JP4641227B2

JP4641227B2 - 超広帯域通信システムにおける通信方法

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Publication number: JP4641227B2
Application number: JP2005227920A
Authority: JP
Inventors: ザファー・サヒノグル; シナン・ジェジチ
Original assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: EP1630967B1; EP1630967A3; DE602005002703D1; US20060039447A1; US7539267B2; JP2006060804A; DE602005002703T2; EP1630967A2

Description

本発明は、包括的には無線通信システムに関し、より詳細には超広帯域（ＵＷＢ）システムに関する。

連邦通信委員会（ＦＣＣ）による２００２年２月１４日の「First Report and Order」の公表に伴い、超広帯域（ＵＷＢ）システムへの関心が大幅に高まった。ＵＷＢシステムは、情報を少なくとも５００ＭＨｚの広帯域にわたって分散させる。この分散操作により、パワースペクトル密度は小さい。したがって、狭帯域受信器に対する干渉も小さい。

低データレートＴＲ−ＵＷＢ（transmitted reference UWB：基準伝送ＵＷＢ）システム向けの送信器が、R. HoctorおよびH. Tomlinson著「Delay-hopped transmitted-reference RF communications」Proceedings of the IEEE Conference of Ultra Wideband Systems and Technologies 2002 (UWBST '02), pp. 265-269, May 2002、N. v. Stralen、A. Dentinger、K. Welles II、R. Gaus、R. Hoctor、およびH. Tomlinson著「Delay hopped transmitted reference experimental results」Proceedings of the IEEE Conference of Ultra Wideband Systems and Technologies 2002 (UWBST '02), pp. 93-98, May 2002、F. TufvessonおよびA. F. Molisch著「Ultra-wideband communication using hybrid matched filter correlation receivers」Proc. IEEE Vehicular Technology Conference (VTC 2004 Spring), Milan, Italy, May 17-19, 2004、ならびにJ. D. ChoiおよびW. E. Stark著「Performance of ultra-wideband communications with suboptimal receivers in multipath channels」IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.20, issue 9, pp. 1754-1766, December 2002に記されている。

こういった低データレートシステムは、インパルス無線（ＩＲ）システムの厳格なタイミング要件を緩和する（M. Z. Win、R. A. Scholtz著「Impulse radio: How it works」IEEE Communications Letters, 2(2): pp. 36-38, Feb. 1998）とともに、いずれのチャネル推定も必要ない。チャネル推定は、コヒーレントＵＷＢ受信器にとっては難しい作業である（Lottici、A. D'Andrea、およびU. Mengali著「Channel estimation for ultra-wideband communications」IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 20, issue 9, pp. 1638-1645, December 2002）。

従来技術では、２つの基本的な受信器方式、すなわち整合フィルタを備えたＲＡＫＥ受信器（Choi等参照）、およびパルス相関器を使用する基準伝送方式（Hoctor等著「Delay-hopped transmitted reference RF communications」IEEE Conf. on Ultra Wideband Systems and Technologies, pp 265-270, 2002参照）が知られている。

ＲＡＫＥ手法では、選択された数のマルチパス成分の結合にチャネル推定が必要である。受信器の構造はかなり複雑であるため、１つまたは少数の最強マルチパス成分のみが決定変数の形成に使用される。これは、受信器がマルチパス成分をすべて完全に解明するわけではなく、パフォーマンスは、固有のチャネル推定および結合問題により理想に満たないことを意味する。ＲＡＫＥフィンガの数を増やすと、システムの複雑性およびコストが増大する。

