JP5738406B2 - フレーム開始デリミタを検出する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に、無線通信に関する。特にパケットベースの通信が検討され、各パケットはフレーム開始デリミタを含む同期プリアンブル部を備える。

典型的な無線パケットは、図１に例示するように、同期プリアンブル（ＳＨＲ）部、物理ヘッダ（ＰＨＲ）部、及びデータ部（「ペイロード」とも呼ばれる）を含み、その順番で送信される。ＳＨＲプリアンブルは、同期フィールド及びフレーム開始デリミタ（ＳＦＤ）を含む。ＳＨＲプリアンブルは、信号取得、信号同期、及び測距を達成するために使用される。ＳＦＤは、同期フィールドの終わり、同期プリアンブル全体の終わり、及び物理ヘッダの開始を検出するために使用される。従って、ＳＦＤは、ＳＨＲとＰＨＲとの間のデリミタとしての役割を果たす。ＰＨＲは、その後に続くデータに関する情報を受信システムに提供するために使用される。データに関する情報は、どの程度の量のデータがパケットにおいて送信されるかの指示、及びどの信号方式又はプロトコルがデータ又はペイロードの送信のために使用されるかの指示などである。

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Ｃ． Ｄｅｓｓｅｔ ｅｔ ａｌ．， "ＵＷＢ ｓｅａｒｃｈ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ｍｉｎｉｍａｌ−ｌｅｎｇｔｈ ｐｒｅａｍｂｌｅ ａｎｄ ａ ｌｏｗ−ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ａｎａｌｏｇ ｒｅｃｅｉｖｅｒ"， Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎ． （ＳＰＡＷＣ）， Ｃａｎｎｅｓ， Ｊｕｌｙ ２００６， ｐｐ．１−５．

一般に、受信機が同期のためにより多くの受信されたビットを利用できるほど、結果としてデータパケットは、より良く受信されかつより高い信頼性を有すると解釈される。

ある複数の実施例において、プリアンブルベースの超低電力の複数の無線通信と同様に、ＳＦＤの長さは、非データ通信のために浪費されるエネルギーを最小化するために通常短い。しかしながら、この短いＳＦＤの長さは受信機がプリアンブルの終わりを識別することを難しくし、従って、信号パケットにおけるデータの、誤検出された又は検出に失敗した開始位置を導く可能性がある。このことは結果として、パケット伝送によって著しいパケットの損失及び／又はエネルギーの増加をもたらす可能性がある。これらの影響は、低い信号対雑音の複数のシナリオに対してより深刻になり、これらの影響は典型的に、超低電力の複数の無線通信において遭遇する。

特許文献１は、変更されたフレーム開始デリミタの検出に関する。特許文献１は主として、復号されたがまだデスクランブルされていない受信信号を用いてどこで同期が実行されるかという問題に取り組んでいる。ＳＦＤを検出するために、受信システムで、デスクランブラの初期化における同期を目的として、１つ又はそれ以上のビットの消費が必要となるであろう。提案された解決方法において、受信システムは、デコードされたがまだデスクランブルされていない受信信号をスキャンする。この受信信号は、使用されているプリアンブルのフォーマットに関連したＳＦＤのスクランブルバージョンのための信号である。この方法において、複数の同期動作のためのこれらのビットの利用可能性は失われない。また、特に、短いプリアンブルが使用される場合、ＳＦＤをまだ信頼性を有して検出しながら、プリアンブルのより多くのビットは同期のために利用可能であるということが利点である。

特許文献２も、フレームの同期に取り組む。システムは、スクランブルされた入力データ信号を受信して取り扱うために開示され、この信号はフレーム開始デリミタ（ＳＦＤ）を有するプリアンブルを含む。デスクランブルされたデータに対するＳＦＤの検索の実行に代えて、システムはスクランブルされた入力データに対してＳＦＤの検索を開始することによって、デスクランブラの初期化の周期をセーブすることを試みる。

特許文献３は、高い雑音レベル及びマルチパスの複数の環境における、マルチレベルの相関技術と、シンボル及びデータフレームの同期を検出する装置とを開示する。相関の最高のレベルが、完全な同期パターンにおける符号化の全てのより低いレベルを含むように、複数の受信信号は、既知の擬似ランダム雑音（ＰＮ）又は他の既知の複数のコードと、ベースレベルで相関され、ベースレベルの複数の相関結果は順番に、ＰＮ又は他の既知の複数のコードを用いて、次に高いレベルで相関される。提案された解決方法は、低い信号対雑音比及び／又はマルチパスの複数の環境において信頼性を有する同期検出を提供する。

特許文献４は、無線ネットワークを介して伝送される複数のデータパケットからデータを抽出する方法に関し、本方法は、プリアンブル部及びペイロード部を有するデータパケットを受信することを含む。プリアンブル部は、第１の既知の拡散シーケンスと相互に相関されて第１のタイミング信号を発生する。プリアンブル部は、第２の既知の拡散信号と相互に相関されて、フレームタイミング信号を発生する。第１のタイミング信号においてインパルスが検出され、第１のタイミング信号において検出されたインパルスに基づいて、第１のタイミングパラメータが設定される。フレームタイミング信号においてインパルスが検出され、フレームタイミング信号において検出されたインパルスに基づいて、フレームタイミングパラメータが設定される。データは、第１のタイミングパラメータ及びフレームタイミングパラメータに従って、受信されたペイロード部から抽出される。

