JP4775747B2 - 無線通信方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、データパケットが無線通信の形で送受信される、無線通信装置、方法及びシステムに関する。

無線通信システムにおいて、無線信号の形をしたデータパケットが送信装置から受信装置に伝送される。通常のタイプのデータパケットは、プリアンブル、ヘッダー及びペイロードという３つのセクションを含んでいる。これら３つのセクションは、図２に示されているように、パケット内に逐次的に配置されている。各セクションは、その特定の目的のために設計されているデータシーケンスを含む。受信装置がパケットを受信する場合、同期化及びチャンネル推定を行なうためにプリアンブルセクションが用いられる。

同期化は、データシーケンス内の個々のデータビットをいかに分離するかについてのタイミング情報を得るためのものである。チャンネル推定は、送信装置と受信装置の間の伝播チャンネルの代表的特徴を推定するためのものである。このとき、パケットの長さ又は主要機能といったようなパケットの制御情報を得るために、ヘッダーセクションが分析される。次に、送信装置から受信装置に転送されるべき実際のメッセージを担持するペイロードセクションが復調される。通常のタイプのデータパケットにおいては、どの２つのセクションの間にも重複は存在しない。

しかしながら、ある種の利用分野においては、データパケットの正常な機能に加えて、より長いプリアンブルシーケンスが望まれる。例えば、受信装置及び送信装置の間の距離を推定することにある測距の利用分野においては、より長いプリアンブルセクションがチャンネル推定及び測距性能における精度の改善に寄与する。それでも、その他のシステム設計上の懸案事項に基づいてデータパケットの全長に対する制限が通常存在する。したがって、現行のデータパケット設計内でより長いプリアンブルに対応することのできる新しいタイプのデータパケットが実際に大きな意義をもつ。

本発明において、本発明者らは、ヘッダー及びペイロードセクションのデータシーケンスでプリアンブルシーケンスが多重化されている新しいデータパケット構造を考案している。換言すると、プリアンブルシーケンスは正規のプリアンブルセクションの中のみならずヘッダー及びペイロードセクションの中にも見られる。例えば、多重化されたプリアンブルシーケンスはコード分割においてヘッダー及びペイロードセクションの正規のデータシーケンスに対し直交又はほぼ直交していてよく、これは大部分の実用的システムにおいて難なく実現できる。新規のパケット設計の利点は、プリアンブルシーケンスの長さに左右されるいくつかの重要なアプリケーションの性能を著しく改善させるという点にある。このようなアプリケーションには、測距及び搬送波検知が含まれる。測距とは、送信装置と受信装置の間の距離を推定することである。１つの受信装置における搬送波検知とは、その受信信号を処理することによって、無線チャンネルがその他の受信装置／ユーザーにより占有されているか否かを決定することである。

本発明は、前記新規のデータパケット構造を利用する無線通信装置、方法及びシステムを提示している。本発明に従った無線通信装置は、前記新規データパケットに従ってパルスシーケンスを発生するパルス発生手段及び無線信号の形で前記パルス発生手段により発生させられた前記パルスシーケンスを伝送する伝送手段を含む。

送信装置から受信装置への無線通信のための無線通信システムであり、ここで、前記送信装置は無線パルスシーケンスの形で前記新規のデータパケットを伝送し、前記受信装置は前記データパケットを受信する。

送信装置から受信装置への無線通信のための無線通信方法には、前記送信装置が無線パルスシーケンスの形で前記新規データパケットを伝送する伝送段階、及び前記受信装置が前記データパケットを受信する受信段階が含まれている。

本発明の一実施形態について上述の図を参照することによって詳細に記述する。

図１は、本発明に従った通信システム１のシステム構成を示す。通信システム１は、ＵＷＢ（超広帯域）技術を利用する点ＡとＢの間の無線通信のためのシステムである。通信システム１は、点Ａにある送信装置２と点Ｂにある受信装置３からなる。

