マルチバンド超帯域通信を行う通信システムにおいて、サブバンドごとに受信される信号間でエネルギーの差を減少させ、システムの全体性能を向上させることのできる通信システムの受信装置及びその受信方法を提供することにある。

前述した目的を達成するための本発明に係る通信システムの受信装置は、周波数帯域が相異なる複数のサブバンドを順次使用して通信を行ない、受信信号が伝送されたサブバンドに対応するマルチバンドインデックスを生成するマルチバンドインデックス発生部と、前記マルチバンドインデックスに対応して前記受信信号が伝送されたサブバンドに対するマルチバンド周波数を生成するマルチバンド周波数発生部と、前記受信信号と前記マルチバンド周波数を乗じた信号を出力する乗算部と、前記マルチバンドインデックスに対応して設定される積分時間に基づいて前記乗算部で出力される信号を積分して出力する相関受信部と、前記相関受信部から出力される信号が所定のデータ率で出力されるようバッファリングするバッファ部と、を含み、前記積分時間は、前記受信信号が伝送されたサブバンドに対応して可変的に設定される。また、前記バッファ部から出力された信号を信号処理し、送信先より伝送されて来た信号を復元する信号処理部を更に含む。

前記相関受信部は、前記マルチバンドインデックスに対応して前記積分時間を算出する受信積分時間調整器と、前記積分時間を用いて前記乗算部から出力される信号を積分して出力する相関器と、前記相関器から出力される信号を前記積分時間に基づいてサンプリングし出力するサンプラーと、を含むことができる。

さらに、前記積分時間は、中心周波数の高いサブバンドが中心周波数の低いサブバンドより大きくなるように設定され、サブバンドごとの経路減衰の差を補償することができる。そして、本発明の通信システムの受信装置は、マルチバンド超広帯域通信システムに適用可能である。

一方、本発明の通信システムの受信方法は、周波数帯域が相異なる複数のサブバンドを順次使用して通信を行なう通信システムにおいて、受信信号が伝送されたサブバンドに対応するマルチバンドインデックスを生成するステップと、前記マルチバンドインデックスに対応し前記受信信号が伝送されたサブバンドに対するマルチバンド周波数を生成するステップと、前記受信信号と前記マルチバンド周波数とを乗じた信号を出力するステップと、前記マルチバンドインデックスに対応して設定される積分時間に基づいて前記受信信号とマルチバンド周波数とを乗じた信号を積分して出力するステップと、前記積分され出力される信号が所定のデータ率で出力するようにバッファリングするステップと、を含み、前記積分時間は、前記受信信号が伝送されたサブバンドに対応して可変的に設定される。好ましくは、前記バッファリングされて出力される信号を信号処理して送信先で伝送した信号を復元するステップを更に含む。尚、前記積分して出力するステップは、前記マルチバンドインデックスに対応して前記積分時間を算出するステップと、前記積分時間を用いて前記受信信号と前記マルチバンド周波数とを乗じた積分値を出力するステップと、前記積分値を前記積分時間に基づいてサンプリングし出力するステップと、を含むことが可能である。

前記積分時間は、中心周波数の高いサブバンドが中心周波数の低いサブバンドより大きくなるように設定し、各サブバンドの違いによる経路減衰の差を補償している。そして、本発明に係る通信システムの受信方法は、マルチバンド超広帯域通信システムに適用することができる。

本発明によると、マルチバンド超広帯域通信を行う通信システムの受信装置において、相関受信部の積分時間をサブバンドごとに調節することによって、サブバンドごとに相違している経路減衰を補償できる。このような補償によって、全体システムの平均ビットエラー率を低くすることができ、平均ビットエラー率が低くなるにつれ、エラー訂正やそのための信号の再送が不要となり通信システムにおけるデータ伝送速度を更に高速にすることが可能である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳述する。

図３は本発明に係るマルチバンド超広帯域通信を使用する通信システムの受信装置に対するブロック図である。同図を参照すると、本通信システムの受信装置は、マルチバンドインデックス発生部１００、マルチバンド周波数発生部１２０、乗算部１３０、相関受信部１４０、バッファ部１６０、及び信号処理部１８０を備える。

