JP4594295B2 - 可変符号／位相及びパルス間隔時間変調マルチバンドｕｗｂ通信システム - Google Patents

可変符号／位相及びパルス間隔時間変調マルチバンドｕｗｂ通信システム Download PDF

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Description

本発明は、高データレートの通信システムに関するものである。特に、本発明は、高データレートのアプリケーションの超広帯域(UWB:Ultra Wide Bnad)システムについてのシステム及び方法に関するものである。とりわけ、本発明は、毎秒数メガビットのデジタルデータを運ぶように変調されたマルチバンドUWBシステムに関するものである。
時々、UWBはインパルス無線又はゼロ・キャリア(zero-carrier)技術と呼ばれる。インパルス無線システムは、短持続時間のパルス列と、一般的に10-1000ピコ秒の比較的低いデューティサイクルでの広帯域パルスとの伝送により特徴付けられる。あるシステムでは、これらのパルスは、瞬時パルス帯域幅が中心周波数のオーダにあるほどである。
従来のUWB通信システムは、狭帯域又はスペクトル拡散システムよりかなり大きい帯域でエネルギーを伝送する。それは、通常1ns以下の非常に狭いパルス幅を有するパルス列信号を使用することにより、ベースバンド伝送を実行するように設計されている。
その低い信号密度のため、UWBの実装は他の無線システムとあまり干渉せず、従来技術の無線通信システムにより使用される周波数帯域に重なり得る技術であると期待されている。更に、その超広帯域のため、UWBは、パーソナルエリアネットワーク(PAN:personal area network)で100Mbpsのオーダの超高速無線伝送に使用されると期待されている。これは、FCCの採択であるUWB通信の3.1〜10.6GHzによりサポートされ、これに基づいて、数百万ものUWBベースのシステムが近い将来使用されると予想される。
大部分で、従来技術のUWBの実装は、パルス振幅とパルス間間隔が大きくされ得る低パルス繰返し率での低データレートのアプリケーションを対象としている。これは、よく言われるUWBの利点を生じている。すなわち、マルチパス干渉のような干渉に対する復元力を生じている。しかし、将来のアプリケーションは、100Mb/s〜500Mb/sの範囲の更に高データレートを必要とし、このようなシステムの従来の技術は、高パルス繰返し率を必要とするようになるため、連続するパルス間間隔を小さくし、UWBシステムをマルチパス干渉しやすくする。
従って、マルチパス干渉を回避する高データレートのUWB通信システムへの低コストの手法の必要がある。本発明のシステム及び方法は、各帯域範囲の範囲がほぼ等しいマルチバンド手法を使用するそのようなUWB通信システムを提供する。
本発明の各帯域で、柔軟な変調機構は、サブバンドチャネル状態へのデータレートの適応を可能にする。各帯域で、時間、振幅及び位相変調が使用される。更に、十分なマルチパス干渉の低減を提供するために、擬似乱数周波数シーケンスが使用される。
以下の説明において、限定ではなく説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために、特定の通信局アーキテクチャのような特定の詳細、無線ネットワークトポロジ、インタフェース、シミュレーション結果等が示されている。しかし、当業者に明らかなように、本発明は、これらの特定の詳細を逸脱した他の実施例でも実施され得る。
図１ａは、本発明の実施例が適用される代表的な無線アドホックUWBピコネットを示している。図１ａに示すように、異なる種類の通信ユニット100は、無線リンク110を通じてピア・ツー・ピアにのみ基づいて通信する。図１ｂは、本発明の実施例が更に適用される代表的な無線UWBネットワークを示しえいる。図１ｂに示すように、ピコネット通信の異なる種類の通信ユニット100は、無線リンク110を通じたピア・ツー・ピアに基づいて通信するだけでなく、もともとピコネットを確立した制御ポイント130との無線リンク120を通じて通信する。本発明の主要な原理は、通信ユニット100の双方の種類のUWBピコネットが相互に近くにあるときに、相互に最小に干渉する機構を提供することである。
