JP4822366B2

JP4822366B2 - 双方向無線通信装置

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Publication number: JP4822366B2
Application number: JP2007544214A
Authority: JP
Inventors: 斌甄; 還幇李; 一鴻斉; 隆二河野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: US8036259B2; JPWO2007055350A1; EP1956739A4; WO2007055350A1; US20090323771A1; EP1956739A1

Description

本発明は、双方向無線通信装置、双方向無線通信システム並びに方法に関し、特にＵＷＢ（Ultra Wide
Band）通信方式に基づいて双方向無線通信を行う際に好適な双方向無線通信装置、双方向無線通信システム並びに方法に関する。

近年、非常に時間幅の小さいパルス信号を用いて通信を行うＵＷＢ方式による無線通信が実現化されつつある。このＵＷＢ通信では、１ナノ秒〜２ナノ秒という非常に短い時間幅のパルス信号を利用し、そのパルス信号の時間軸上の位置や位相を変化させることで情報を伝送する。１ナノ秒以下という非常に短い時間幅のパルス信号を用いることから、ＵＷＢ通信用の信号が占有する信号帯域は５００ＭＨｚ以上と非常に広くなるが、変調処理そのものが不要となり、スペクトル電力密度を低減させることができる。このため、高いデータ伝送特性や高精度の測距が実現化されることになる。

このため、このＵＷＢを利用した無線通信システムにおいては、通信時における雑音の影響を低く抑えることが可能となり、ひいては低コスト化をも図ることが可能となる。また、このＵＷＢを利用した無線通信システムにおいては、マルチパスを始めとした各種ノイズの影響を低減することも可能となる。

しかしながら、このＵＷＢ方式による無線通信では、ＵＷＢ通信特有のキャリアセンシングが困難であった。このため、相手側の通信装置から送信されてきた無線信号を、高い信頼性をもって検出できるシステムを案出する必要性が高まっていた。

図１は、一般的なＵＷＢ方式による無線通信で使用されるパケットデータのフォーマット構成例を示している。このフォーマット構成例は、例えばＩＥＥＥ８０２．１１や、ＩＥＥＥ８０２．１５．４等の規格に基づくフレームに関するものである。図１に示すように、フレームデータは、その存在を知らしめるためのプリアンブル１０１に、ＳＦＤ（Start Frame Delimiter）１０２が付加され、さらにＳＦＤ１０２の後方にはペイロード部１０３が付加されている。なお、フレームとフレームとの間には、例えば１２バイト分のギャップが設けられていてもよい。

このプリアンブル１０１は、フレームデータの受け損ないを防止するためのダミー情報が書き込まれている。ＵＷＢ通信方式において、このプリアンブル１０１を表現する場合には、非常に短い時間幅のパルス信号の規則的なコードを複数個に亘り並べ、さらにその規則的なコードとしてのパルス信号を反転させた配列を複数個に亘り並べて構成される。

また、このプリアンブル１０１は、送られてきた信号を取得してこれを評価し、正しい信号が送られてきたことを判別した場合にはこれと同期をとって通信を開始するものである。

このプリアンブル１０１には、上述の如くパルス信号が所定のコードに従って規則的に並べられているので、このプリアンブル１０１が付されたフレームデータを受信した通信装置においては、このプリアンブル１０１における規則的なパルス信号の配列とそのコードを検出することにより、信号捕捉、同期、およびチャネル推定を行い、ひいては通信を行うことができる。現在通信中の通信相手を除く他の通信装置においては、このプリアンブル１０１に書き込まれた情報を取得することによって、現時点において当該チャネルが占用されているか否かを容易に識別することが可能となる。

ＳＦＤ１０２は、予め決められたコードが並べられてなるとともに、プリアンブル１０１とペイロード部１０３との境界としての役割を担う

これに対して、ペイロード部１０３は、通信装置を利用して通信を行うユーザにより生成された実データ部である。このペイロード部１０３を構成する信号には、例えば、図２に示すように、一部において図中「Ｓ」で示されるパルス列が付加されている一方において、何ら実データが存在しない領域は、あくまで空領域とされている。即ち、このペイロード部１０３は、図中「Ｓ」で示されるパルス列と、空領域とを組み合わせたコードにより表されている。この図２におけるコードはあくまで一例であって、実データに応じてコードの配列は千差万別で構成されることになる。即ち、このペイロード部１０３は、パルス信号の配列と空領域が不規則に並んだ状態で構成されている。

このため、現在通信中の通信装置を除く他の通信装置は、当該通信中の通信装置において送信されているフレームデータのプリアンブル１０１に書き込まれている情報を取得することにより、チャネルの占用の有無を判別することができる。しかしながら、ペイロード部１０３に書き込まれている情報を取得するのみでは、チャネルの占用の有無を判別することは難しい。ちなみに、現在通信中の通信装置を除く他の通信装置は、現時点においてチャネルが占用されていない旨を判別した場合には、当該他の通信装置自身がチャネルを使用してよいことになる。このため、一の通信装置に対して互いに異なる複数の通信装置が同一のチャネルを利用して通信が開始されることになり、これらが互いに干渉しあうことになってしまう。