マルチバンドインデックス発生部１００は、受信されたマルチバンド超広帯域通信信号が伝送された各サブバンドに対応するマルチバンドインデックス（ｍ）を算出する。マルチバンド周波数発生部１２０は、マルチバンドインデックス発生部１００から算出されたマルチバンドインデックス（ｍ）に応じて各サブバンドに対するマルチバンド周波数を有する信号ｅｘｐ（ｊ２πｆ_ｍｔ）を出力する。乗算部１３０は、アンテナを介して受信したマルチバンド超広帯域通信信号にマルチバンド周波数を乗じた信号を出力する。相関受信部１４０は、マルチバンドインデックス発生部１００から算出されたマルチバンドインデックス（ｍ）に基づいて可変的に設定される積分時間を用いて乗算器１３０から出力される信号に対する積分値を算出する。バッファ１６０は、相関受信部１４０から出力される信号を格納し、出力時点が一定に保たれるようバッファリングし、格納した信号を出力する。そして、信号処理部１８０は、バッファ部１６０から出力される信号を信号処理して送信先から伝送されて来た信号を復元する。

図４は、図３の相関受信部１４０の詳細ブロック図である。同図を参照すると、相関受信部１４０は、相関器１４１、受信積分時間調整器１４３、及びサンプラー１４５を備える。受信積分時間調整器１４３は、マルチバンドインデックス発生部１００から算出されたマルチバンドインデックス（ｍ）を受信し、これに対する積分時間（Ｔ_m）を算出する。受信積分時間調整器１４３から算出された積分時間（Ｔ_m）は、相関器１４１及びサンプラー１４５に出力される。相関器１４１は、受信積分時間調整器１４３から伝達される積分時間に（Ｔ_m）応じて乗算部１３０で出力される信号を積分し出力する。サンプラー１４５は、相関器１４１の出力をＴ_mごとにサンプリングしてバッファ部１６０に出力する。

図５は、本発明に係る通信システムの受信装置に対する動作方法を説明するための流れ図である。図３ないし図５を参照すると、先ずアンテナを介してマルチバンド超広帯域通信信号を受信する(Ｓ２００)。

マルチバンド超広帯域通信システムにおける送信先で生成される送信信号は次のように表すことができる。

尚、Ｐは送信電力、ｄ（ｔ）は２進データ信号、ｍは全サブバンドの数を示す。そして、ｆ_m、θ_mはそれぞれサブバンドの中心周波数及び位相を示している。係る送信信号はそれぞれＴ秒の分時間遅延をおいてサブバンドごとに順次伝送されるので、アンテナを介して受信される信号は次のように表せる。

尚、L_m 、G_m はそれぞれサブバンドごとに伝播中に生じる経路減衰と多重経路フェードにより生じるチャネル電力利得を示す。ｎ（ｔ）は白色ガウス（Gaussian）ノイズ、τはチャネルにおいて生じる遅延、そしてφ_m＝θ_m−２πｆ_mτである。

マルチバンドインデックス発生部１００は、受信されたマルチバンド超広帯域通信信号が伝送された各サブバンドに対応するマルチバンドインデックス（ｍ）を発生させる（Ｓ２０５）。マルチバンドインデックス発生部１００から生じたマルチバンドインデックス（ｍ）はマルチバンド周波数発生器１２０に伝達され、マルチバンド周波数発生部１２０はマルチバンドインデックス（ｍ）に対応してサブバンドに対するマルチバンド周波数が発生される（Ｓ２１０）。乗算部１３０は、受信したマルチバンド超広帯域通信信号にマルチバンド周波数を乗じた信号を生成する（Ｓ２１５）。乗算部１３０で生成された信号は相関受信部１４０に出力される。

相関受信部１４０は、マルチバンドインデックス（ｍ）を入力し、これに応じた積分時間 Ｔ_mを算出し、算出された積分時間を用いて乗算部１３０から出力される信号を積分した値を出力する（Ｓ２２０）。相関受信部１４０で算出された積分時間は、マルチバンドインデックスに応じて増加される値であって、これを式で示すと次の通りである。

つまり、従来の超広帯域通信システムの受信装置では一定の積分時間を用いるものの、本発明に係る超広帯域通信システムにおいては、サブバンドごとに積分時間を可変的に使用する。このような積分時間に関して相関受信部１４０から出力されるビットエネルギーは次の通りである。