本発明の目的は、複数の信号パケットの構造を不変に保ちながらも、（エネルギー、データレート、及び誤ったＳＦＤ検出の回避の観点から）改善された性能を有するフレーム開始デリミタの検出ための方法及び装置を提供することにある。本発明の更なる目的は、データパケットに対して信号取得を実行する方法を提供することにあり、フレーム開始デリミタの検出のための本方法及び装置が応用される。

本発明は、データパケットの複数のサンプルの受信されたストリームにおける既知のフレーム開始デリミタパターンを検出する方法に関する。データパケットが少なくともプリアンブル部及びヘッダ部を備えることによって、プリアンブル部はヘッダ部の前段に設けられかつフレーム開始デリミタパターンを含む。本方法は、
データパケットの複数のサンプルの受信されたストリームの一部を、フレーム開始デリミタパターンに対応する第１のシーケンスと相関させることによって、第１の相関結果を得るステップと、
第１の相関結果を、与えられたしきい値と比較するステップと、
複数のサンプルの受信されたストリームの一部を、第２のシーケンスと相関させ、第２のシーケンスはプリアンブル部において現れるパターンから導出されかつ第１のシーケンスと異なることによって、第２の相関結果を得るステップと、
第１の相関結果を、第２の相関結果と比較するステップと、
第１の相関結果が、与えられたしきい値よりも大きくかつ第２の相関結果よりも大きい場合に、フレーム開始デリミタパターンが検出されていると判定するステップと、
さもなければ、第１及び第２のシーケンスの別の一部を用いて、前のステップを繰り返すステップとを含む。
実際には、まず両方の相関ステップを実行し、次いで複数の比較ステップを実行することを選択可能である。明らかに、２つの比較のうちのどちらがまず実行されるかは重要ではない。複数の比較結果の両方の条件は、フレーム開始デリミタパターンが検出されていると判定される前に満たされる必要がある。

提案される方法は実際、上記の複数の目的を達成する。パケット構造は、本方法のさまざまなステップによる影響を受けない。第２の評価基準を導入することによって、より信頼性がある方法を用いて、フレーム開始デリミタパターンが実際に検出されていると判定されることができる。この付加的な評価を実行することは、デジタルの実施例において、無視可能な電力及びサイズの増加を必要とする。

好ましい実施形態において、本方法は、そのような第２のシーケンスを決定するステップを含む。

もう１つの好ましい実施形態において、本方法は、別のシーケンスと相関させる少なくとも１つの別のステップを含み、別のシーケンスが、プリアンブル部において現れる別のパターンから導出されかつ第１のシーケンス及び第２のシーケンスと異なることによって、別の相関結果が得られる。本方法は、第１の相関結果が別の相関結果と比較されることによって、第１のしきい値が別の相関結果よりも大きいときに、フレーム開始デリミタパターンを検出する。

第１の相関結果と比較される与えられたしきい値は有利に、受信された雑音電力の推定から導出される。

第２のシーケンスは好ましくは、第１のシーケンスと同一の長さを有する。有利な実施形態において、第２のシーケンスはプリアンブル部におけるパターンであり、プリアンブル部は、フレーム開始デリミタパターンと相関される場合、第１のシーケンスを除外して最大の相関値を生じさせる。

一態様において、本発明はまた、受信機装置において受信された複数のデータパケットの複数のサンプルのストリームに対してデータ取得を実行する方法に関する。本方法は、
所定の雑音レベルのしきい値よりも大きい又は等しい相関結果が得られるまで、複数のサンプルのストリームをランダムシーケンスと相関させることによって、受信されたデータパケットを受信機装置において検出するステップと、
ランダムシーケンスのコードシンボルに対するサンプリング位置を推定して、１つ又はそれ以上のコードシンボルを合成することによってビットを形成する位置を推定するステップと、
前述の方法を用いてフレーム開始デリミタパターンを検出するステップとを含む。

本発明の実施形態において、本方法は、雑音電力の推定を実行し、そのような推定から所定の雑音レベルのしきい値を計算するステップを含む。

好ましい実施形態において、ランダムシーケンスは複数のコードシンボルを含む擬似雑音シーケンスである。この場合において、受信機は直接シーケンススペクトラム拡散方式の受信機である。変形例として、ランダムシーケンスは１つのみのコードシンボルを含む。この場合において、本システムは、非直接的なシーケンススペクトラム拡散システムである。

もう１つの態様において、本発明は、既知のフレーム開始デリミタパターンを検出する装置に関する。本装置は、
データパケットの複数のサンプルのストリームを受信し、データパケットは少なくともプリアンブル部及びヘッダ部を備え、プリアンブル部はヘッダ部の前段に設けられかつフレーム開始デリミタパターンを含む受信機手段と、
データパケットの複数のサンプルの受信されたストリームの一部を、フレーム開始デリミタパターンに対応する第１のシーケンスと相関させることによって、第１の相関結果を得る第１の相関手段と、
第１の相関結果を、与えられたしきい値と比較する第１の比較手段と、
複数のサンプルの受信されたストリームの一部を、第２のシーケンスと相関させ、第２のシーケンスはプリアンブル部において現れるパターンから導出されかつ第１のシーケンスと異なることによって、第２の相関結果を得る第２の相関器手段と、
第１の相関結果を第２の相関結果と比較する第２の比較手段と、
比較手段の複数の結果を合成する合成手段とを備える。