即ち、一の通信装置に対して他の通信装置からデータの送信が行われている時に、同一チャネルを利用して、更なる他の通信装置からデータ通信が開始されることがない状況を作り出す必要性があった。

従来においては、例えば非特許文献１に示すように、信号間の干渉を抑制するために動的なコードを用いることによってマルチアクセスを可能としたＡＬＯＨＡが提案されている。しかしながら、このＡＬＯＨＡによるチャネルの識別性は、処理能力、記憶容量、電源等、通信装置内に搭載されるデバイスの特性によって制限を受けてしまうという問題点がある。

また、異なる通信装置による同時点のデータ送信を防止するために、他の通信装置からのアクセスの受け入れを時系列的にコントロールする技術も開示されている（例えば、非特許文献２、３参照。）が、同期をとるのが困難になるという問題点があった。
R. Merz, J. Widmer,J. Y. Le Boudec, and B. Radunovic"A Joint PHY/MAC Architecture forLow-Radiated Power TH-UWB WirelessAd-Hoc Networks",Wireless Communication and MobileComputing Journal,Special issue on UWB communications. 5(5):567-580, 2005 Moe Z. Win and Robert A. Scholtz."Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio forwireless multiple-access communications," IEEETransactions on Communications, 48(4):679-691, 2000. M.-G. Di Benedetto,L. De Nardis and M. Junk etc, "(UWB)^2: Uncoordinated,Wireless, Baseborn, medium access control forUWB communication networks," Mobile Network and Applications, special issue onWLAN optimizationat the MAC and Network levels, 2004

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ＵＷＢ通信方式に基づいて双方向無線通信を行う際に、データの送信を試みる相手先の通信装置が、同一チャネル又は同一ピコネット(同一コードを使用する場合)において他の通信装置と通信を行っているか否かを検出することにより、同一チャネル又は同一ピコネットにおいて、一の通信装置に対して異なる複数の通信装置が同時にデータ送信を行うことを防止することが可能な双方向無線通信装置、双方向無線通信システム並びに方法を提供することにある。

本発明に係る双方向無線通信装置は、上述した課題を解決するために、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）通信方式に基づいて双方向無線通信を行うための双方向無線通信装置において、ＵＷＢ通信方式に基づいたパルス信号を配列させたパルス列を順次生成するパルス列生成手段と、上記パルス列生成手段により生成されたパルス列につき少なくともプリアンブルとデータ部とから構成されるフレーム化処理を施し、さらに定常的なパルス信号の配列で構成されるプリアンブルセグメントを上記データ部に対して所定の時間間隔で挿入するフレーム化処理手段と、上記フレーム化処理手段により生成されたフレームを含むパルス列を電波として送信する送信手段と、他の当該双方向無線通信装置から送信された電波としてのパルス列を受信する受信手段と、上記受信手段により受信された上記パルス列に含まれるフレームから少なくとも上記プリアンブルセグメントを所定時間長で構成される検出窓を介して検出する検出手段を備え、上記送信手段は、上記検出手段によるプリアンブルセグメントの検出状況に応じて、上記パルス列の送信タイミングが制御されることを特徴とする。

本発明に係る双方向無線通信システムは、上述した課題を解決するために、一の上記通信装置は、ＵＷＢ通信方式に基づいたパルス信号を配列させたパルス列を順次生成し、生成したパルス列につき少なくともプリアンブルとデータ部とから構成されるフレーム化処理を施し、さらに定常的なパルス信号の配列で構成されるプリアンブルセグメントを上記データ部に対して所定の時間間隔で挿入してこれを電波として送信し、他の通信装置は、上記一の通信装置から送信された電波としてのパルス列を受信し、この受信したパルス列に含まれるフレームから少なくとも上記プリアンブルセグメントを所定時間長で構成される検出窓を介して検出し、かかるプリアンブルセグメントの検出状況に応じて通信装置へのパルス信号の送信タイミングが制御されることを特徴とする。

本発明に係る双方向無線通信方法は、上述した課題を解決するために、ＵＷＢ通信方式に基づいて通信装置間で双方向無線通信を行うための双方向無線通信方法において、一の上記通信装置において、ＵＷＢ通信方式に基づいたパルス信号を配列させたパルス列を順次生成し、生成したパルス列につき少なくともプリアンブルとデータ部とから構成されるフレーム化処理を施し、さらに定常的なパルス信号の配列で構成されるプリアンブルセグメントを上記データ部に対して所定の時間間隔で挿入してこれを電波として送信し、他の通信装置において、上記一の通信装置から送信された電波としてのパルス列を受信し、この受信したパルス列に含まれるフレームから少なくとも上記プリアンブルセグメントを所定時間長で構成される検出窓を介して検出し、かかるプリアンブルセグメントの検出状況に応じて通信装置へのパルス信号の送信タイミングを制御することを特徴とする。