次に、図２ａの送信サブシステム(235)を参照すると、図１ａ−ｂのUWBピコネットのいずれかの無線通信ユニット100は、本発明の実施例が適用される図２ａのブロック図に示すアーキテクチャを備えた送信サブシステム(235)を有してもよい。図２ａに示すように、通信ユニットは、情報源200と、変調器220と、出力段階230又は送信機と、コントローラ240と、周期的タイミング信号を提供する時間基準250と、アンテナ260と、擬似乱数雑音源270とを有してもよい。コントローラ240は、情報信号を検出し、サブバンドチャネル状態に基づいて、使用される時間、振幅及び位相変調を決定し、変調器220に決定した変調を指示する。図２ａの例示的なシステムは説明目的である。UWB出力段階230は、アンテナ260に結合され、伝搬媒体231を介して所望のデータを送信する。図２ａの例示的なシステムは説明目的であり、例えば、アンテナはケーブルでもよく、またアンテナとして構成された集積回路でもよい。
次に、図２ｂの受信サブシステム(295)を参照すると、図１ａ−ｂのUWBピコネットの無線通信ユニット100は、本発明の実施例が適用される図２ｂのブロック図に示す受信アーキテクチャを備えた受信サブシステム(295)を有してもよい。図２ｂに示すように、例示的なUWB通信ユニットは、復調器280と、受信機290と、コントローラ240と、周期的タイミング信号を提供する時間基準250と、アンテナ260と、擬似乱数雑音源270とを有してもよい。アンテナ260は、伝搬インパルス無線信号を受信する受信機290に結合されて図示されているが、他の実施例も可能である(例えばアンテナの代わりにケーブルが伝搬媒体になる)。コントローラ240は、受信機290により送信信号の受信を検出し、サブバンドチャネル状態に基づいて、使用された時間、振幅及び位相変調を決定し、復調器280に決定した変調を指示する。図２ｂの例示的なシステムは説明目的に過ぎない。
この説明は、特定の送受信システムの説明で一般的に使用される用語に言及することがあるが、ここに提示される説明及び概念は、図２ａ−ｂに示すものと異なるアーキテクチャを有するシステムを含み、他の処理システムにも同等に適用される。更に、図１ａ−ｂに示すピコネットは、一般的にピコネットに参加する更に多くの通信ユニットを有してもよく、図示の大きさは、説明目的の容易性のみのため簡略化している。
UWBチャネルがN帯域に分割され、各帯域にパルス波形h(t,l)、l=1...Nが使用されることを仮定する。その場合、UWB無線出力段階230の出力は、次のように記述され得る。
Figure 0004594295
 ここで、
an及びbnは振幅又は位相変調データであり、
cn及びdnは差分時間変調データであり、
f(n)は周波数帯域成分であり、
τchはチャネル化目的又はデータを伝える更なるチャネルの小時間単位であり、
τは位置変調の小時間単位であり、
Tはパルス間間隔である。
図３に示す第１の実施例は、時間／位相変調パルスのシーケンスを提供する。各パルスは、特定の帯域を通じて伝送される。例えば、最初のパルスは3.2〜3.7GHz帯域(500MHz帯域幅)を通じて運ばれることが好ましく、その後のパルスは残りの帯域で運ばれることが好ましい。図３に示す好ましい実施例では、帯域毎の２つのサブパルスは、UWB出力段階又は送信機230により同時に送信される。代替実施例では、帯域毎に１つのみのサブパルスがUWB出力段階又は送信機230により同時に送信される。すなわち、前記の等式(1.1)のan又はbnはゼロに設定される。
その他の好ましい実施例では、図４ａ−ｃは、UWBパルスのマルチバンド伝送を表す周波数ドメインを示している。図４ａは単一の帯域の伝送を示しており、図４ｂは３帯域の伝送を示しており、図４ｃは中間の１帯域400がスキップされている６帯域の伝送を示している。時間ドメインでは、マルチバンド伝送は、パルス間間隔(T)が最大化になるように時間多重化されて運ばれる。この実施例により、より優れた低コストの受信機の実装が可能になる。
本発明の利点は、各帯域の帯域幅や、データレートや、実装の複雑性や、伝送品質のようなリソースを交換する際の柔軟性である。好ましい実施例では、一方の帯域は20Mb/sのデータを運び、他方の帯域は30Mb/sのデータを運ぶ。帯域毎のデータレートの割り当ては、アプリケーションの要件とサブチャネルの容量とに基づく。
