JP4833062B2

JP4833062B2 - タイムホッピングインパルス無線システムでのフレーム持続時間を確定する方法、及びタイムホッピングインパルス無線システム

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Publication number: JP4833062B2
Application number: JP2006520514A
Authority: JP
Inventors: モリッシュ、アンドレアス・エフ; オーリック、フィリップ
Original assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Priority date: 2005-01-04
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: US20060146916A1; JP2008527758A; CN1985446A; US7620369B2; EP1774666A1; DE602005008609D1; WO2006073130A1; EP1774666B1

Description

本発明は、包括的には通信システムに関し、特にワイヤレス通信システムにおいて用いられる変調フォーマットに関する。

米国では、連邦通信委員会（ＦＣＣ）が、「First Report and Order」（２００２年２月１４日）において超広帯域（ＵＷＢ）信号をワイヤレス通信システムに、制限付きで免許なしで使用することを認めた。ＵＷＢ信号は、周波数範囲３．１〜１０．６ＧＨｚになければならず、且つ最小帯域幅５００ＭＨｚを有さなければならない。また、ＦＣＣの指示により、ＵＷＢ信号の電力スペクトル密度及びピーク放射電力は−４３．１ｄＢｍ／ＭＨｚ未満に制限されている。

ＵＷＢの１つの変調方法は、極めて短時間、たとえば１／１，０００，０００，０００秒以下のパルスを用いて、波長約３００ｍｍに対応する５００ＭＨｚよりも広い帯域幅を有する信号を生成する。短パルスを用いるワイヤレスシステムは、一般に、インパルス無線（ＩＲ）システムと呼ばれる。

図１Ａに示すように、４つの異なる変調技法、すなわち、パルス位置変調（ＰＰＭ）１１、パルス振幅変調（ＰＡＭ）１２、オンオフキーイング（ＯＯＫ）１３、及び二相シフトキーイング（ＢＰＳＫ）１４が一般にＩＲシステムに使用される。

利点として、ＵＷＢシステムは高速データ速度を実現し、マルチパス障害に対して耐性がある。これは、処理利得が多いことによる。さらに、ＩＲシステムでは、ヘテロダインのための局部発振器を必要としない低コスト、低衝撃係数、低電力の送受信器が可能である。ＵＷＢ送受信器は、主にデジタル領域において実施されるため、半導体チップに集積することができる。ＵＷＢシステムでは、複数の送受信器が、干渉することなく同じスペクトルを同時に共用する。ＵＷＢシステムは、家庭、ビジネス、及び教育機関での短距離高速ネットワークに理想的である。センサネットワークもＵＷＢ送受信器を使用することができる。

タイムホッピング（ＴＨ）ＩＲについては、M. Win及びR. A. Scholtz著「Ultra-Wide Band Width Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access Communications」（IEEE Trans. On Communications, Vol. 48, No. 4 April 2000, pp. 679-691）に述べられている。このＴＨ−ＩＲシステムでは、各ビット又は各シンボルがＮ_ｆ個のパルスで表される。但し、Ｎ_ｆは正の整数である。ビット送信時間はＴ_ｓである。これはシンボル持続時間と呼ばれる。時間Ｔ_ｓはさらにフレームＴ_ｆに分割され、フレームはチップＴ_ｃに分割され、これが通常、パルス持続時間に相当する。Ｎ_ｃがフレーム内のチップ数を表し、Ｎ_ｆがシンボル内のフレーム数を表す場合、Ｔ_ｓ、Ｔ_ｆ、及びＴ_ｃは、

により関係付けられる。

図１Ｂは、例としての従来技術による「０ビット」のＴＨ−ＩＲ波形１１０及び「１ビット」の波形１２０のパルス１０４のシンボル時間Ｔ_ｓ１０１、フレーム持続時間Ｔ_ｆ１０２、及びチップ持続時間Ｔ_ｃ１０３の間の関係を示す。通常、パルスは、「タイムホッピング」符号に従って、マルチユーザ干渉を最小にするようにフレームの空きチップの中で疑似ランダムに離間される。

上述したように、変調は二相シフトキーイング（ＢＰＳＫ）であることができる。ＢＰＳＫを用いる場合、各ビットｂは正又は負の１として表される。すなわち、ｂ∈｛−１，１｝である。送信信号は、

の形を有する。但し、ｃ_ｊはＴＨ符号のｊ番目の値を表し、範囲は｛０，１，・・・，Ｎ_ｃ−１｝であり、ｂはｉ番目の変調シンボルである。さらに、ｈ_ｉ，ｊとして示されるオプションの系列を送信信号の各パルスに付加して、送信信号のスペクトルを「整形」するとともに、スペクトル線を低減することができる。系列ｈ_ｉ，ｊは極性スクランブル系列（polarity scrambling sequence）と呼ばれ、値＋１又は−１を有する。スペクトルのさらなる整形に、異なる振幅も可能である。