ＵＷＢ技術は、既存の無線通信サービスに割当られたいくつかの周波数帯域に重複する非常に広い周波数範囲にわたり広がる無線周波数エネルギーの意図的な生成及び伝送が関与する、短距離無線通信のための技術である。送信装置２及び受信装置３は、それぞれＵＷＢ信号を伝送及び受信することができる。ＵＷＢ信号は、少なくとも５００ＭＨｚの−１０ｄＢ帯域幅又は０．２を超える部分帯域幅をもつ無線信号として定義づけされている。

図２は、ＵＷＢ信号を伝送する送信装置２のブロック図を示している。

送信装置２は、基本的ＵＷＢ信号を生成するパルス発生セクション２１、あるスペクトル基準に従ってパルス発生セクション２１により生成されたＵＷＢ信号を整形するパルス整形セクション２２、周波数基準信号をミキサー回路２４に供給する局所発振器２３、発振器２３から供給された基準周波数信号を使用することによりパルス整形セクション２２からの出力信号に対する周波数変換を実施するミキサー回路２４、ミキサー回路２４により生成された周波数変換済み信号の帯域幅を制限するためのフィルタ２５、フィルタ２５からの出力信号を増幅する第１の増幅器２６、第１の増幅器２６からの出力信号を放射するアンテナ２７、を含んでなる。

パルス発生セクション２１は、基本ＵＷＢ信号としてＵＷＢパルスシーケンスを発生させる。ＵＷＢパルスは、通常約１ナノ秒又はその数分の１のパルス持続時間の逆数である帯域幅を有する信号である。パルス発生セクション２１により発生させられたパルスシーケンスは直接パルス整形セクション２２に送られる。

パルス整形セクション２２は、ある種のスペクトル必要条件に従ってパルス発生セクション２１により発生させられた基本ＵＷＢ信号を整形する。

局所発信器２３は、ミキサー回路２４内での周波数変換のための周波数基準信号を生成する。基準信号の周波数は、図示していないＰＬＬ（フェーズロックドループ）回路などによって、精密に制御され得る。

ミキサー回路２４は、局所発信器２３から生成される周波数基準信号を用いることによって、パルス整形セクション２２からの出力信号を所望の周波数帯域へと変換する。

帯域通過フィルタ２５は、所望の帯域を超える望ましくないスペクトル成分を除去することによって、所望の周波数帯域内にミキサー回路２４からの出力信号を制限する。フィルタ２５からの出力信号は、第１の増幅器２６に直接補給される。

第１の増幅器２６は、フィルタ２５からの出力信号を増幅し、信号スペクトルが所望の周波数帯域内で平坦になるような形で信号をさらに修正する。

アンテナ２７は、点Ｂにおいて受信装置３により受信されるべき無線信号が空間内へと波動するにつれて、第１の増幅器２６から生成された出力信号を放射する。

図３は、送信装置２から伝送されたＵＷＢ信号を受信する受信装置３のブロック図を示す。

受信装置３は、空気中を送信装置２から伝送された無線信号を捕捉するアンテナ３１、アンテナ３１から出力信号の望ましくないスペクトル成分を除去する帯域通過フィルタ３２、フィルタ３２からの出力信号を増幅する低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）３３、ＬＮＡ３３からの出力信号を推定する検出装置３４を含んでなる。

アンテナ３１は、空気中を送信装置２から伝送されたＵＷＢ無線信号を捕捉し、この無線信号を電気信号に変換する。

帯域通過フィルタ３２は、所望の帯域幅を超える望ましくないスペクトル成分を除去することにより、所望の周波数帯域内にアンテナ３１からの出力信号を制限する。

ＬＮＡ３３は、信号中に含まれたノイズ成分の増幅がある一定のレベルより低く制御されるような形で、フィルタ３２からの出力信号を増幅する。ＬＮＡ３３により生成された増幅済み信号は、検出装置３４に送られる。