この柔軟性を更に示すため、表１に、リソースの組み合わせの実施例を記載する。第１列は、20Mb/sのペイロードを運ぶ１帯域のUWBシステムを示している。それは10Ms/sのシンボルレートを使用し、各シンボルは一方で振幅／位相を介して他方で位置を介して2ビットのデータを運ぶ。第２列は、５帯域を使用する110Mb/sのシステムを示している。シンボルレートは10Ms/sに保持されている。30bit/シンボル(チャネル毎のシンボル毎に3ビットであり、1ビットは位相であり2ビットは位置である)が送信される。他の列も対応の好ましい実施例を示している。
好ましい実施例では、チャネルの状態とアプリケーションの要件とに応じて、帯域毎のビットレートは都合良く調整可能である。例えば、好ましい実施例では、一方の帯域はシンボル毎に2ビットを運んでもよく、他方はシンボル毎に4ビットを運んでもよい。
Figure 0004594295
 表１の実施例は、帯域毎の低シンボルレートを示している。このような低シンボルレートのシステムにより、マルチパス干渉に対する復元力のある送受信システムの設計が可能になる。
限定ではなく、一例として、図５は、５帯域の120Mb/sのUWBシステムの実装についてシミュレーション結果を示している。位置部分は帯域／シンボル毎に2ビットを運び、振幅部分は帯域／シンボル毎に1ビットを運ぶ。位置部分の時間ステップは2.5nsである。各パルスの帯域幅は約500MHzである。図示のように、位置部分の性能は振幅部分よりわずかに悪い。
本発明は、その要旨又は本質的な特徴を逸脱することなく、他の特定の形式に具現されてもよい。提供された実施例は一例に過ぎず、限定の意味で提供されているのではない。本発明の範囲は、前述の説明ではなく特許請求の範囲により示されており、そのため、特許請求の均等の意味及び範囲内にある全ての変更は、これに含まれることを意図する。
ピア・ツー・ピア通信のみで通信する通信システムの無線ネットワークである。 制御ポイントにより確立及び制御され、通信局が制御ポイントを通じて及びピア・ツー・ピアに基づいて通信する無線ネットワークである。 本発明の実施例が適用される例示的なUWB通信局(送信機部分を示す)のアーキテクチャの簡単なブロック図である。 本発明の実施例が適用される例示的なUWB通信局(受信機部分を示す)のアーキテクチャの簡単なブロック図である。 マルチバンドのシンボル位置のUWB変調機構である。 マルチバンド手法を表す周波数ドメインである。 マルチバンド手法を表す周波数ドメインである。 マルチバンド手法を表す周波数ドメインである。 ５帯域の120Mb/sのデータレートのUWBシステム(8MHzのシンボルレート)のシミュレーション結果である。

Claims (13)

  1. 超広帯域技術を使用してデータを伝送する方法であって、
    (a)(a.1)一連のUWB信号パルスとしてUWBチャネルを提供するステップと、
    (a.2)前記UWBチャネルをN帯域に分割するステップと、
    (a.3)前記Nに分割された帯域の各帯域を通じて、前記一連の各パルスを送信するステップであり、N>3の場合に、前記送信するステップは、(a.3.3)前記N帯域の少なくとも１つの中間の帯域をスキップするステップを更に有するステップと、
    (a.4)時間／位相と周波数と振幅とを有するグループから選択された少なくとも１つの変調技術を使用して、前記Nの帯域の各帯域内で前記UWBパルスを柔軟に変調するステップであり、前記柔軟に変調するステップは、各帯域の帯域幅、データレート、実装の複雑性及び伝送品質のようなリソースの交換を有し、更に、帯域毎のデータレートのそれぞれの割り当てを(i)UWBアプリケーション及び(ii)前記UWBアプリケーションの対応するサブチャネルの状態の要件に基づいて行うことを有し、(a.4.1)十分なマルチパス干渉の減少を提供するために擬似乱数雑音周波数シーケンスを使用するステップを更に有するステップと
    を実行するように構成された送信サブシステムを提供するステップと、
    (b)(b.1)N帯域に分割されたUWB信号を受信するステップと、
    (b.2)前記N帯域をUWBチャネルに結合するステップと、
    (b.3)前記結合したN帯域から一連のUWBパルスを導くステップと
    を実行するように構成された受信サブシステムを提供するステップと
    を有する方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、
    前記分割するステップ(a.2)は、
    (a.2.1)各帯域の範囲がほぼ等しいように前記UWBチャネルを分割するステップ
    を更に有する方法。
  3. 請求項１に記載の方法であって、