好ましくは、第１及び第２の相関器手段は複数のスライディング相関器である。

有利には、第１及び第２の相関器手段は有限インパルス応答フィルタを備える。

解決方法は、信号パケットの構造を変更することなく、フレーム開始デリミタの検出の改善された性能のために提供される。本発明に係るアプローチがＳＦＤの検出を可能にすることによって、エネルギー及びデータレートが低減されかつＳＦＤの誤った検出及び再送信が避けられる。このことは、超低電力の複数の無線通信に非常に望ましい。従来のＳＦＤ検出と比較すると、付加的な評価基準は、ＳＦＤが検出されたか否かを確認するために用いられる。この評価基準は、信号パケットの構造を変更することなく得られる。付加的な評価基準は、デジタルの実施例において、無視可能な電力及びサイズの増加を必要とする。従来、受信機がサンプリング位置を発見した後、複数の信号の復調が開始され、あるしきい値を超えるまで、ＳＦＤシーケンスを有する複数の復調された信号がスライドされる。提案された検出アプローチにおいて（推定された雑音電力に関するしきい値を超える場合）、検討される複数の復調された信号は、同一のＳＦＤシーケンス長を有するもう１つの所定のシーケンスと相関される。この所定のシーケンスの選択は、同一のＳＦＤシーケンス長を有するすべての可能な複数のビットパターンを含むコードブックに基づかない。むしろ、その所定のシーケンスは、プリアンブルパターンに対応して選択される。プリアンブルをスパンするウィンドウのスライディングを用いてそれをＳＦＤシーケンスと相関させることによって、２番目に大きな相関結果（最大の相関結果はＳＦＤシーケンスそれ自身との相関結果であろう。）を生じさせるウィンドウ内シーケンスは、所定のシーケンスとして決定される。ＳＦＤシーケンスからの相関結果が所定のシーケンスからの相関結果よりも大きい場合、ＳＦＤが検出される。さもなければ、複数の復調された信号は、２つの基準が満たされるまで相関させることを継続する必要がある。２つの基準は、ＳＦＤシーケンスとの相関結果がしきい値よりも大きいことと、所定のシーケンスとの相関結果よりも大きいことである。１つの所定のシーケンスを使用するコンセプトは、複数の所定のシーケンス（３番目に大きな相関結果、４番目に大きな相関結果、など）の使用に一般化可能である。

データパケットの構造を例示する。 スペクトラム拡散システムを例示する。 複数のタイミング取得ステップのフローチャートを例示する。 同期ヘッダのプリアンブルの構造を例示する。 複数のサンプルを格納するための可能な実施例を例示する。 すべての相関結果の最大値を発見するコンセプトを例示する。 従来のＳＦＤ検出アルゴリズムを例示する。 提案されたＳＦＤ検出アルゴリズムの実施形態を例示する。 Ｎ個のタップを有するＦＩＲフィルタを例示する。 提案されたＳＦＤ検出アルゴリズムの実施例を例示する。 所定のシーケンスの決定を例示する。 ＰＮの長さが１である場合の、異なる複数のＳＮＲに対する同期誤り率のプロットを示す。 ＰＮの長さが４である場合の、異なる複数のＳＮＲに対する同期誤り率のプロットを示す。 ＰＮの長さが１である場合の、異なる複数のＳＮＲに対するエネルギー結果を比較するプロットを示す。 ＰＮの長さが１である場合の、異なる複数のＳＮＲに対する有効データレートを比較するプロットを示す。

現在好ましい複数の実施形態は、添付の複数の図面とともに以下に説明される。いくつかの図において、類似の参照番号は類似の構成要素を引用する。

本発明は、特定の複数の実施形態に関して、ある複数の図面を参照して説明されるが、本発明はそれらに限定されない。説明される複数の図面は、図示のみのため用いられ、限定するために用いられない。複数の図面において、複数の構成要素のいくつかのサイズは、例示の目的のために誇張されて正しい縮尺で描かれない。

さらに、明細書及び特許請求の範囲における「第１の」、「第２の」、「第３の」などの用語は、類似の複数の構成要素の間の識別のために用いられ、順次的な又は年代的な順序の説明のために必要ではない。それらの用語は、適切な状況の下で交換可能であり、本発明の複数の実施形態は、ここに説明され又は例示される順序とは異なる他の複数の順序で動作可能である。

さらに、明細書及び特許請求の範囲における上部、底部、上、下などの用語は、説明の目的のために用いられ、相対的な位置の説明のために必要ではない。そのように用いられる用語は、適切な状況の下で交換可能であり、ここに説明される本発明の複数の実施形態は、ここに説明され又は例示される方向とは異なる他の複数の方向で動作可能である。

特許請求の範囲において用いられる用語「備える」は、以下に記載される意味に限定されて解釈されるべきではない。用語「備える」は、他の複数の構成要素又は他の複数のステップを除外しない。用語「備える」は、説明された複数の特徴、複数の整数、複数のステップ、又は複数の構成要素の存在の指定として解釈されるべきであるが、１つ又はそれ以上のその他の複数の特徴、複数の整数、複数のステップ、又は複数の構成要素、若しくはこれらのグループの存在又は付加を排除しない。従って、「手段Ａ及びＢを備える装置」なる表現の範囲は、構成要素Ａ及びＢのみからなる複数の装置に限定されるべきではない。当該表現は、本発明に関して、装置の関連構成要素はＡ及びＢのみであることを意味する。

本発明は、プロセス、装置、システム、又はコンピュータにより可読なメディアを含む、多数の方法で実施可能であることが理解されるべきである。なお、開示される複数のプロセスのステップの順番は、本発明の範囲内において変更可能である。

本発明において、複数のサンプルのストリームにおけるフレーム開始デリミタ（ＳＦＤ）を検出するためのアプローチが開示される。従来の複数の相関動作及び複数の比較動作意外に、付加的な相関及び比較が、ＳＦＤが実際に検出されていると判定される前に実行される。