基準伝送方式では、伝送パルス対が各データシンボルに使用される。最初のパルスは、基準パルスと呼ばれ、データシンボルによって変調されない。２番目のパルスは、データパルスと呼ばれ、データシンボルによって変調される。基準パルスおよびデータパルスは、時間遅延によって隔てられる。受信器は、時間を揃えたパルスを乗算することによってデータシンボルを復元し、これにより相関ピークが大きくなる。異なるピークは、すべて同じ位相を有する。この位相は、データシンボルの値によって求められるため、利点として、積分器によって合算することができる。この方式は、複雑性がより低く、チャネル推定なしで異なるマルチパス成分からのエネルギーを結合することが可能である。不都合なことに、乗算器の出力は、決定変数を形成する際の雑音項に対する非線形演算により、また、基準パルスを送信する際の固有のエネルギー損失により、かなり不良な信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する。この結果、時間の経過に伴って積分される雑音×雑音項が大きくなる。受信信号は、整合フィルタを通過させて、雑音×雑音項の影響を低減する（Tufvesson 等参照）か、または、平均化演算を行うことができる（Choi等参照）。しかし全体的に、基準伝送方式は、雑音積により、理想的なＲＡＫＥ手法と比較して低いパフォーマンスを有する。

従来技術では、１つのパルス種別が、所与の送信器と受信器との間で通信されるすべての信号に使用される。すなわち、すべての基準パルスおよびすべてのデータパルスは、同じ種別のものであり、たとえば、すべてガウスパルス、または別法としてモノサイクルガウスパルスである。すべての信号を同じパルス種別にすることにより、フレーム間干渉（ＩＦＩ：inter-frame interference）および多重アクセス干渉（ＭＡＩ：multi-access interference）の可能性が増大する。したがって、ＩＦＩおよびＭＡＩを低減するＵＷＢシステムが必要である。

本発明は、マルチパルス基準伝送インパルス超広帯域通信システムにおいて無線信号を送受信する方法およびシステムを提供する。

データシンボルを送信するには、送信器が、それぞれ異なる種別の複数の基準パルス、および数および種別が基準パルスの数および種別に対応する複数のデータパルスを送信する。パルスは、パルスの数および種別に依存する所定の構造に従って送信される。複数の異なる種別のパルスを使用することにより、干渉が低減する。

従来技術でのように、基準パルスおよびデータパルスを各フレームで送信するのではなく、本発明は、Ｎ_ｐ個の異なる基準パルスのセットを最初からＮ_ｐ個のフレームでまず送信する。次いで、Ｎ_ｐ個の異なるデータパルスのセットが次のＮ_ｐ個のフレームで送信され、以下同様に、基準パルスのセットとデータパルスのセットが交互に送信される。

受信器は、Ｎ_ｐ個の並列分岐によって受信信号を処理する。各分岐は、各種別のパルス特有のテンプレート信号を使用することにより、特定の種別のパルスから情報を集める。Ｎ_ｐ個の並列分岐の決定変数が結合されて、受信器の出力データシンボルが推定される。

本発明によるシステムは、複数の異なるパルスを使用して、干渉除去を向上させることを容易にする。システムの複雑性制約、干渉の影響、および信号対雑音比は、異なるパルス種別数Ｎ_ｐを選択する際に考慮すべき主な要因である。

異なる分岐が異なるパルス種別に使用されるため、本発明では、等利得合成、またはパルス種別による重み付け等、異なる結合方式を使用し、異なるパルス種別からの寄与に関して硬判定および多数決判定を採用することが可能である。

信号構造
本発明による超広帯域（ＵＷＢ）システムの送信信号ｓ（ｔ）は、下式として表される。

式中、Ｎ_ｆは、情報ビットまたはデータシンボル１つ当たりのパルス数であり、Ｎ_ｐは異なるパルス種別の数であり、ｎはパルス種別のインデックスであり、ｉはデータシンボルのインデックスである。説明を簡潔にするために、パルスの数Ｎ_ｆは、データシンボルの数の偶数倍であると仮定する。しかし、これは必要なことではない。変数ｓ_ｎ，ｉ（ｔ）は、下式として表される。