検出装置３４は、ＬＮＡ３３からの出力信号を推定する。

図４は、正規データパケット４の構造を例示する。無線信号の形をしたパケット４は、送信装置２から受信装置３に伝送され得る。

正規データパケット４は、３つのセクション、すなわち、パケット４内に逐次的に配置されているプリアンブルセクション５、ヘッダーセクション６及びペイロードセクション７からなる。各セクションは、その特定の目的のために設計されたデータシーケンスを含む。受信装置３がパケット４を受信する場合、同期化及びチャンネル推定を行なうためにプリアンブルセクション５が用いられる。

同期化は、データシーケンス内の個々のデータビットをいかに分離するかについてのタイミング情報を得るためのものであり、チャンネル推定は、送信装置と受信装置の間の伝播チャンネルの代表的特徴を推定するためのものである。このとき、プリアンブルセクションから得られた同期化及びチャンネル条件についての情報を使用することにより、ヘッダーセクション６及びペイロードセクション７内のデータが復調される。一般に、ヘッダーは、パケットの長さ又は主要機能のようなパケットの制御情報を含み、ペイロードは、送信装置から転送されるべき実際のメッセージを担持している。

正規のデータパケット内では、プリアンブル、ヘッダー及びペイロードセクションが逐次的に配置されているという点を強調しておく必要がある。換言すると、どの２つのセクション間にも全く重複はない。

図５は、本発明に従った新規のデータパケット８の構造を示している。

本発明における新規データパケット８と正規のパケット７との間の主たる差異は、ヘッダーセクション６及びペイロードセクション７に対し追加のプリアンブルシーケンス９が付加又は重畳されているという点にある。したがって、実際、新規データパケット８のすべてのセクション（プリアンブルセクション５、ヘッダーセクション６及びペイロードセクション７）内にプリアンブルシーケンスが存在している。したがって、新規のタイプのデータパケットを使用することによって、プリアンブルシーケンスの長さに左右されるいくつかの重要なアプリケーションの性能を著しく改善させることができる。このようなアプリケーションとしては、測距及び搬送波検出が含まれる。測距とは、送信装置と受信装置の間の距離を算定することである。１つの受信装置における搬送波検知とは、その受信信号を検査することによって、無線チャンネルがその他の受信装置／ユーザーにより占有されているか否かを決定することである。一方で、重畳されたプリアンブルの導入は、ヘッダー及びペイロードセクションのデータ復調に対する干渉を導入し得る。このような干渉を削減し、データ変調の性能を維持するためには、多重化されたプリアンブルシーケンスの出力レベルをヘッダー及びペイロードセクション内のデータシーケンスのよりもはるかに低いものとなるように同調させることができる。一般に、重畳されたプリアンブルの７ｄＢから１０ｄＢへの出力削減が、データ復調に対する干渉を削減するのに充分である。

図６は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ規格に適用され得る新規データパケット８の一例を示している。

図６中の横軸は、時間を表わし、一方縦軸は本発明におけるデータシーケンスの出力レベルを表わしている。プリアンブルシーケンスは、データパケットの３つのセクションのすべての中に現われる記号ｓ１の反復により構築されている。記号ｓ２は、２ＰＰＭ（パルス位置変調）及び８ＰＰＭのような特定の変調スキームに従ってヘッダー及びペイロードセクション内の情報データを変調するために使用される。プリアンブルセクション内の正規のプリアンブルシーケンスの出力レベルは、ヘッダー及びペイロードセクション内の記号ｓ２を構成するデータシーケンスと同じであり、それでも、重畳されたプリアンブルの出力レベルよりはるかに高い。