ＵＷＢ通信方式に基づいて双方向無線通信を行う際に、現時点において相手側からフレームデータが送られてきている事を識別できる。これにより、データの送信を試みる相手先の通信装置が、同一チャネル又は同一ピコネット(同一コードを使用する場合)において他の通信装置と通信を行っているか否かを検出することができ、同一チャネル又は同一ピコネットにおいて、一の通信装置に対して異なる複数の通信装置が同時にデータ送信を行うことを防止することが可能となる。

一般的なＵＷＢ方式による無線通信で使用されるパケットデータのフォーマット構成例を示す図である。ペイロードの詳細について説明するための図である。本発明を適用した双方向無線通信システムのシステム構成につき示す図である。本発明を適用した双方向無線通信システムに適用される通信装置のブロック構成図である。本発明を適用した双方向無線通信システムにおいて送受信するフレームデータの詳細を示す図である。プリアンブルの構成例について説明するための図である。ペイロード部において挿入されたプリアンブルセグメントを検出窓の枠内に取り込んで解析する例につき説明するための図である。供給負荷に対するスループットの測定結果を示す図である。供給負荷に対する消費電力の測定結果を示す図である。コヒーレント信号とノンコヒーレント信号とをともに受信可能な通信装置のブロック構成図である。

符号の説明

１双方向無線通信システム
２通信装置
２１パルス生成部
２２パルスシェーピング部
２３局部発信器
２４ミキサ回路
２５フィルタ
２６第１のアンプ
２７アンテナ
３２フィルタ
３３ＬＮＡ
４１ＬＰＦ
４３第２のアンプ
４５ＡＤＣ
４７信号検出部
５１切替回路
５２ミキサ回路

以下、本発明を実施するための最良の形態として、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）通信方式に基づいて双方向無線通信を行う双方向無線通信システムについて図面を参照しながら詳細に説明する。

図３は、本発明を適用した双方向無線通信システム１のシステム構成につき示している。この双方向無線通信システム１は、ＵＷＢ通信方式に基づいて、一の通信装置２ａと、他の通信装置２ｂ、２ｃ、・・・・２ｎとの間で互いに電波を送受信することにより双方向で無線通信するシステムである。この無線通信システム１は、同一チャネル又は同一ピコネットで、同じコードを利用してデータを送受信するシステムである。

通信装置２は、ＵＷＢ通信技術を利用して互いに電波を送受信することが可能な無線通信機である。このＵＷＢ通信では、１ナノ秒という非常に短い時間幅のパルス信号を利用し、そのパルス信号の時間軸上の位置や位相を変化させることで搬送波を用いることなく情報を伝送する。１ナノ秒以下という非常に短い時間幅のパルス信号を用いることから、ＵＷＢ通信用の信号が占有する信号帯域は数ＧＨｚと非常に広くなるが、搬送波を用いた変調処理そのものが不要となり、スペクトル電力密度を低減させることができる。このため、これをノイズの信号レベル以下まで抑えることができることから、他の通信システムや各種機器による影響を受けることもなくなり、高いデータ伝送特性が実現されることになる。

また、このＵＷＢ通信では、また、電波を送出する搬送波を用いた通信方式とは異なり、きわめて短いパルスを送出するだけで通信を実現することが可能となることから、消費電力を非常に小さくすることができ、パルス信号の送出間隔を短くすることで非常に高速な通信を実現することも可能となる。

図４は、このようなＵＷＢ通信に必要なパルス信号を生成するとともに、相手側から送られてきたパルス信号を検出する通信装置２のブロック構成を示している。

通信装置２は、パルス信号を生成するパルス生成部２１と、このパルス生成部２１に接続されてなるとともに、パルス生成部２１により生成されたパルス信号が送られてくるパルスシェーピング部２２と、パルスシェーピング部２２から出力されるパルス信号につき後述する基準信号に基づいて周波数変換を施すためのミキサ回路２４と、基準信号を生成するための局部発信器２３と、ミキサ回路２４において周波数変換された信号につき通過帯域を制限するためのフィルタ２５と、このフィルタ２５に接続された第１のアンプ２６と、この第１のアンプ２６に接続された切替回路５１と、切替回路５１に接続されたアンテナ２７とを備えている。また、この通信装置２は、切替回路５１に接続されたフィルタ３２と、フィルタ３２から出力されたパルス列につき、高周波信号処理を施す低雑音増幅器（ＬＮＡ）３３と、このＬＮＡ３３並びに局部発振器２３に接続されてなるミキサ回路５２と、このミキサ回路５２に対してそれぞれＬＰＦ４１、第２のアンプ４３、ＡＤＣ４５が順次接続されてなり、さらにこのＡＤＣ４５には信号検出部４７が接続されている。