プリアンブルベースの超低電力の複数の無線通信において、信号パケットのフォーマットは通常、３つの主要な構成要素を備える。３つの主要な構成要素は、図１に示すように、同期ヘッダ（ＳＨＲ）プリアンブル、物理層ヘッダ（ＰＨＲ）、及びデータフィールドである。ＳＨＲプリアンブルは、同期フィールド及びフレーム開始デリミタ（ＳＦＤ）を含み、タイミング取得アルゴリズムによって使用される。無線チャンネル上にパケットがあることを検出できかつ正しい復調及びデコードのためにこのパケットと同期させることを可能とするために、そのようなアルゴリズムは必要である。ＰＨＲは、パケットの正常なデコードのために必要な情報を受信機に伝送する。データフィールドは、メディアアクセスコントロール（ＭＡＣ）ヘッダ、ペイロード、及び周期的冗長性チェック（ＣＲＣ）を含むことが可能である。ＰＨＲ及びデータフィールドの両方は、提案された検出アルゴリズムによって抽出される。

本発明のアプローチは、複数の直接シーケンススペクトラム拡散（ＤＳＳＳ）システムを例にして、以下に説明される。ここで、ＳＦＤの検出は典型的には、最後のステップである。なお、ＤＳＳＳシステムは、ベースバンド信号を、複数のＰＮコードシンボルから構成される擬似雑音（ＰＮ）シーケンスと直接乗算することによって、ベースバンド信号を拡散させる。ＤＳＳＳシステムは例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．４及びＤＳ−ＣＤＭＡシステムなどである。ベースバンド信号とＰＮシーケンスとの乗算が実行されないような「通常の」（すなわち、非ＤＳＳＳの）複数のシステムは、ＰＮの長さが１である場合のＤＳＳＳシステムと見なされることが可能であるため、本アプローチは容易に、そのような複数のシステムに拡張可能である。ＳＦＤ検出ステップにおける２つの基準に加えて、タイミング取得アルゴリズムの異なる複数のステップにおけるＰＮシーケンスの異なる複数のバージョン（すなわち、ＰＮシーケンスのための異なる複数のアルファベット（文字））の適切な使用も、提案されるアプローチにおいて検討される。

ＤＳＳＳ技術は、ベースバンド信号を複数のＰＮコードシンボルから構成されるＰＮシーケンスと直接乗算することによって、ベースバンド信号を拡散させる。ＰＮコードシンボルはチップと呼ばれ、ＰＮシーケンスにおけるチップの数は、図２に示すようにＬ_ＳＣと記される。チャンネル上において信号対雑音比を向上させることの結果として生じる効果は、処理利得と呼ばれる。より長いＰＮシーケンスを利用することによって、すなわち１ビットあたりにより多くのチップを合成することによって、この効果を大きくすることができる。

タイミング取得アルゴリズムにおいて、受信機は、受信信号が最大のエネルギーで回復可能な位置を発見するために、すべての可能な位置を検索する必要がある。ＤＳＳＳシステムに対して、３つのタイミング情報パラメータが推定される必要がある:
−パルスレベル位置、すなわち、信号が１つのチップ内においてサンプリングされることができる位置。
−コードレベル位置：これは、複数の信号が合成開始されて１ビットを形成する位置である。
−ビットレベル位置：これは、データペイロードが有効に開始する位置である。
複数のサンプリング位置とそれらの複数の理想的な位置との間の複数のオフセットはそれぞれ、パルスレベルオフセット、コードレベルオフセット、及びビットレベルオフセットと言われる。

典型的には、例えば非特許文献１において示されるように、パルスレベル位置及びコードレベル位置を検索する２つの可能な取得方法がある。すなわち、まずパルスレベル位置を検索してその後にコードレベル位置を検索するか、両方の位置を同時に検索するかのいずれかがある。第１の方法では２つの位置の検索が分離されるために、第１の方法は原則として、第２の方法と比較するとより小さな検索空間を必要とする。しかしながら、この方法はパルスレベル位置の検索時にエネルギーの蓄積不足を有する。これは、伝送電力が１チップに対して非常に小さい超低電力の複数のシステムに対して望ましくない。また、この第１の方法は、２つの位置が順番に検索されるために、より長いプリアンブルを必要とする。検討されるタイミング取得アルゴリズムは好ましくは、必要とされるプリアンブルの長さを最小化するために、第２の方法すなわちパルスレベル位置及びコードレベル位置の両方に対する同時検索に基づく。

ＳＦＤの検出のための付加的な基準を用いるアプローチは、５つのステップのタイミング取得アルゴリズム内において例示される。しかしながら、本アプローチはＳＦＤの検出を必要とする任意の取得アルゴリズムに適合するために、本発明はそれらに限定されない。検討されるタイミング取得アルゴリズムの５つのステップのフローチャートは、図３に例示される。図３に示すように、これらの５つのステップは、雑音電力推定、信号検出、確認、２つのタイミングパラメータの推定、及びＳＦＤ検出を含む。

検討されるプリアンブルは、図４に例示される。すでに説明されたように、ＳＨＲプリアンブルは、ＳＨＲ同期（ＳＹＮＣ）フィールドとＳＦＤとの２つの部分から構成される。ＳＹＮＣフィールドは、複数の同一のＳＨＲビットＢ_ｉから構成される。このＳＨＲビットは、ＤＳＳＳシステムが考えられる場合、ＰＮシーケンスを用いて拡散される。ＳＦＤは，プリアンブルの終了を示すために用いられる。それは、ＳＨＲビットＢ_ｉを用いて特別に設計されたシーケンス（すなわちＳＦＤシーケンス）を拡散することによって得られる。このＳＦＤシーケンスは、複数の誤ったアラームを避けるために、良好な自己相関特性と、ＳＦＤシーケンスの巡回シフトされた複数の置換シーケンスとの低い相互相関とを有する特別なシーケンスである。