図２は、従来の干渉性ＴＨ−ＩＲ受信器２００を示す。受信器は、受信アンテナ２３０に接続された増幅器２２０に結合された自動利得制御（ＡＧＣ）ユニット２１０を備える。受信器は、同期ユニット２４０、タイミング制御ユニット２５０、チャネル推定ユニット２６０、ＭＭＳＥ等化ユニット２７０、及び復号ユニット２８０も備える。ＲＡＫＥ受信器フィンガ２９０が加算器２９５に入力する。各ＲＡＫＥ受信器フィンガは、パルス系列発生器、相関器、及び重み結合器を備える。ＲＡＫＥ受信器フィンガはマルチパス干渉を低減する。

フレームの適切な持続時間を選択する必要がある。短いフレーム持続時間は多重アクセス干渉（ＭＡＩ）を低減させ、S. Gezici、H. Kobayashi、H. V. Poor及びA. F. Molisch著「Effect of timing jitter on the tradeoff between processing gains」（Proc. ICC 2004, pp. 3596-3600, 2004）に述べられているように、タイミングジッタの存在下で性能を増強することもできる。一方、フレーム持続時間がチャネルインパルス応答の最大超過遅延より短い場合に、フレーム間干渉（ＩＦＩ）が起きる可能性がある。従来のＴＲ−ＩＲシステムでは、フレーム持続時間は固定され、変更することができない。

そのため、フレーム持続時間を適応的に選択することが望まれる。

本発明は、タイムホッピングインパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）システムにおいて、現在のチャネル状態及び干渉に従ってフレームの持続時間を適応的に確定する方法及び装置を提供する。マルチユーザシステムでは、干渉は、他の送受信器からの信号及び雑音に起因する。そのため、干渉は、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）の尺度となる。

受信器が、チャネル状態情報（ＣＳＩ）、具体的には小規模平均電力遅延プロファイル及び平均ＳＮＩＲを取得する。ＣＳＩ及び電力遅延プロファイルを使用して、最適なフレーム持続時間を確定する。フレーム持続時間は、受信器又は送信器において確定することができる。フレーム持続時間は、ＣＳＩ及びＳＮＩＲが時間の経過に伴って変化する際に周期的に更新することができる。

本発明によるフレーム持続時間の選択により、フレーム間干渉及び多重アクセス干渉が低減する。システムが動作する環境に応じて、本発明は、フレーム間干渉が最小になるようにフレーム持続時間を調整する一方、同時に良好な多重アクセス能力を保持する。

本発明は、無線システムにおいて送受信器のフレーム持続時間を適応的に選択するシステム及び方法を提供する。フレーム持続時間は、信号対干渉雑音比（ＳＮＩＲ）及びチャネル状態情報（ＣＳＩ）に依存する。方法は、タイムホッピングインパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）システム及びタイムホッピングを含む基準送信（transmitted-reference）システムにおける干渉性送受信器、並びに非干渉性送受信器を有するタイムホッピングシステムに適用することが可能である。送受信器はいずれの時点でも送信又は受信が可能であることに留意されたい。

第１のステップにおいて、受信器は、チャネル３０１のＣＳＩ３１１を周期的に推定する３１０。これは２つの方法で行うことができる。受信器は、瞬間ＣＳＩ又は平均ＣＳＩを推定することができる。後者の場合、受信器は小規模平均電力遅延プロファイル又はその近似を推定する。正確なＣＳＩは、本発明の実施に必要ない。小規模平均電力遅延プロファイルの近似、又は単にチャネルの実効値（ＲＭＳ）遅延拡散の推定で恩恵を得ることができる。瞬間ＣＳＩを使用するか、それとも平均ＣＳＩを使用するかは、大方、チャネルのシンボル持続時間とコヒーレンス時間との比率に依存する。準静的チャネルでは、瞬間ＣＳＩが好ましい。

第２のステップにおいて、受信器は、チャネル３０１のＳＮＩＲ３２１を周期的に推定する３２０。ＳＮＩＲは、データが受信器に送信されていない「閑散」期間中に推定することができる。この時間中、受信器はアクティブであり、チャネルを「リッスン」している。ＣＳＩ及びＳＩＮＲを推定する多数の方法がある。本発明は、こういった推定を行う従来の方法のいずれを使用しても実施することができる。チャネル及び干渉推定の概観については、J. G. Proakis著「Digital Communications」（fourth edition, McGraw-Hill, New York, 2001）に見出すことができる。

オプションの第３のステップにおいて、送受信器は、他のＵＷＢ送受信器３２９が使用するフレーム持続時間３３１を周期的に取得する３３０。これは、他の送受信器による明示的な送信により行うことができる。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格によるネットワークの文脈の中では、中央調整装置がビーコンを送信する。ビーコンは、調整装置の制御下にある他のすべての装置のフレーム持続時間を含む。