切替回路５１は、他の通信装置２に対してパルス列を送信する際において、第１のアンプ２６とアンテナ２７とが接続されるように切替処理を実行する。またこの切替回路５１は、他の通信装置２からのパルス列を受信する際において、アンテナ２７とフィルタ３２とが接続されるように切替処理を実行する。

パルス生成部２１は、ＵＷＢ方式に基づき、数ＧＨｚにもわたる広帯域にわたって短い時間幅のパルス信号を生成する。実際にこのパルス信号を生成する場合において、パルス生成部２１は、互いに等振幅で構成されるパルス信号につき等時間間隔で並べたパルス列を順次生成していくことになる。このパルス生成部２１により生成されたパルス列は、そのままパルスシェーピング部２２へと送信されることになる。

パルスシェーピング部２２は、パルス生成部２１から送信されてきた拡散系列のパルス列を構成する各パルス信号につき所定のシェーピング処理を施す。

局部発振器２３は、変調用の基準信号を生成する。この局部発振器２３によって生成される基準信号の局部発振周波数は、この局部発信器２３内において可変となるように構成されていてもよい。また、この局部発信器２３は、発生すべき局部発振周波数につき、図示しないＰＬＬ回路等に基づいて増強され、減衰されるように制御可能とされていてもよい。

ミキサ回路２４は、パルスシェーピング部２２においてシェーピング処理が施されたパルス列を構成する各パルス信号を、局部発信器２３により送出されてきた基準信号に基づいて周波数変換する。このミキサ回路２４は、この周波数変換されたパルス信号からなるパルス列につき、フィルタ２５へ出力する。

フィルタ２５は、ミキサ回路２４から出力されてきたＵＷＢ方式に基づくパルス列につき、所望の帯域のみ通過させるととともに、不要な帯域をカットする。このときフィルタ２５は、ミキサ回路２４における周波数変換時において発生した不要な周波数成分を除去することができるように通過帯域が設定されていてもよい。このフィルタ２５を通過した帯域成分からなるパルス列は、そのまま第１のアンプ２６へと出力されることになる。

第１のアンプ２６は、このフィルタ２５から出力されてきたパルス列を増幅し、さらに帯域内で周波数特性がフラットになるように補正する。

アンテナ２７は、第１のアンプ２６により増幅された電気信号としてのパルス信号より構成されるパルス列につき、電磁的な電波としてのパルス列に変換し、これを空中に放射する。なお、この通信装置２において、このアンテナ２７から電波としてのパルス列を放射する際における時刻をカウントする機能を実装するようにしてもよい。アンテナ２７は、相手側から送信されてきた電波としてのパルス列を受信し、これを電気的なパルス信号からなるパルス列に変換する。

フィルタ３２は、アンテナ２７により受信したパルス列につきＵＷＢ帯域外の信号を除去する。即ち、送信装置２から受信装置３へ電波が送られる過程において、ＵＷＢ帯域外の信号が重畳される場合もあることから、かかる信号をこのフィルタ３２において精度よく除去する。

ＬＮＡ３３は、アンテナ２７により受信され、フィルタ３２を介して送られてきたパルス列につき、低雑音増幅する。ＵＷＢ方式に基づくパルス信号は、ノイズの信号レベル以下の微弱なものであるため、これを通常のアンプで増幅してもノイズとＵＷＢ信号とを見分けることができなくなる。このため、ＬＮＡ３３を実装することにより、ＵＷＢ方式に基づく所望のパルス信号のみを選択的に増幅させることで、ノイズの影響を除去したパルス列を得ることが可能となる。ＬＮＡ３３により低雑音増幅されたパルス列は、接続されたミキサ回路５２にそれぞれ供給されることになる。

局部発振器２３は、ベースバンドの基準信号としての同相信号（Ｉ信号）及び直交信号（Ｑ信号）を生成する。この局部発振器２３は、生成したＩ信号、Ｑ信号をそれぞれミキサ回路５２へ出力する。

ミキサ回路５２は、ＬＮＡ３３から送信されてきたパルス列を構成する各パルス信号につき、局部発振器２３より出力されてきたＩ信号、Ｑ信号に基づいて直交変調する。

ＬＰＦ４１は、ミキサ回路５２によりそれぞれ変調が施されたＵＷＢ方式のパルス列につき、高周波成分を除去するとともに、低周波成分のみを通過させる。

第２のアンプ４３は、ＬＰＦ４１により帯域制限されたパルス列を増幅し、これをＡＤＣ４５へ送出する。

ＡＤＣ４５は、第２のアンプ４３から送出されてきたアナログベースバンドのパルス信号をサンプリングしてデジタル信号化し、このデジタル化されたパルス列を信号検出部４７へ送信する。