ステップ１：雑音電力推定
タイミング取得の開始時、受信機は、複数の信号サンプルの受信されたストリームが雑音から識別可能なようにしきい値を定義するために、雑音電力を推定する必要がある。この推定は特に、低い信号対雑音比（ＳＮＲ）で動作するときに必要とされる。また、推定された雑音電力は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）の前段に設けられた可変利得増幅器（ＶＧＡ）制御するためにも利用される。なお、雑音電力は通常、複数の隣接パケットにおいて一定のままであるため、本ステップは全てのパケットに対して実行される必要はない場合がある。雑音電力は、これらのサンプルが雑音のみを含むと仮定して複数のサンプルにわたって電力を平均することによって、推定される。受信機は典型的にはパケットが受信される前に複数の信号を受信するようにスイッチがオンされるために、この仮定は現実的である。

ステップ２：信号検出
本ステップにおいて、信号パケットの存在が識別される。本ステップは、相関結果がしきい値を上回るまで、受信された複数のサンプルを、信号を拡散するために使用されるＰＮシーケンスの（巡回シフトされた）複製と、継続的に相関させる。本ステップは、パルスレベル位置及びコードレベル位置の性質の同時推定を利用する。

理想的なパルスレベル位置は、信号レベルが１つのチップにおいて最大となる位置である。検索される１つのパルス期間内において、必要とされる解像度に応じてＬ_ｓ個の可能なパルスレベル位置が存在する。Ｌ_ｓの選択は、タイミングの解像度と複雑性との間のトレードオフである。一般に、これらのＬ_ｓ個の可能なパルスレベル位置から複数のサンプルを得るための２つの方法がある。第１の方法は、より高速なＡＤＣを使用してチップをＬ_ｓ回オーバーサンプリングすることである。第２の方法は、複数のサンプルがＬ_ｓ個のチップ上にわたって得られることが可能なように、遅延線を使用することである。いずれかの方法が、ここで検討されるアプローチにおいて使用可能である。

パルスレベル位置及びコードレベル位置の同時推定の原理は、以下の実施例において例示可能である。まず、Ｌ_ｓ個の先入れ先出し（ＦＩＦＯ）バッファの全てが複数のサンプルを格納するために使用される。各バッファは、１つの可能なパルスレベル位置に対応する。ＳＨＲビット全体のサンプリングの後、Ｌ_ｓ個のバッファの全ては、Ｌ_ｓｃ個のサンプルで満たされる（図５参照）。この場合において、各バッファ内において（すなわち、与えられたサンプリングされたパルスレベル位置に対して）、図６に示すように以下の複数のステップが実行される：
・格納された複数のサンプルと、ＰＮシーケンスの全ての可能な回転との複数の相関が計算される。各加算オペレータは、複数の相関のうちの１つを出力する。
・全てのこれらの相関の最大値は決定され、このバッファの出力と見なされる。対応するコードレベル位置は、この与えられたパルスレベル位置に対して選択されたコードレベル位置である。

最後に、Ｌ_ｓ個のバッファの複数の出力は比較されて、最大値がこのタイミング取得フェーズの出力として選択される。この出力に対応するパルスレベル位置及びコードレベル位置は、このタイミング取得フェーズにおいて推定されたパルスレベル位置及びコードレベル位置である。出力がしきい値よりも大きい場合、信号が存在しているということが結論されることが可能である。この場合において、信号検出ステップが停止して、確認ステップが開始する。さもなければ、受信された複数のサンプルのもう１つのセットを利用することによって、信号検出ステップが継続する。

ＰＮシーケンスの少なくとも２つの可能なバージョンは、受信信号と相関させるために使用されることが可能であり、従って、結果として（異なる性能が結果として得られる複数のＰＮアルファベット（文字）バージョンを考慮する）２つの非コヒーレントな相関方法が得られる。第１のバージョンは、アルファベット（文字）｛０，＋１｝を有する。なお、このバージョンにおける要素のうちの半分はゼロである。従って、対応する受信された複数のサンプルは利用されないであろう。これは、受信された複数のサンプルが主として雑音を含む場合に望ましい。雑音の半分を捨てることは、信頼性を有する複数の決定のために有益である。第２のバージョンは、アルファベット（文字）｛−１，＋１｝を有する。明らかに、全ての受信された複数のサンプルは、ここで利用されるであろう。これは、受信された複数のサンプルの大部分が有用な情報を含む場合に望ましい。全ての情報を利用することは、有用な情報の半分を捨てることよりも良い。なお、処理されることとなる受信された複数のサンプルは典型的には雑音を含む。