式（２）中、ｗ_ｎ（ｔ）は、種別ｎのＵＷＢパルスであり、Ｔ_ｆは、フレーム間隔であり、Ｔ_ｃは、チップ間隔である。タイムホッピング（ＴＨ：time-hopping）コードがｃ_ｊで示され、これは、セット｛０，１，・・・，Ｎ_ｃ−１｝中の値をとる整数であり、Ｎ_ｃは、１フレーム当たりのチップ数である。これにより、異なるユーザ同士の破滅的な衝突が回避される。

ランダム極性コード、または分散コードｄ_ｊ∈｛−１，＋１｝がパルスの極性を変更し、送信信号のパワースペクトル密度を平滑化し（Y.-P. NakacheおよびA. F. Molisch著「Spectral shape of UWB signals influence of modulation format, multiple access scheme and pulse shape」Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference, (VTC 2003-Spring), vol. 4, pp. 2510-2514, April 2003）、多重アクセス干渉（ＭＡＩ：multi-access interference）に対するロバスト性を提供する（E. FishlerおよびH. V. Poor著「On the tradeoff between two types of processing gain」Proceedings of the 40th Annual Allerton Conference on Communication, Control, and Computing, Monticello, IL, October 2, 2002）。

情報ビットまたはデータシンボルは、下式によって示され、データパルスによって搬送される。

換言すれば、式（２）中の２番目のパルスは、データパルスを表し、最初のパルスは、基準パルスを表す。Ｔ_ｎは、ｎ番目のパルス種別の基準パルスとデータパルスとの間の距離を決める。

複数の異なるパルス種別、たとえば、ガウスパルス、ガウシアンモノサイクルパルス、ガウシアンダブレット等が知られている。２００３年９月２日にHall等に発行された米国特許第６，６１４，３８４号「System and method for detecting an intruder using impulse radio technology」を参照願いたい。

図４は、本発明による信号の例４００を示す。図４中のパルスは、実際に、ｗ_０、ｗ_１、およびｗ_２で示される３つの異なる形状を有することに留意されたい。例示的なパルス種別については、米国特許第６，６１４，３８４号を参照願いたい。図４には、３つの異なる基準パルス４０１および３つの対応するデータパルス４０２があり、すなわちＮ_ｐ＝３である。

図示の信号の場合、フレーム４０３の数（Ｎ_ｆ）は１２であり、すなわち、一続きになった６個のパルス４０１〜４０２が２回繰り返される。図４は、１２個のフレームのうちの最初の８個のみを示す。各フレーム内のチップ数（Ｎ_ｃ）４０４は８であり、Ｔ_ｎ＝ΔＴ_ｃ（ｎ＝１，２，３）であり、Δ＝１２である。ＴＨシーケンスは｛５，４，２，１，２，０｝である。簡略化のために、極性コードは示していない。すなわち、ｄ_ｊ＝１∀ｊである。この例では、データシンボルは「−１」であり、１番目、２番目、３番目、７番目、８番目、および９番目のパルスは、基準パルスであり、残りのパルスは、データパルスである。

信号４１１〜４１３は、本発明による受信器において使用されるテンプレートパルスである。以下の図２および図３を参照願いたい。

送信器構造
図１は、本発明による送信器１００を示す。データソース１０１は、データシンボルを生成する。データシンボルの複数コピー１０２〜１０９が、タイミングロジック１１０およびパルスジェネレータ１２０にかけられる。各パルス種別ｗ_０，ｗ_１，・・・，ｗ_Ｎｐ−１につき１つのコピーがある。極性コード１３０がパルスシーケンスに適用され、その後、増幅され（１４０、１５０）、アンテナ１６０を介して送信される。

受信器構造
図２に示す受信器２００では、単一ユーザマルチパス環境での上記送信信号に対応する受信信号２０１は、下式である。

式中、α_ｌおよびτ_ｌは、それぞれ、ｌ番目の経路のフェージング係数および遅延であり、ｎ（ｔ）は、単位スペクトル密度を有するゼロ平均白色ガウスプロセスである。

受信器２００は、各分岐につき１つずつ、一揃いの整合フィルタ２１０を備える。分岐の数は、パルス種別の数に等しい。各フィルタは、対応するテンプレート信号ｓ_ｔｅｍｐ（−ｔ）４１１〜４１３のうちの１つを使用する。各フィルタは、対応する遅延２２０および乗算器２３０に接続される。積分器２５０が使用されて、符号付き（２６０）出力シンボル推定２０９が求められる。