図７は、パルスバースト及び長い沈黙期間、すなわち空き周期を含む記号ｓ１の一例を提供している。ＵＷＢ信号は、我々の第１の関心の的であることから、パルスの帯域幅又は比帯域幅にはいくつかの制約が課せられる。パルスバーストは、例えば図５におけるコードｃ１といったようないくつかの従来のコードに従って設計される。コードｃ１のパルス形状は、５００ＭＨｚの帯域幅及び２ｎｓの持続時間をもつルートコサイン波形である。パルスバーストは、長さ３１の３進コード、具体的にはｃ１＝［＋０＋０００−＋−＋＋００＋＋０＋００−００００−０＋０−−］に従って構築され、ここでコードｃ１中の正負符号「＋」及び「−」は、相対する極性をもつパルスにより表わされ、記号「０」は、図７に示されているように、その時間的間隔中にいかなるパルスも伝送されないことを意味する。

図８は、データ変調スキーム２ＰＰＭ（パルス位置変調）を伴う記号ｓ２の一例を提供している。

２ＰＰＭでは、２進データ「０」及び「１」を表わす、等しい持続時間Ｌをもつ２つの記号が存在する。合計持続時間Ｌは、例えばｔ１１及びｔ１２といった２つのタイムスロットに分割される。２進データ「０」については、タイムスロットｔ１１はパルスバーストと沈黙期間により占有され、一方タイムスロットｔ１２は完全に空である。これとは対照的に、２進データ「１」については、タイムスロットｔ１１は空であり、タイムスロットｔ１２はパルスバーストと沈黙期間により占有されている。２進記号「０」及び「１」の中に含まれるパルスバーストは同じでなくてはならない。パルスバーストは、ｃ２で表示されている何らかのコードに従って設計される。コードｃ２の１つの必要条件は、それが、記号ｓ１内で採用されるコードｃ１に対し直交又はほぼ直交しなければならないということにある。例えば、コードｃ１が長さ３１の３進コードであるとすると、コードｃ２は、コード長８のウォルシュコード、特にｃ２＝［＋−−＋−＋＋−］であり得る。コードｃ１と同様に、コードｃ２の中の正負符号「＋」及び「−」は、反対の極性をもつパルスにより表わされる。

以下では、いくつかの数値的結果を検討することにより、新規データパケットの有効性を示す。

第１に、数値例の中で採用されたシステムパラメータについて記述される。図７に示されているように、コード長３１の３進コードが、プリアンブル記号ｓ１内のパルスバーストを変調するためのコードｃ１として用いられる。ヘッダー及びペイロードセクションの変調スキーム２ＰＰＭでデータ記号ｓ２中のパルスバーストを変調させるためのコードｃ２として、図８に示されているような長さ８のウォルシュコードが用いられる。５００ＭＨｚの帯域幅及び２ｎｓの持続時間をもつルートコサイン波形が、パルスバーストｃ１及びｃ２の両方を構築する基本パルスとして取上げられる。記号ｓ１及びｓ２の持続時間はそれぞれ１ｕｓ及び０．５ｕｓである。図６に示されているように、プリアンブルシーケンスは、記号ｓ１の反復からなる。ヘッダー及びペイロードセクションは、２つの構成要素を含む。すなわち、１つはヘッダー及びペイロードの正規のデータ情報を表わすデータ記号の１シーケンスであり、もう１つの構成要素は、ｓ１の反復のプリアンブルシーケンスである。プリアンブルセクションの３つの持続時間、すなわち５００ｕｓ、１ｍｓ、４ｍｓ及び、２５６ｕｓのヘッダー及びペイロードセクションが採用される。

重畳されたプリアンブルシーケンスの出力レベルは、正規のプリアンブルシーケンス及びヘッダー及びペイロードセクション内のデータシーケンスのものよりもはるかに低い。以下の数値結果では約７〜１５ｄＢの減少が見られる。重畳されたプリアンブルの出力レベルを削減することの利点は３つある。すなわち、第１に、重畳されたプリアンブルは、ヘッダー及びペイロードセクションのデータ復調に対する干渉をひき起こさない。第２に、結果としてのエネルギー消費は、無視できるほど小さい。第３に、重畳されたパルスのエネルギーレベルは低いものの、プリアンブル記号ｓ１の反復を活用することにより性能の向上が保証される。したがって、要するに、新規データパケット構造は、データパケットの正規の機能を維持しながらプリアンブルシーケンスに応じてアプリケーションの性能を大幅に改善することができる。