ステップ３：確認
本ステップは、今回は複数のサンプルがいくつかのＳＨＲビットにわたって平均されることを除いて、信号検出ステップと同一である。追加の平均処理は、雑音を有する複数の信号の分散を低減する利点を有することよって、品質が低い複数のＳＮＲのシナリオにおけるタイミング取得アルゴリズムの信頼性が向上する。さらに、追加の平均処理は、低速でありさらに低電力の複数のデジタル信号処理プロセッサに対して、計算負荷の緩和の利点を有する。これは、全ての相関の計算時間が１つのＳＨＲビットの周期からいくつかのＳＨＲビットの複数の周期に拡張されるためである。出力がしきい値よりも大きい場合、信号は存在していると仮定される。この場合において、タイミング取得アルゴリズムにおける次のステップは開始される。さもなければ、受信機は、信号検出ステップに戻る。なお、本ステップにおいて、処理されることとなる受信された複数のサンプルは典型的には信号を含むと仮定される。従って、アルファベット（文字）｛−１，＋１｝を有するＰＮシーケンスは、（受信信号が位相情報を含む場合）選択される。確認ステップを終えた後、受信された複数のサンプルは常に複数の信号を含むことが期待される。アルファベット（文字）｛−１，＋１｝を有するＰＮシーケンスは、従って選択されることとなる。

ステップ４：２つのタイミングパラメータの推定
本ステップにおいて、パルスレベル位置及びコードレベル位置の両方の推定に焦点が置かれる。本ステップの原理は、確認ステップの原理と同一である。しかしながら、本ステップにおいて、信号パケットの存在を決定するためのしきい値は存在しない。代わりに、最大の相関結果が考慮される。対応するパルスレベル位置及びコードレベル位置は、本ステップにおいて推定される位置である。なお、必要な場合には、より細かいタイミング解像度が、パルスレベル位置を決定するために考慮される。

ステップ５：ＳＦＤ検出
２つのタイミングパラメータが推定された後、受信された複数のサンプルの合成をどこで開始して複数のＳＨＲビットの復調のためのＰＮシーケンスと相関させるかを知ることが可能である。アルファベット（文字）｛−１，＋１｝を有するＰＮシーケンスは、相関のために使用可能である。相関結果は、信号の復調のために使用される。受信機は、残っている複数のＳＨＲビットを継続的に復調する。受信機は、複数の復調された信号をスライドさせ、与えられたしきい値を超えるまで、ＳＦＤシーケンスの複製と相関させる。なお、ＳＦＤは、ＰＮシーケンスの一種でもある（例えば、第２のバージョンが使用され、すなわちアルファベット（文字）｛−１，＋１｝が用いられる）。全ての残りの評価基準が満たされると、ＳＦＤは検出されて、受信機はデータ復調モードに入り始める。一般に、ハードウェア情報を含む複数の復調された信号又はソフトウェア情報を含むそのような信号のいずれかは、ＳＦＤと相関させるために使用可能である。ハードウェア情報の場合に対して、各ＳＨＲビット−１又は＋１は決定され、次いでＳＦＤと相関される。ソフトウェア情報の場合に対して、各ＳＨＲビットに関連する相関結果は、ＳＦＤと相関させるために使用される。

ＳＦＤシーケンスとは異なるシーケンスに対する相関結果がしきい値を上回る場合、このシーケンスは、ＳＦＤシーケンスそれ自身を除いてプリアンブルにおいてＳＦＤシーケンスに最も類似したシーケンスである可能性が非常に高い。この理由により、復調された信号をこのシーケンスと相関させることが可能であり、このシーケンスは、一度プリアンブルのパターンが既知となる前に決定可能である。このシーケンスは、「所定のシーケンスと呼ばれる。今や、ＳＦＤシーケンスに対応する相関結果と、所定のシーケンスに対応する相関結果との２つの相関結果がある。第１の相関結果が第２の相関結果よりも大きい場合、ＳＦＤが検出されたと結論可能である。さもなければ、本アプローチは、基準が満たされるまで複数のビットの復調を継続する。相関のためにこのシーケンスを使用することの主要な利点は、所定のシーケンスによる誤ったアラームの確率を最小化できることであり、所定のシーケンスはプリアンブルにおいて誤ったＳＦＤのアラームを引き起こすシーケンスである可能性が最も高い。さらに、誤ったアラームの確率を顕著に増加させることなく検出の失敗の確率を低減させるために、付加的な評価基準を用いてしきい値を下げることが可能である。

提案されたＳＦＤモジュールのハードウェアの実施例は、以下に説明される。提案されたＳＦＤ検出アルゴリズムは、複数のビットを、２つのシーケンスすなわちＳＦＤシーケンス及びいわゆる所定のシーケンスと相関させる。所定のシーケンスとの付加的な相関のために、必要とされるゲート（ハードウェア）の数量は増加するであろう。しかしながら、ハードウェアの複数の機能の一部をシェアすることによって、付加される論理回路の数量は低減可能である。

本発明のＳＦＤ検出モジュールのハードウェアの実施例は、従来のＳＦＤ検出ユニットと比較される。面積及び電力の観点から両方の設計を比較するために、ポストレイアウトシミュレーションが実行される。両方のユニットのブロック図は、図７及び図８に示される。第１の図（図７）は、１つの相関モジュール及び１つの比較器に基づいた従来のＳＦＤ検出ユニットを示す。第２のブロック図（図８）は、（ＳＦＤ及び所定のシーケンスを用いた）２つの相関、２つの比較器、及び論理積ユニットを含む提案されたＳＦＤアルゴリズムの実施例を描く。面積及び電力消費の観点から、複数の相関モジュールは、両方のＳＦＤ検出アルゴリズムに優勢的に普及している複数のモジュールである。提案されたアルゴリズムが１つの相関モジュールに代えて２つの相関モジュールを必要とするという事実は、面積及び電力に関する影響を有する。しかしながら、両方の相関ユニットは同一の複数のサンプルを使用するために、２つの相関器の一部はシェア可能である。