ＣＳＩ及びＳＩＮＲを推定した後、最適なフレーム持続時間３４１が確定される３４０。フレーム持続時間は、送信器或いは受信器において確定することができる。最適なフレーム持続時間は、トレーニング信号と受信信号の間のＲＭＳ誤差、符号化された状態又は符号化されていない状態でのビット誤り率（ＢＥＲ）、又は他の適した基準を最小にする。たとえば、雑音のみが存在する状態での基準送信方式の場合のＢＥＲが、S. Gezici、F. Tufvesson及びA. F. Molisch著「On the performance of transmitted-reference impulse radio」（Proc. Globecom 2004）に述べられている。別法として、最適なフレーム持続時間は、送信データからのＢＥＲ又はＲＭＳ誤差から確定される。送信器においてフレーム持続時間を「ディザリング」することにより、送受信器は、ＢＥＲを向上させるのはより小さなフレーム持続時間であるか、それともより大きなフレーム持続時間であるかを判断することができる。次いで、この情報は送信器に供給され、フレーム持続時間がそれに従って適合される。

最適なフレーム持続時間のタイムホッピング（ＴＨ）系列も最適化する。従来、ＴＨ系列は予め選択され、所定の固定フレーム持続時間に向けて最適化される。予め選択されるＴＨ系列は、異なる送受信器間で相対遅延が変化することに関係なく、１シンボル当たりのパルスの衝突数を最小にしようとする。

本発明は、より短い持続時間に切り詰められた場合に良好な「衝突」属性を保つＴＨ系列３５１を適応的に選択する３５０。異なる長さを有する系列の離散セット３４９を使用することができる。送信器は、この系列のセットから、最適なフレーム持続時間３４１に最適な系列３５１を選択する。

本発明を好ましい実施の形態の例として説明したが、他の各種適応及び変更を本発明の精神及び範囲内で行うことができ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、本発明の真の精神及び範囲内にあるこのような変形及び変更をすべて包含することである。

従来技術による変調技法のタイミング図である。従来技術によるＴＨ−ＩＲ変調のタイミング図である。従来技術によるＴＨ−ＩＲ受信器のブロック図である。本発明によるフレーム持続時間を確定する方法の流れ図である。

Claims

２つの送受信器間のチャネルのチャネル状態情報を周期的に推定すること、
無線システムの他の送受信器が用いる他のフレーム持続時間を周期的に取得すること、
前記チャネル状態情報および前記他のフレーム持続時間に従ってフレーム持続時間を確定すること
を含む、タイムホッピングインパルス無線システムでのフレーム持続時間を確定する方法。
信号対干渉雑音比を周期的に推定すること、及び
前記信号対干渉雑音比に従って前記フレーム持続時間を確定すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報は瞬間的なのものである、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報は瞬時電力遅延プロファイルに基づく、請求項３に記載の方法。
前記チャネル状態情報は時間にわたって平均化される、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報は小規模平均電力遅延プロファイルに基づく、請求項５に記載の方法。
前記チャネル状態情報は、実効値（ＲＭＳ）遅延拡散に基づく、請求項１に記載の方法。
前記信号対干渉雑音比は、データが送信されていない閑散期間中に推定される、請求項２に記載の方法。
前記他のフレーム持続時間は明示的に送信される、請求項１に記載の方法。
前記フレーム持続時間は受信器において確定され、
前記方法は、前記フレーム持続時間を送信器に送信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記チャネル状態情報及び前記信号対干渉雑音比は、受信器において推定され、
前記方法は、
前記チャネル状態情報及び前記信号対干渉雑音比を送信器に送信すること、及び
前記フレーム持続時間を前記送信器において確定すること
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
前記フレーム持続時間はトレーニング信号と受信信号の間のＲＭＳ誤差を最小にする、請求項１に記載の方法。
前記フレーム持続時間は、符号化されたビット誤り率を最小にする、請求項１に記載の方法。
前記フレーム持続時間は符号化されてないビット誤り率を最小にする、請求項１に記載の方法。
前記フレーム持続時間は送信データのＲＭＳ誤差を最小にする、請求項１に記載の方法。
前記フレーム持続時間は送信データのビット誤り率を最小にする、請求項１に記載の方法。
前記フレーム持続時間を送信器においてディザリングすること
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
前記フレーム持続時間に従ってタイムホッピング系列を周期的に選択すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
チャネルのチャネル状態情報及び信号対干渉雑音比を周期的に推定するように構成される受信器であって、
無線システムの他の送受信器が用いる他のフレーム持続時間を周期的に取得する手段、
前記チャネル状態情報、前記信号対干渉雑音比、及び前記他のフレーム持続時間に従ってフレーム持続時間を確定する手段、及び
前記フレーム持続時間を送信する手段
をさらに備える受信器と、
前記フレーム持続時間を受信するように構成される送信器と
を備える、タイムホッピングインパルス無線システム。
チャネルのチャネル状態情報及び信号対干渉雑音比を周期的に推定するように構成される受信器であって、
無線システムの他の送受信器が用いる他のフレーム持続時間を周期的に取得する手段、
前記チャネル状態情報、前記信号対干渉雑音比、及び前記他のフレーム持続時間を送信する手段
をさらに備える受信器と、
前記チャネル状態情報、前記信号対干渉雑音比、及び前記他のフレーム持続時間に従ってフレーム持続時間を確定するように構成される送信器と
を備える、タイムホッピングインパルス無線システム。