信号検出部４７は、ＡＤＣ４５からそれぞれ送信されてきたパルス列を構成するパルス信号を検出する。この信号検出の詳細な方法に関しては、後段において詳述する。

次に、本発明を適用した双方向無線通信システム１において、実際に無線信号を送受信する方法につき、図面を参照しながら詳細に説明をする。

先ず、パルス生成部２１は、ＵＷＢ方式に基づくパルス信号からなるパルス列を広帯域にわたり生成する。この生成されたパルス列は、パルスシェーピング部２２においてシェーピング処理が施される。また、このパルス列は、ミキサ回路２４において、局部発振周波数に基づく高周波成分により変調される。

このとき、パルス列は、例えば図５に示すようなフレームデータとして構成される。このフォーマット構成例は、例えばＩＥＥＥ８０２．１１や、ＩＥＥＥ８０２．１５．４等の規格に基づくフレームに関するものである。図５に示すように、フレームデータは、その存在を知らしめるためのプリアンブル６１に、ペイロード部６２が付加され、さらにＦＣＳ（Frame Check Sequence）６３がこのペイロード部６２の終端において付加されている。さらに、このペイロード部６２内には、定常的なパルス信号の配列で構成されるプリアンブルセグメント６４が挿入されている。ちなみに、このプリアンブル６１と、ペイロード部６２の間には、管理情報等が書き込まれた図示しないヘッダ領域が設けられていてもよい。なお、フレームとフレームとの間には、例えば１２バイト分のギャップが設けられていてもよい。

このプリアンブル６１は、物理層において生成されるものであり、フレームデータの受け損ないを防止するためのダミー情報が書き込まれている。ＵＷＢ通信方式において、このプリアンブル６１を表現する場合には、非常に短い時間幅のパルス信号の規則的なコードを複数個に亘り並べ、さらにその規則的なコードとしてのパルス信号を反転させた配列を複数個に亘り並べて構成される。このプリアンブル６１を表現する場合には、例えば図６に示すように、非常に短い時間幅のパルス信号の規則的なコード配列（図中「Ｓ」で示す。）を複数個に亘り並べ、さらにその規則的なパルス信号を反転させたコード配列（図中「−Ｓ」で示す。）を並べる。このプリアンブル６１において用いられるコード配列をコードＳ１という。

また、このプリアンブル６１は、送られてきた信号を取得してこれを評価し、正しい信号が送られてきたことを判別した場合にはこれと同期をとって通信を開始するものである。

このプリアンブル６１には、上述の如くパルス信号が所定のコードに従って規則的に並べられているので、このプリアンブル６１が付されたフレームデータを受信した通信装置においては、このプリアンブル６１における規則的なパルス信号の配列とそのコードを検出することにより、信号捕捉、同期、およびチャネル推定を行い、ひいては通信を行うことができる。現在通信中の通信相手を除く他の通信装置においては、このプリアンブル６１に書き込まれた情報を取得することによって、現時点において当該チャネルが占用されているか否かを容易に識別することが可能となる。

また、ペイロード部６２には、例えば図７に示すようなプリアンブルセグメント６４が所定の時間間隔で挿入されている。このプリアンブルセグメント６４は、例えばコードＳ１等のようなプリアンブル６１において立てられている規則的なパルス信号の配列として構成される。因みに、このプリアンブルセグメント６４は、ペイロード部６２の終端に付加されていてもよい。なお、この図７において、プリアンブルセグメント６４の終端までパルス信号を読み取った段階において、現時点において他の通信装置２からデータの送信が行われているか否かを識別することが可能となる。

このような構成からなるフレームデータは、フィルタ２５において不要な周波数成分が除去され、第１のアンプ２６を介してアンテナ２７により電磁的な電波に変換されて空気中に放射される。この空気中に放射された電波は、送信先の通信端末２におけるアンテナ２７により受信され、電気的なパルス列に再変換されることになる。そして、このパルス列は、ＬＮＡ３３により低雑音増幅されてノイズと見分けがつくように調整された上でミキサ回路５２にそれぞれ供給される。

ミキサ回路５２に送られてきたパルス列は、Ｉ信号、Ｑ信号に基づいて直交変調されてさらにＬＰＦ４１を通過することにより、これに重畳されていた高周波成分が除去されることになる。最後にこれらパルス列はＡＤＣ４５によりアナログ−デジタル変換された上で信号検出部４７へと送信されることになる。

信号検出部４７は、このＡＤＣ４５より送信されてきたパルス列を検出し、これを解析する。この信号検出部４７における実際の検出処理は、送信されてきたパルス列を所定時間に亘って取り込み、この所定時間単位で取り込んだパルス列に対して、より詳細なパルス信号の解析をかけていく。即ち、この信号検出部４７は、所定時間長で構成される検出窓を介して、パルス列を監視し、これを検出するのと同等の処理を行っている。検出窓には、他の通信装置２から送られてきたパルス列が時系列的に入力されてくることになる。信号検出部４７は、この入力されてきたパルス列を検出窓を介して順次検出し、これを解析していくことになる。例えば、図７に示す例においては、ペイロード部６２において挿入されたプリアンブルセグメント６４を検出窓の枠内に取り込んで解析していく場合について示している。