相関機能のハードウェアの実施例は、図９に示すように、Ｎ個のタップを有する有限インパルス応答フィルタに等しい。信号ｓとシーケンスｇとの間の相関値

を計算する関数

は、図９に示される通常のＮ個のタップのＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタによるハードウェアにおいて実施可能である。ｓがパッケージの受信されたビットストリームに等しくかつｇがフレームの開始を示すために使用されるＳＦＤシーケンスに等しい場合、

は相関値に等しい。このモジュールの遅延／格納の複数の構成要素をシェアすることによって、第２の相関値

を計算するために必要とされる付加的なハードウェアは縮小可能である（図１０参照）。

複数のポストレイアウト電力シミュレーションを用いて、両方の設計に対する動的電力及び漏れ電力が比較される。表１に記載の複数の値は、６０μ秒のポストレイアウトシミュレーションから抽出される。クロック周波数は６ＭＨｚであり、複数のサンプルのデータレートは１ＭＨｚである。

従来の設計と提案された設計との比較は、モジュールそれ自身に対して、動的電力が６．６％増加し、かつ漏れ電力が３２％増加することを示す。受信機アルゴリズム全体の電力が考慮される場合（表１の最後の列）、提案されたＳＦＤ検出アルゴリズムに対する電力の増加は無視可能である（動的電力０．３％、漏れ電力０．７％）ことが明らかである。

表２は、基準（すなわち従来）のアルゴリズム及び提案されたアルゴリズムに対して必要とされる面積を含む。

受信機アルゴリズム全体のために必要な面積と比較すると、提案されたＳＦＤ検出アルゴリズムの面積の増加は１．５９％だけである。

複数のコンピュータシミュレーションは、タイミング取得アルゴリズムの性能を評価するために実行される。検討されるＳＦＤシーケンスは［−１ １ −１ １ １ −１ −１ １］（ＰＮシーケンスの第２のバージョン）であり、図４に示される複数のＳＨＲビットは、全て１である。所定のシーケンスの選択は、決定されたプリアンブルパターンに応じて行われる。図１１に示すように、ウィンドウは下方にスライドして、ＳＦＤシーケンスと相関させる。最大の相関結果は８であり、この相関結果はプリアンブルにおけるＳＦＤシーケンスに対応することが分かる。２番目に大きな相関結果は２であり、この相関結果は［１ １ １ １ １ １ −１ １］に対応する。これは、ＳＦＤシーケンスの６ビット前に位置するシーケンスである。パケットが誤って同期される場合、同期誤りであると考えられる。

図１２は、ＰＮの長さが１である場合の、異なる複数のＳＮＲに対する同期誤り率（ＳＥＲ）をプロットする。括弧内の数字は、ＳＦＤステップにおいて使用されるしきい値を示し、このしきい値は、推定された信号電力を所定の整数Ｔ_ｒ倍して２で除算した値である。「従来」は従来のＳＦＤ検出を示し、これは第２の推定が考慮されない場合に使用される。この場合において、しきい値は、推定された信号電力の４倍を２で除算した値に設定される。図１２から、しきい値がＳＥＲに顕著に影響を与えるであろうということは明らかである。しきい値Ｔｒが３である場合の複数の低いＳＮＲ値では、本発明において提案されるような付加的な推定を使用することはより良好な性能を提供できるということが発見される。設定Ｔｒ＝２は、１０ｄＢを超える複数のＳＮＲ値に対して最良の性能を達成できることが発見される。

図１３は、ＰＮの長さが４である場合の、異なる複数のＳＮＲに対するＳＥＲをプロットする。従来のＳＦＤ検出と比較すると、提案されたような付加的な推定の使用は常により良好な性能を提供する。さらに、設定Ｔｒ＝４の場合、最良の性能が達成される。ＳＥＲが１％の場合、ＳＮＲ値は３．５ｄＢの性能の改善を有する。

図１４は、ＰＮの長さが１である場合の、異なる複数のＳＮＲに対する複数のエネルギー結果をプロットする。ここで、受信機の電力消費は１０ｍＷであることが仮定される。１つのパケットは１Ｍｂｐｓのデータレートの１０００ビットを有する。従って、各パケットは、１０μＪを消費する。ＳＥＲによって、パケットは再送信される必要があり、結果としてエネルギーの増加をもたらす。図１４は、正しく受信している１つのパケットの対象の平均エネルギーが１２μＪである場合に、設定Ｔｒ＝３は従来のＳＦＤ検出と比較すると５ｄＢの改善を生じさせることを示す。

図１５は、ＰＮの長さが１である場合の、異なる複数のＳＮＲに対する複数の有効データレートをプロットする。ここで、１Ｍｂｐｓのデータレートが仮定される。ＳＥＲによって、パケットは再送信される必要があり、結果として有効データレートの減少をもたらす。図１５から、対象の有効データレートが０．９Ｍｂｐｓである場合、設定Ｔｒ＝３によって、従来のＳＦＤ検出と比較すると約５ｄＢの改善が達成されることが分かる。

付加的な評価の使用は常に、従来のＳＦＤ検出の方法と比較して、より良好な性能を達成する。さらに、実施されたアルゴリズムは、従来のアルゴリズムと比較すると、電力消費及びチップサイズを無視可能に増加させるであろう。超低電力の複数の無線通信システムの実用的な実施例に対して提案されたアルゴリズムを使用することが望ましいと結論される必要がある。

Claims (13)