相関受信部１４０から出力される信号はバッファ部１６０に格納され（Ｓ２２５）、バッファ部１６０は格納された信号を出力時点が一定になるようバッファリングして格納した信号を出力する。このようなバッファリングが必要な理由として、相関受信部１４０から出力される信号の出力時点が変化するためである。バッファ部１６０で出力される信号は信号処理部１８０に伝達されて信号処理され（Ｓ２３０）、これによって送信側で伝送した信号が復元される。

図６には受信信号対ノイズ比に係るビットエラー率をNakagami fadingパラメータｍについて示されている。同図を参照すると、ｍ値が大きいほど受信信号対ノイズ比の変化によってビットエラー率が急激に変化することが分かる。よって、マルチバンド超高周波通信システムにおいてサブバンドごとのビットエラー率の差異は、ｍ値が大きくなるほど、つまり通信環境が向上されるほどさらに大きくなって、全体マルチバンド超広帯域通信システムの性能を低下させることが予測できる。

図７は、本発明に係る通信システムの受信装置を適用した場合、時間―周波数領域において相関受信部１４０の動作を説明するための図である。同図で、マルチバンド超広帯域通信信号が次の表２のようなタイム周波数シーケンス（time-frequency sequence）にてＳ３を使用する場合を仮定する。即ち、マルチバンド超広帯域通信信号は、マルチバンドのインデックスが０-３-６-２-５-１-４に変化するシーケンスを用いて順次伝送される場合である。

図７を参照すると、マルチバンドインデックスが０、１、２である場合には積分時間を Ｔ₀ ＝Ｔ₁＝Ｔ₂＝Ｔ−ｓとし、マルチバンドインデックスが４、５、６である場合には Ｔ₄＝Ｔ₅＝Ｔ₆＝Ｔ＋ｓとし、マルチバンドインデックスが３である場合にはＴ₃＝Ｔとした。このような経路損失の少ないサブバンドを介して伝送された信号は積分時間を短くして相対的にわずかなエネルギーを受信し、逆に経路損失の多いサブバンドを介して伝送された信号は積分時間を長くし相対的により多くのエネルギーを受信するようにする。同図に示したように、積分段階を分ける場合、１／Ｔ Ｈｚ、１／ｓ Ｈｚなる２つのシステムクロックにて相関受信部１４０で使用される積分時間を具現することができるので、既存の超広帯域通信システムの受信装置と比べて、１／ｓ Ｈｚクロック１つのみを加えることで本発明に係る通信システムの受信装置が具現される。そして、積分時間を多段階に分けるほど性能改善の効果は著しい。

図８は本発明に係る通信システムの受信装置と従来の受信装置との性能をシミュレーションした結果を示した図である。同図において、送信信号対ノイズ比が２０ｄＢであり、Nakagami fadingパラメータｍが４である場合シミュレーション結果を比較した図である。同図に示したように、本発明に係る通信システムの受信装置は、積分時間を可変的に使用し平均ビットエラー率に悪影響を及ぼす周波数帯域が高い信号のビットエラー率を低くし、周波数帯域が低い信号のビットエラー率はむしろ高くすることで、全体システムの平均ビットエラー率を低下させ得ることを示している。

図９は、本発明に係る通信システムの受信装置に対する性能を送信信号対ノイズ比について多数個のチャネルパラメータｍ値について示したものである。図７において予測したように、ｍが増加するほど本発明に係る超広帯域通信システムがさらなる性能利得を得ることが分かる。例えば、ｍ＝１６であり、求められるビットエラー率が１０^-5である場合、本発明に係る超広帯域通信システムの受信装置は１ｄＢの性能利得を得る。係る性能利得は、図７で説明した積分段階を有する場合であり、さらに多くの積分手順で積分時間を調整する場合はさらなる性能が得られる。

以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態を図示及び説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

本発明は、マルチバンド超広帯域通信を行う通信システムの受信装置及び受信方法に使用されることが可能である。

マルチバンド超広帯域通信システムにおいて周波数スペクトルを示した図である。 従来のマルチバンド超広帯域通信システムの受信装置に対するブロック図である。 本発明に係る通信システムの受信装置に対するブロック図である。 図３の相関受信部の詳細ブロック図である。 本発明に係る通信システムの受信装置に対する動作方法を説明するための流れ図である。 受信信号対ノイズ比に係るビットエラー率を示した図である。 本発明に係る通信システムの受信装置において積分時間を説明するための図である。 本発明に係る通信システムの受信装置と従来の超広帯域通信システムの受信装置に対する性能をシミュレーションした結果を示した図である。 本発明に係る通信システムの受信装置に対する性能を示した図である。