因みに、プリアンブルセグメント６４は、上述したプリアンブル６１と同様に例えばコードＳ１に代表されるような規則的なパルス信号の配列で構成されている。このため、このコードＳ１を予め受信側の通信装置２において取得しておくことにより、通信時に送られてきたフレームデータ中のプリアンブルセグメント６４を検出窓の枠内において捉えることができれば、その捉えたプリアンブルセグメント６４を構成するパルス列がコードＳ１と一致するか否か判定することができる。その結果、予め取得したコードと、検出枠内で捉えたプリアンブルセグメント６４のコードとが一致した場合に、現時点において、相手側からフレームデータが送られてきている事を識別することができる。

ちなみに、このプリアンブルセグメント６４は、実データを構成するペイロード部６２において、所定の時間間隔をもって挿入されている。このため、信号検出部４７における検出窓でペイロード部６２を捉えている際においても、このペイロード部６２において随時プリアンブルセグメント６４が挿入されているため、これを検出窓で捉えることにより、そのパルス列のコードを識別することが可能となる。また、このプリアンブルセグメント６４における規則的なパルス列を介して、通信の同期をとることも可能となる。

従来技術では、規則的なパルス列は、あくまでプリアンブル６１のみに書き込まれていたことから、検出窓の枠内においてプリアンブル６１が既に通過してしまった場合には、その後に続くペイロード部６２のみが延々とこの検出窓内に送られてくる状況になる。かかる場合には、実データを構成するパルス信号と空領域が不規則に並べられた状態が検出窓を介して検出されるのみであり、特に空領域は、ノイズや他のピコネットとしてのパルス信号が不規則に並んでいる状態に過ぎない。このため、このペイロード部６２を検出窓を介して検出するのみでは、何ら規則的な情報を取得することができないが、このペイロード部６２内のいたる時間領域にプリアンブルセグメント６４を挿入させた本発明では、プリアンブルセグメント６４が高い頻度で検出窓内に入力されてくることになり、また、高い頻度でそのパルス列のコードを識別することが可能となる。

なお、本発明においては、現時点において他の通信装置２からフレームデータが送られてきていることを識別することができる場合のみならず、相手側のいかなる通信装置２からフレームデータが送られてきているかを識別することも可能となる。例えば、プリアンブルセグメント６４を構成するパルス列のコードを、通信装置２毎に予め別々に設定しておくことにより、検出窓を介してパルス列のコードを読み取ることができれば、そのコードが設定されている通信装置２を容易に特定することができ、送られてきたフレームデータがいかなる通信装置２において発信されたものであるか、チャネルの特定をも実行することも可能となる。

即ち、本発明は、一の通信装置２において、ＵＷＢ通信方式に基づいたパルス信号を配列させたパルス列を順次生成し、生成したパルス列につき少なくともプリアンブル６１とペイロード部６２とから構成されるフレーム化処理を施し、さらに定常的なパルス信号の配列で構成されるプリアンブルセグメント６４をペイロード部６２に対して所定の時間間隔で挿入し、これを電波として送信する。他の通信装置２は、一の通信装置２から送信された電波としてのパルス列を受信し、この受信したパルス列に含まれるフレームから少なくともプリアンブルセグメント６４を所定時間長で構成される検出窓を介して検出する。

その結果、同一チャネル又は同一ピコネット(同一コードを使用する場合)において他の通信装置２と通信を行っているか否かを検出することができ、同一チャネル又は同一ピコネットにおいて、一の通信装置２に対して異なる複数の通信装置２が同時にデータ送信を行うことを防止することが可能となる。

また、本発明では、一の通信装置２から送られてきたパルス列を上述の如き検出窓を介して検出した他の通信装置２が、今度は自ら生成したフレームデータを、同一チャネル又は同一ピコネット内にある更なる他の通信装置２又は、上記一の通信装置２に対して送信する場合において、現時点において当該一の通信装置２からデータが送信されてきているか否かを判別することができる。その結果、現時点において当該一の通信装置２からデータが送信されてきている旨を判別できた場合には、そのデータの送信が終了するまで、自ら生成したデータの相手側への送信を遅らせる。その結果、一の通信装置２に対して異なる複数の通信装置２が同時にデータ送信を行うことを防止することが可能となる。

なお、本発明においては、上述した検出窓の時間長を、プリアンブルセグメント６４の時間長との間で予め調整されていてもよい。以下、これらプリアンブルセグメントの時間長と、検出窓の時間長を検討するために、単位時間当たりの処理能力（スループット：throughput）と、消費電力について各条件の下、調査した結果について説明をする。