    前記送信するステップ(a.3)は、
    (a.3.1)前記N帯域の3.2〜3.7GHz帯域を通じて、提供された前記一連の第１のパルスを送信するステップと、
    (a.3.2)前記N帯域の第１でない帯域で、前記一連の前記第１のパルス以外の何らかのパルスを送信するステップと
    を更に有する方法。
  4. 請求項１に記載の方法であって、
    (a.5)パルス間間隔が最大になるように時間多重化されて、マルチバンド伝送を運ぶステップ
    を更に有する方法。
  5. 請求項１に記載の方法であって、
    N=2の場合に、
    (a.6)第１の帯域で20Mb/sを運ぶステップと、
    (a.7)第２の帯域で30Mb/sを運ぶステップと
    を更に有する方法。
  6. 請求項１に記載の方法であって、
    (a.9)前記N帯域のうち第１の帯域でシンボル毎に2ビットを運ぶステップと、
    (a.10)前記N帯域のうち第２の帯域でシンボル毎に4ビットを運ぶステップと
    を更に有する方法。
  7. 請求項１に記載の方法であって、
    (a.11)前記UWBアプリケーションの要件に基づいてリソースを割り当て、前記リソースは、帯域数と、変調と、シンボルレート／帯域と、生のビットレートと、シンボル間隔と、パルス間間隔とのうち少なくとも１つであるステップ
    を更に有する方法。
  8. 請求項７に記載の方法であって、
    (a.12)チャネル毎のシンボル毎にnビットを割り当て、mは位置を介して運ばれ、n-mは振幅／位相を介して運ばれるステップ
    を更に有する方法。
  9. マルチバンド超広帯域(UWB)通信システムの装置であって、
    UWBチャネルをN帯域に分割するように構成されたコントローラと、
    柔軟に変調されたパルスのシーケンスを提供するように構成され、前記UWBチャネルの各帯域内で、時間／位相と周波数と振幅とを有するグループから選択された少なくとも１つの変調技術を柔軟に使用する変調器であり、前記柔軟に変調することは、各帯域の帯域幅、データレート、実装の複雑性及び伝送品質のようなリソースの交換を有し、更に、帯域毎のデータレートのそれぞれの割り当てを(i)UWBアプリケーション及び(ii)前記UWBアプリケーションの対応するサブチャネルの状態の要件に基づいて行うことを有する変調器と、
    前記N帯域のうちそれぞれ１つを通じてそれぞれの柔軟に変調されたパルスを送信するように構成された送信機であり、N>3の場合に、前記N帯域の少なくとも１つの中間の帯域をスキップするように更に構成された送信機と、
    十分なマルチパス干渉の減少を提供するために擬似乱数雑音周波数シーケンスが前記変調器に入力され、前記変調器により使用される擬似乱数雑音周波数シーケンス源と
    を有する送信サブシステムと、
    前記N帯域を通じて送信されたUWB信号を受信するように構成された受信機と、
    前記受信した信号を変調パルスのシーケンスに結合するように構成されたコントローラと、
    前記変調パルスのシーケンスを復調するように構成された復調器と
    を有する受信サブシステムと
    を有する装置。
  10. 請求項９に記載の装置であって、
    前記送信機は、アンテナと、ケーブルと、アンテナとして機能する集積回路(IC)とを有するグループから選択された送信手段を更に有し、
    前記受信機は、アンテナと、ケーブルと、アンテナとして機能する集積回路(IC)とを有するグループから選択された受信手段を更に有する装置。
  11. 請求項９に記載の装置であって、
    前記N帯域のそれぞれの範囲はほぼ等しい装置。
  12. 請求項９に記載の装置であって、
    前記送信機の出力は、以下の等式
    Figure 0004594295
     ただし、
    an及びbnは振幅又は位相変調データ、
    cn及びdnは差分時間変調データ、
    f(n)は周波数帯域成分、
    τchはチャネル化目的又はデータを伝える更なるチャネルの小時間単位、
    τは位置変調の小時間単位、
    Tはパルス間間隔
    により記述される装置。
  13. 請求項１２に記載の装置であって、
    前記マルチバンド伝送は、パルス間間隔Tが最大になるように時間多重化されて運ばれる装置。
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