符号の説明

１００ マルチバンドインデックス発生部
１２０ マルチバンド周波数発生部
１３０ 乗算部
１４０ 相関受信部
１６０ バッファ部
１８０ 信号処理部

Claims (10)

1. 周波数帯域が相異なる複数のサブバンドを順次使用して通信を行なう通信システムの受信装置であって、
   受信信号が伝送されたサブバンドに対応するマルチバンドインデックスを生成するマルチバンドインデックス発生部と、
   前記マルチバンドインデックスに対応して前記受信信号が伝送されたサブバンドに対するマルチバンド周波数を生成するマルチバンド周波数発生部と、
   前記受信信号と前記マルチバンド周波数を有する信号を乗じた信号を出力する乗算部と、
   前記マルチバンドインデックスに対応して設定される積分時間に基づいて前記乗算部で出力される信号を積分して出力する相関受信部と、
   前記相関受信部から出力される信号が所定のデータ率で出力されるようバッファリングするバッファ部と、
   を含み、
   前記積分時間は、前記受信信号が伝送されたサブバンドに対応して可変的に設定されることを特徴とする通信システムの受信装置。
2. 前記バッファ部から出力された信号を信号処理し、送信先より伝送されて来た信号を復元する信号処理部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の通信システムの受信装置。
3. 前記相関受信部は、
   前記マルチバンドインデックスに対応して前記積分時間を算出する受信積分時間調整器と、
   前記積分時間を用いて前記乗算部から出力される信号を積分して出力する相関器と、
   前記相関器から出力される信号を前記積分時間に基づいてサンプリングし出力するサンプラーと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の通信システムの受信装置。
4. 前記積分時間は、中心周波数の高いサブバンドが中心周波数の低いサブバンドより大きくなるように設定することを特徴とする請求項１に記載の通信システムの受信装置。
5. 前記通信システムは、使用周波数帯域の全域を多数個のサブバンドに分けて当該サブバンドを情報の伝送に使用するマルチバンド超広帯域通信システムであることを特徴とする請求項１に記載の通信システムの受信装置。
6. 周波数帯域が相異なる複数のサブバンドを順次使用して通信を行なう通信システムの受信方法であって、
   受信信号が伝送されたサブバンドに対応するマルチバンドインデックスを生成するステップと、
   前記マルチバンドインデックスに対応し前記受信信号が伝送されたサブバンドに対するマルチバンド周波数を生成するステップと、
   前記受信信号と前記マルチバンド周波数とを乗じた信号を出力するステップと、
   前記マルチバンドインデックスに対応して設定される積分時間に基づいて前記受信信号とマルチバンド周波数とを乗じた信号を積分して出力するステップと、
   前記積分され出力される信号が所定のデータ率で出力するようにバッファリングするステップと、
   を含み、
   前記積分時間は、前記受信信号が伝送されたサブバンドに対応して可変的に設定されることを特徴とする通信システムの受信方法。
7. 前記バッファリングされて出力される信号を信号処理して送信先より伝送されて来た信号を復元するステップを更に含むことを特徴とする請求項６に記載の通信システムの受信方法。
8. 前記積分して出力するステップは、
   前記マルチバンドインデックスに対応して前記積分時間を算出するステップと、
   前記積分時間を用いて前記受信信号と前記マルチバンド周波数とを乗じた積分値を出力するステップと、
   前記積分値を前記積分時間に基づいてサンプリングし出力するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の通信システムの受信方法。
9. 前記積分時間は、中心周波数の高いサブバンドが中心周波数の低いサブバンドより大きくなるように設定することを特徴とする請求項６に記載の通信システムの受信方法。
10. 前記通信システムは、使用周波数帯域の全域を多数個のサブバンドに分けて当該サブバンドを情報の伝送に使用するマルチバンド超広帯域通信システムであることを特徴とする請求項６に記載の通信システムの受信方法。

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