次に、新規データパケットに関する２つの数値結果を提示する。

図９は、データ情報のパルスエネルギー（pulse_data）と重畳されたプリアンブルのパルスエネルギー（pulse_pre-in-data）との間のＰと表示される比率に対する、全データパケットにより用いられる全エネルギーと比較した重畳されたプリアンブルにより消費される追加エネルギーの比率の関係を示す。図９中の横軸はＤＢ単位のpulse_data/pulse_pre-in-data(=P)を表わし、一方縦軸は、重畳されたプリアンブル内に用いられるエネルギー比率を表わしている。図９中のプロットは、プリアンブルセクションの３つの持続時間（５００ｕｓ、１ｍｓ、４ｍｓ）を例示している。

追加エネルギー消費量が非常に低く、ｐ＞８ｄＢについて５％未満であることがわかる。したがって、重畳されたプリアンブルのない正規のデータパケットと比べて、新規データパケットを伝送するのに必要な出力の増加はわずかな量にすぎない。

図１０は、プリアンブルセクション内での測距用に用いられる４、８、１６のプリアンブル記号ｓ１でのエネルギー比Pに対する測距精度の改善を示している。図１０中の横軸はＤＢ単位のpulse _data/pulse _pre-in-data(=P)を表わし、一方縦軸は、測距の精度の改善を表わす。

測距とは、送信装置から伝送された受信データパケットを処理することにより送信装置と受信装置の間の距離を算定することである。ここでは、測距精度の改善は、コヒーレント測距スキームを仮定することにより近似される。測距算定値の分散がＬ／Ｒに正比例する（ここでＲは信号対ノイズ比である）という関係が採用されている。プリアンブルセクションに基づく測距算定値の分散がσ_１ ^２であり、重畳されたプリアンブルに基づくとσ_２ ^２であるとする。上述の２つの算定値を組合せることによる測距算定値の最小の分散が

であり、これはσ_１ ^２又はσ_２ ^２のいずれよりも小さいものであることを示すことができる。測距精度の改善は、

で示される。図１０より、検討した事例の大部分において、約５０％の有意な精度改善が得られるということが観察される。これは、重畳されたプリアンブル内のはるかに多いｓ１の数（例えば２５６を超えるｓ１）と比べ（ヘッダー及びペイロードセクション内では２５６μｓ）、測距のためにプリアンブルセクション内では４、８又は１６といった比較的小さい数のｓ１を利用することができるためである。

既存のデータパケットに比べて、本発明に従った新規のデータパケットは、正規のデータパケットの大部分の機能を維持しながら、そのデータパケットのプリアンブルに応じたいくつかの重要なアプリケーションのためにはるかに優れた性能を達成することができる。

本発明を例示するための通信システムの構造図である。 送信装置のブロック図である。 受信装置のブロック図である。 正規データパケットの構造図である。 本発明に従った新規のデータパケットの構造図である。 新規データパケット内の重畳されたプリアンブルシーケンス及びその他のデータシーケンスのパルスエネルギーを例示する。 新規データパケット内に採用可能なプリアンブル記号の一例を示す。 新規データパケットのヘッダー及びペイロードセクション内で使用されるデータ記号の一例を示す。 新規データパケットの重畳されたプリアンブルシーケンスにより消費される追加エネルギーに関する数値的結果を示す。 新規データパケットを使用することによる測距精度の改善に関する数値的結果を示す。

Claims (9)