この調査においては、図５に示すように、検出窓の時間長をＷ_ＣＳとし、プリアンブルセグメント６４の時間長をＴ_ＣＳとする。そしてＷ_ＣＳ＝ｑ×Ｔ_ＣＳとしたときに、ｑ＝０．５、１、２の関係となるように検出窓の時間長をＷ_ＣＳを設定したデータ、従来技術と同様にプリアンブル６１のみで構成してペイロード部６２には何らプリアンブルセグメント６４を挿入しない状態Ａのデータ、さらにフレームデータ内を全てプリアンブルセグメント６４で構成した理想的な状態Ｂのデータについてそれぞれスループットと、消費電力を測定した。スループットの測定結果を図８に、また消費電力の測定結果を図９に示す。ちなみに、この図９における消費電力は、あくまで、通信が成功したという前提の下での消費電力を示している。

図８に示すように、供給負荷が増加するにつれて、スループットは、全てプリアンブルセグメント６４で構成した理想的な状態Ｂにおいて最も増加し、ついでｑ＝２、ｑ＝１、ｑ＝０．５の順でスループットが上昇している。これに対して、状態Ａは、スループットが最も低い傾向がみられた。

状態Ｂにおいては、プリアンブルセグメント６４が最も多く設けられているため、これらプリアンブルセグメント６４を検出窓内において非常に高い頻度で検出することができるため、処理能力をいきおい向上させることが可能となる。

ｑ＝２のケースにおいては、検出窓の時間長Ｗ_ＣＳを、プリアンブルセグメント６４の時間長Ｔ_ＣＳの２倍に設定しているため、検出窓の枠内においてプリアンブルセグメント６４の全てを捉えることができ、高い頻度でプリアンブルセグメント６４を検出することができる。ｑ＝１のケースでは、検出窓の時間長Ｗ_ＣＳを、プリアンブルセグメント６４の時間長Ｔ_ＣＳと同等となるように設定しているため、ｑ＝２のケースと比較してプリアンブルセグメント６４の検出能力が減少する。ｑ＝０．５のケースにおいても、このプリアンブルセグメント６４の検出能力はさらに減少することになる。

プリアンブルセグメント６４の検出能力が上昇すれば、現時点において相手側からフレームデータが送られてきたか否かの判別能力を向上させることも可能となり、またチャネル識別能力をも向上させることが可能となる。その結果、単位時間当たりの処理能力を向上させることが可能となる。

また、図９に示すように、供給負荷が増加するにつれて、消費電力は一般的に上昇していくことになるが、例えば状態Ａの場合には、消費電力の上昇率が一段と高く、次にｑ＝２、ｑ＝１、ｑ＝０．５と徐々に上昇率が低下し、状態Ｂの場合において消費電力の上昇率が最も低くなる。ｑ＝２の場合において、センシング確率は増加するが、かかるプリアンブルセグメント６４に応じて余分の電力が負荷されるため、結果として、消費電力が高くなってしまう。同様の理由により、ｑ＝１、０．５の順に消費電力は徐々に低くなる。

上述の調査結果より、ｑ＝２のとき、即ち、検出窓の時間長Ｗ_ＣＳを、プリアンブルセグメント６４の時間長Ｔ_ＣＳの２倍に設定した場合において、スループット、消費電力の双方において最も効果的であることがわかる。このため、ｑは２以上であることが望ましい。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、図１０に示すようなコヒーレント信号とノンコヒーレント信号とをともに受信可能な通信装置８により、上記データの送受信を実行するようにしてもよい。図１０は、通信装置８の具体的な回路構成例を示している。

通信装置８は、送信されてきた電波を受信するアンテナ８１と、このアンテナに接続され、送信されてきた電波としてのパルス列を周波数成分外のノイズを除去するためのＢＰＦ（Band pass filter）８２とを備えている。

このＢＰＦ８２には、コヒーレント信号を受信するためのコヒーレント信号受信部８３と、ノンコヒーレント信号を受信するためのノンコヒーレント信号受信部８４とが接続されてなり、これらコヒーレント信号受信部８３とノンコヒーレント信号受信部８４は、さらに信号処理部８５に接続されている。

コヒーレント信号受信部８３は、フィルタ９１と、逆拡散回路９２と、自乗回路９３と、積分回路９４とを備えている。フィルタ９１を経たコヒーレント信号は、逆拡散回路９２において上記コードＳ１の波形をテンプレートとして、コヒーレント信号と照らし合わることにより、パルスが拡散された受信信号につき逆拡散処理を施す。この逆拡散処理が施された受信信号は、自乗回路９３、積分回路９４を通じて信号処理部８５へ送られることになる。ちなみに、この積分回路９４においては、検出窓のサイズに応じた積分がなされることになる。