1. データパケットの複数のサンプルの受信されたストリームにおける既知のフレーム開始デリミタパターンを検出する方法であって、前記データパケットは、少なくともプリアンブル部及びヘッダ部を備え、前記プリアンブル部は、前記ヘッダ部の前段に設けられかつ前記フレーム開始デリミタパターンを含み、前記方法は、
   前記データパケットの複数のサンプルの前記受信されたストリームの一部を、前記フレーム開始デリミタパターンに対応する第１のシーケンスと相関させることによって、第１の相関結果を得るステップと、
   前記第１の相関結果を、与えられたしきい値と比較するステップと、
   複数のサンプルの前記受信されたストリームの一部を、前記プリアンブル部において現れるパターンから導出されかつ前記第１のシーケンスと異なる第２のシーケンスと相関させることによって、第２の相関結果を得るステップと、
   前記第１の相関結果を、前記第２の相関結果と比較するステップと、
   前記第１の相関結果が、前記与えられたしきい値よりも大きくかつ前記第２の相関結果よりも大きい場合に、前記フレーム開始デリミタパターンが検出されていると判定するステップと、
   さもなければ、前記データパケットの複数のサンプルの前記受信されたストリームの前記一部とは異なる別の一部を用いて、前のステップを繰り返すステップとを含む方法。
2. 前記第２のシーケンスを決定するステップを含む請求項１に記載のフレーム開始デリミタパターンを検出する方法。
3. 前記複数のサンプルの前記受信されたストリームの一部を、前記プリアンブル部において現れる別のパターンから導出されかつ前記フレーム開始デリミタパターン及び前記第２のシーケンスと異なる別のシーケンスと相関させることによって、別の相関結果を得るステップと、
   前記第１の相関結果を前記別の相関結果と比較することによって、前記第１のしきい値が前記別の相関結果よりも大きいときに、前記フレーム開始デリミタパターンを検出するステップとのうちの少なくとも１つの別のステップを含む請求項１又は２に記載のフレーム開始デリミタパターンを検出する方法。
4. 前記与えられたしきい値は、受信された雑音電力推定から導出される請求項１から３までのうちのいずれか一項に記載のフレーム開始デリミタパターンを検出する方法。
5. 前記第２のシーケンスは、前記第１のシーケンスと同一の長さを有する請求項１から４までのうちのいずれか一項に記載のフレーム開始デリミタパターンを検出する方法。
6. 前記第２のシーケンスは前記プリアンブル部におけるパターンであり、前記プリアンブル部は、前記フレーム開始デリミタパターンと相関される場合、前記第１のシーケンスを除外して最大の相関値を生じさせる請求項５に記載のフレーム開始デリミタパターンを検出する方法。
7. 受信機装置において受信された複数のデータパケットの複数のサンプルのストリームに対してデータ取得を実行する方法であって、前記方法は、
   所定の雑音レベルのしきい値よりも大きい又は等しい相関結果が得られるまで、複数のサンプルの前記ストリームを、ランダムシーケンスと相関させることによって、受信されたデータパケットを前記受信機装置において検出するステップと、
   前記ランダムシーケンスのコードシンボルに対するサンプリング位置を推定して、１つ又はそれ以上のコードシンボルを合成することによってビットを形成する位置を推定するステップと、
   請求項１から６までのうちのいずれか一項に記載の前記方法を用いてフレーム開始デリミタパターンを検出するステップとを含む方法。
8. 雑音電力推定を実行して、前記推定から前記所定の雑音レベルのしきい値を計算するステップを含む請求項７に記載のデータ取得を実行する方法。
9. 前記ランダムシーケンスは、１つのコードシンボルを含む請求項７又は８に記載のデータ取得を実行する方法。
10. 前記ランダムシーケンスは、複数のコードシンボルを含む擬似雑音シーケンスであり、前記受信機は、直接シーケンススペクトラム拡散方式の受信機である請求項７又は８に記載のデータ取得を実行する方法。
11. 既知のフレーム開始デリミタパターンを検出する装置であって、前記装置は、
    データパケットの複数のサンプルのストリームを受信し、前記データパケットは少なくともプリアンブル部及びヘッダ部を備え、前記プリアンブル部は、前記ヘッダ部の前段に設けられかつ前記フレーム開始デリミタパターンを含む受信機手段と、
    前記データパケットの複数のサンプルの前記受信されたストリームの一部を、前記フレーム開始デリミタパターンに対応する第１のシーケンスと相関させることによって、第１の相関結果を得る第１の相関器手段と、
    前記第１の相関結果を、与えられたしきい値と比較する第１の比較手段と、
    複数のサンプルの前記受信されたストリームの一部を、前記プリアンブル部において現れるパターンから導出されかつ前記第１のシーケンスと異なる第２のシーケンスと相関させることによって、第２の相関結果を得る第２の相関器手段と、
    前記第１の相関結果を、前記第２の相関結果と比較する第２の比較手段と、
    前記第１の相関結果が、前記与えられたしきい値よりも大きくかつ前記第２の相関結果よりも大きい場合に、前記フレーム開始デリミタパターンが検出されていると判定する判定手段と、
    さもなければ、前記データパケットの複数のサンプルの前記受信されたストリームの前記一部とは異なる別の一部を用いて、前記第１の相関器手段、前記第１の比較手段、前記第２の相関器手段、前記第２の比較手段、及び前記判定手段による動作を繰り返す繰り返し手段とを備える装置。
12. 前記第１及び第２の相関器手段は、複数のスライディング相関器である請求項１１に記載の既知のフレーム開始デリミタパターンを検出する装置。
13. 前記第１及び第２の相関器手段は、有限インパルス応答フィルタを備える請求項１１又は１２に記載の既知のフレーム開始デリミタパターンを検出する装置。

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