1. パルスシーケンスを発生させるパルス発生手段；
   及び無線信号の形で前記パルス発生手段により発生させられた前記パルスシーケンスを伝送する伝送手段、
   を含む無線通信装置において、
   前記パルス発生手段が
   初期記号同期化及びチャンネル推定のためのプリアンブルシーケンスからなるプリアンブルセクション；
   データパケットのための正規のヘッダー情報データ及び前記プリアンブルセクション内と同じプリアンブルシーケンスの両方からなり、前記プリアンブルシーケンスが、時間領域又はコード分割における前記正規ヘッダー情報データと多重化されている、ヘッダーセクション；
   正規のペイロードデータ及び前記プリアンブルセクション内と同じプリアンブルシーケンスの両方からなり、前記プリアンブルシーケンスが前記ヘッダーセクションと同じようにして前記正規ペイロードデータと多重化されている、ペイロードセクション、
   を含むデータパケットとして前記パルスシーケンスを発生させる、無線通信装置。
2. 前記プリアンブルセクション中の前記プリアンブルシーケンスが正規の出力レベルを有し、前記ヘッダー及びペイロードセクション中の前記多重化されたプリアンブルシーケンスの出力レベルがヘッダー及びペイロードセクション内のデータシーケンスのよりも低いレベルとなるように設定されている、請求項１記載の無線通信装置。
3. ＵＷＢ（超広帯域）無線信号を採用する、請求項１及び２記載の無線通信装置。
4. 送信装置と受信装置との間の無線通信のための無線通信システムにおいて、
   前記送信装置が
   初期記号同期化及びチャンネル推定のためのプリアンブルシーケンスからなるプリアンブルセクション；
   正規のヘッダー情報データ及び前記プリアンブルセクション内と同じプリアンブルシーケンスの両方からなり、前記プリアンブルシーケンスが、時間領域又はコード分割における前記正規ヘッダー情報データと多重化されている、ヘッダーセクション；
   正規のペイロードデータ及び前記プリアンブルセクション内と同じプリアンブルシーケンスの両方からなり、前記プリアンブルシーケンスが前記ヘッダーセクションと同じようにして前記正規ペイロードデータと多重化されている、ペイロードセクション、
   を含むパルスシーケンスからなるデータパケットを伝送し、
   前記受信装置が前記プリアンブル、ヘッダー及びペイロードセクションからなる前記データパケットを受信する、
   無線通信システム。
5. 前記プリアンブルセクション中の前記プリアンブルシーケンスが正規の出力レベルを有し、前記ヘッダー及びペイロードセクション中の前記多重化されたプリアンブルシーケンスの出力レベルがヘッダー及びペイロードセクション内のデータシーケンスのよりも低いレベルとなるように設定されている、請求項４記載の無線通信システム。
6. ＵＷＢ（超広帯域）無線信号を採用する、請求項４及び５記載の無線通信システム。
7. 送信装置と受信装置との間の無線通信のための無線通信方法において、
   前記送信装置が、
   初期記号同期化及びチャンネル推定のためのプリアンブルシーケンスからなるプリアンブルセクション；
   正規のヘッダー情報データ及び前記プリアンブルセクション内と同じプリアンブルシーケンスの両方からなり、前記プリアンブルシーケンスが、時間領域又はコード分割における前記正規ヘッダー情報データと多重化されている、ヘッダーセクション；
   正規のペイロードデータ及び前記プリアンブルセクション内と同じプリアンブルシーケンスの両方からなり、前記プリアンブルシーケンスが前記ヘッダーセクションと同じようにして前記正規ペイロードデータと多重化されている、ペイロードセクション、
   を含むパルスシーケンスからなるデータパケットを伝送する伝送段階；
   前記受信装置が前記プリアンブル、ヘッダー及びペイロードセクションからなる前記データパケットを受信する受信段階、
   を含んでなる方法。
8. 前記プリアンブルセクション中の前記プリアンブルシーケンスが正規の出力レベルを有し、前記ヘッダー及びペイロードセクション中の前記多重化されたプリアンブルシーケンスの出力レベルがヘッダー及びペイロードセクション内のデータシーケンスのよりも低いレベルとなるように設定されている、請求項７記載の無線通信方法。
9. ＵＷＢ（超広帯域）無線信号を利用する、請求項７及び８記載の無線通信方法。