ノンコヒーレント信号受信部８４は、自乗回路９５と、積分回路９６と、逆拡散回路９７とを備えている。自乗回路９５、積分回路９６を経たノンコヒーレント信号は、コードＳ１の波形に基づいて逆拡散処理が施され、信号処理部８５へ送られることになる。

信号処理部８５は、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）９８と、平均化処理回路９９と、信号検出回路１００とを備えている。

ＡＤＣ９８は、コヒーレント信号受信部８３並びにノンコヒーレント信号受信部８４から送られてきた信号につきアナログーディジタル変換処理を施し、これを平均化処理部９９へと送信する。平均化処理部９９では、上記ディジタル変換処理が施された信号につき平均化処理を施し、これを信号検出部１００へと送信する。信号検出部１００は、平均化処理が施された信号につき、上述と同様にプリアンブルセグメント６４を検出していくことになる。

この通信装置８を利用しても、上述の如き作用効果が得られることは勿論である。

Claims

ＵＷＢ（Ultra Wide Band）通信方式に基づいて双方向無線通信を行うための双方向無線通信装置において、ＵＷＢ通信方式に基づいたパルス信号を配列させたパルス列を順次生成するパルス列生成手段と、上記パルス列生成手段により生成されたパルス列につき少なくともプリアンブルとデータ部とから構成されるフレーム化処理を施し、さらに定常的なパルス信号の配列で構成されるプリアンブルセグメントを上記データ部に対して所定の時間間隔で挿入するフレーム化処理手段と、上記フレーム化処理手段により生成されたフレームを含むパルス列を電波として送信する送信手段と、他の当該双方向無線通信装置から送信された電波としてのパルス列を受信する受信手段と、上記受信手段により受信された上記パルス列に含まれるフレームから少なくとも上記プリアンブルセグメントを所定時間長で構成される検出窓を介して検出する検出手段を備え、上記送信手段は、上記検出手段によるプリアンブルセグメントの検出状況に応じて、上記パルス列の送信タイミングが制御されることを特徴とする双方向無線通信装置。
上記検出手段は、上記プリアンブルセグメントの時間長の１倍以上からなる検出窓を介して上記検出を行うことを特徴とする請求項１記載の双方向無線通信装置。
上記検出手段は、上記プリアンブルセグメントの時間長の２倍以上からなる検出窓を介して上記検出を行うことを特徴とする請求項２記載の双方向無線通信装置。
ＵＷＢ通信方式に基づいて通信装置間で双方向無線通信を行うための双方向無線通信システムにおいて、一の上記通信装置は、ＵＷＢ通信方式に基づいたパルス信号を配列させたパルス列を順次生成し、生成したパルス列につき少なくともプリアンブルとデータ部とから構成されるフレーム化処理を施し、さらに定常的なパルス信号の配列で構成されるプリアンブルセグメントを上記データ部に対して所定の時間間隔で挿入してこれを電波として送信し、他の通信装置は、上記一の通信装置から送信された電波としてのパルス列を受信し、この受信したパルス列に含まれるフレームから少なくとも上記プリアンブルセグメントを所定時間長で構成される検出窓を介して検出し、かかるプリアンブルセグメントの検出状況に応じて通信装置へのパルス信号の送信タイミングが制御されることを特徴とする双方向無線通信システム。
上記他の通信装置は、上記プリアンブルセグメントの時間長の１倍以上からなる検出窓を介して上記検出を行うことを特徴とする請求項４記載の双方向無線通信システム。
上記他の通信装置は、上記プリアンブルセグメントの時間長の２倍以上からなる検出窓を介して上記検出を行うことを特徴とする請求項５記載の双方向無線通信システム。
ＵＷＢ通信方式に基づいて通信装置間で双方向無線通信を行うための双方向無線通信方法において、一の上記通信装置において、ＵＷＢ通信方式に基づいたパルス信号を配列させたパルス列を順次生成し、生成したパルス列につき少なくともプリアンブルとデータ部とから構成されるフレーム化処理を施し、さらに定常的なパルス信号の配列で構成されるプリアンブルセグメントを上記データ部に対して所定の時間間隔で挿入してこれを電波として送信し、他の通信装置において、上記一の通信装置から送信された電波としてのパルス列を受信し、この受信したパルス列に含まれるフレームから少なくとも上記プリアンブルセグメントを所定時間長で構成される検出窓を介して検出し、かかるプリアンブルセグメントの検出状況に応じて通信装置へのパルス信号の送信タイミングを制御することを特徴とする双方向無線通信方法。
上記他の通信装置において、上記プリアンブルセグメントの時間長の１倍以上からなる検出窓を介して上記検出を行うことを特徴とする請求項７記載の双方向無線通信方法。
上記他の通信装置において、上記プリアンブルセグメントの時間長の２倍以上からなる検出窓を介して上記検出を行うことを特徴とする請求項８記載の双方向無線通信方法。