異なるパルス種別に異なる分岐が使用されるため、本発明では、等利得合成またはパルス種別による重み付け等、異なる結合方式を使用し、異なるパルス種別からの寄与に関して硬判定および多数決判定を採用することが可能である。

受信信号２０１は、まず、整合フィルタ２１０を通過する。各フィルタは、対応するテンプレート信号によって決まるような異なるパルス形状に整合する。ｎ番目のフィルタのテンプレート信号は、下式である。

式中、普遍性を失うことなく、０番目のビットが考慮される。

ｎ番目の分岐におけるフィルタの出力２１１は、下式である。

次いで、ｎ番目のフィルタの出力は、遅延したもの２１２で乗算され（２３０）、すべての決定変数｛Ｙ_ｎ｝_ｎ＝０ ^Ｎｐ−１が結合される（２４０）。すべてのｎに関して、Ｔ_ｎ＝Ｎ_ｐＴ_ｆである場合、決定変数の和を、下式で表すことができる。

従って、ただ１つの積分演算子２５０を使用することができる。式（６）中、Ｑは、積分間隔を求める整数である。最後に、符号付き（２６０）情報ビットまたは送信データシンボル２０９を、下式として推定する（２５０）。

式中、異なる分岐からの寄与にも同様に、パルス形状等のいくつかの要因に応じて重み付けすることができる。

別法として、図３に示すように、決定変数として下式を使用して各分岐において求めることができる（３１０）。

多数決ルール、平均化、または他のある判定プロセス３２０を使用してデータシンボル２０９を推定することができる。

利点として、本発明によるシステムは、良好な相互相関属性を有する異なるパルス形状を使用することができるため、多重アクセス干渉およびフレーム間干渉に対する耐性を提供する。

雑音成分および複雑性制約の有効性に応じて、最適なＮ_ｐをシステムに選択することができる。

本発明について好ましい実施形態の例として説明したが、本発明の精神および範囲内で他の様々な適合および変更を行うことが可能であ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、本発明の真の精神および範囲内にあるこのような変形および変更をすべて包含することである。

本発明による送信器のブロック図である。本発明による受信器のブロック図である。本発明による代替の受信器のブロック図である。本発明による超広帯域システムの無線信号のタイミング図である。

Claims

超広帯域通信システムにおける通信方法であって、
複数のデータシンボルを生成することと、
前記複数のデータシンボルのそれぞれに対応した、異なる種別である複数の基準パルスを含む基準パルスのセットを送信することと、
各基準パルス毎に、対応する前記基準パルスの種別と同一種別のデータパルスのセットを、前記基準パルスのセットに続けて送信することと、
前記基準パルスのセット、および前記基準パルスのセットの後に送信されてくる前記データパルスのセットを受信することと、
前記基準パルスに対応する種別ごとに固有のマッチングテンプレートパルスに従って各基準パルスをフィルタリングすることと、
前記データシンボルを復元するために、受信した各データパルスと、受信した前記各データパルスを遅延させたものとを乗算することと
を含む超広帯域通信システムにおける通信方法。
前記基準パルスおよび対応する前記データパルスの各セットは、複数回送信される請求項１に記載の方法。
前記パルスの種別は、ガウスパルス、ガウシアンモノサイクルパルス、ガウシアンモノサイクルパルスの一次導関数、ガウシアンモノサイクルパルスの二次導関数、ガウシアンモノサイクルパルスの三次導関数、およびガウシアンダブレットパルスからなる群から選択される請求項１に記載の方法。
受信した前記データパルスは、前記パルスの種別に従って重み付けられる請求項１に記載の方法。