KR20050105212A - 가변 사인/위상 및 펄스간 시간 변조된 다중-대역 ｕｗｂ통신 시스템 - Google Patents

가변 사인/위상 및 펄스간 시간 변조된 다중-대역 ｕｗｂ통신 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 무선 통신 시스템은 다중-대역 시도를 사용함으로써 정보 신호들의 고속 전송을 수행한다. 각각의 대역은 약 500MHz에 걸친다(span). 각각의 대역 내의 융통적인 변조 체계는 서브대역 조건들에 대한 데이터 속도의 적응을 허용하는 시간, 진폭 및 위상 변조를 사용한다. 또한, 의사-랜덤 주파수 시퀀스는 충분한 다중-사용자 간섭 감소를 제공하도록 사용된다.

Description

가변 사인/위상 및 펄스간 시간 변조된 다중-대역 ＵＷＢ 통신 시스템 {VARIABLE SIGN/PHASE AND INTER-PULSE TIME MODULATED MULTI-BAND UWB COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 고속 데이터 통신 시스템들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고속 데이터 응용들에 대한 초광대역(Ultra Wide Band; UWB) 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 가장 상세하게는, 본 발명은 초단위 디지털 데이터당 멀티-메가비트를 전달하도록 변조된 다중-대역 UWB 시스템에 관한 것이다.
UWB는 때때로 임펄스 라디오 또는 제로-캐리어 기술이라 칭해진다. 임펄스 라디오 시스템들은 전형적으로 10 내지 1000 피코초의 비교적 낮은 듀티 사이클의 광대역 펄스들 및 단기간의 펄스 트레인들의 전송을 특징으로 한다. 일부 시스템들에서, 이들 펄스들은 순간 펄스 대역폭이 대략적으로 중심 주파수가 되도록 하는 것이다.
종래의 UWB 통신 시스템들은 협대역 또는 스프레드-스펙트럼 시스템들보다 훨씬 더 큰 대역폭에 걸쳐 에너지를 전송한다. 그것은 통상적으로 1ns 이하의 매우 좁은 펄스 폭을 갖는 펄스 트레인 신호를 사용함으로써 기저대 전송을 수행하도록 설계되어 있다.
그의 낮은 신호 밀도로 인해, UWB 구현은 다른 무선 시스템들에 의해 간섭을 적게 받고, 종래 기술의 무선 통신 시스템들에 의해 사용된 주파수 대역들을 중복시킬 수 있는 기술인 것으로 기대된다. 더욱이, 그의 초광대역 때문에, UWB는 개인 영역 통신망(PAN)에서 대략 100Mbps로 초고속 무선 통신을 위해 사용될 것으로 기대된다. 이는 UWB 통신에 대해 3.1 내지 10.6 GHz 대역의 FCC의 채용에 의해 특별히 지원되고, 이를 근거로 수백만 개의 UWB-기초한 시스템들이 가까운 장래에 사용될 것으로 예상된다.
대부분에 대해, 종래 기술의 UWB 구현들은 펄스 진폭 및 펄스간 거리가 커질 수 있는 낮은 펄스 반복 속도를 갖는 저속 데이터 응용들로 지향된다. 이는 UWB의 종종 인용되는 이익, 즉, 다중-경로 간섭 등의 간섭에 대한 탄력성을 초래한다. 그러나, 장래의 응용들은 100Mbs 내지 500Mb/s 범위의 훨씬 더 빠른 데이터 속도를 요구하고, 그러한 시스템들에 대한 종래 기술들은 큰 펄스 반복 속도를 요구하고, 연속적인 펄스들 사이의 거리를 감소시키고, UWB 시스템들이 다중-경로 간섭에 걸리기 쉽게 만든다.
도 1a는 피어-투-피어(peer-to-peer) 통신으로만 통신하는 통신국들의 무선 네트워크를 도시하는 도면.
도 1b는 통신국들이 제어 포인트를 통해서뿐만 아니라 피어-투-피어에 기초하여 통신하는 제어 포인트에 의해 확립되고 제어되는 무선 네트워크를 도시하는 도면.
도 2a는 본 발명의 실시예들이 적용되는 통신 부분을 도시하는, 예시적 UWB 통신국 구조의 개략도.
도 2b는 본 발명의 실시예들이 적용되는 수신기 부분을 도시하는, 예시적 UWB 통신국 구조의 개략도.
도 3은 다중-대역 심볼-위치 UWB 변조 체계를 도시하는 도면.
도 4a 내지 도 4c는 다중-대역 접근의 주파수 도메인 표현을 도시하는 도면.
도 5는 5-대역 120 Mb/s 데이터 속도 UWB 시스템(8MHz 기호 속도)에 대한 시뮬레이션 결과들을 도시하는 도면.
따라서, 다중 경로 간섭을 피하는 고속 데이터 UWB 통신 시스템들에 대한 저비용 시도에 대한 필요성이 있다. 본 발명의 시스템 및 방법은 각각의 대역 길이들의 전장(span)이 거의 동일한 다중-대역 시도를 사용하는 그러한 UWB 통신 시스템을 제공한다.
본 발명의 각각의 대역 내에서, 융통적인 변조 체계는 서브-대역 채널 조건들에 대한 데이터 속도의 적응을 허용한다. 각각의 대역 내에서, 시간, 진폭 및 위상 변조들이 사용된다. 또한, 충분한 다중-사용자 간섭 감소를 제공하기 위해 의사랜덤 주파수 시퀀스가 사용된다.
다음 설명에서, 제한하기 위한 것이 아닌 설명적 목적들을 위해, 특정 통신국 구조, 무선 네트워크 위상기하학 및 인터페이스들, 시뮬레이션 결과 등의 구체적인 세부 사항들은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 나타낸다. 그러나, 당업자들에게 명백한 바와 같이, 본 발명은 이들 구체적인 세부 사항들로부터 출발하는 다른 실시예들에서 실시될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예들이 적용되는, 대표적인 애드-호크 UWB 피코-넷(ad-hoc UWB pico-net)을 도시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 상이한 유형의 통신 유닛들(100)은 피어-투-피어(peer-to-peer)에 기초하여 단지 무선 링크들(110)을 통해서만 통신한다. 도 1b는 본 발명의 실시예들이 또한 적용되는, 대표적인 무선 UWB 네트워크를 도시한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 피코-넷의 상이한 유형의 통신 유닛들(100)이 무선 링크들(110)을 통해 피어-투-피어 원리뿐만 아니라 근본적으로 피코-넷을 확립한 제어 포인트(130)와 무선 링크들을 통해 통신한다. 본 발명의 주요 원리는 통신 유닛들(100)의 두 유형의 UWB 피코-넷들이 서로 근접할 때 서로 최소로 간섭하는 메커니즘을 제공하는 것이다.
이하, 도 2a의 송신기 서브시스템(235)을 참조하면, 도 1a 및 도 1b의 UWB 피코-넷들 중 하나의 무선 통신 유닛(100)은 본 발명의 실시예들이 적용되는 도 2a의 블록도에 도시된 바의 구조를 갖는 송신기 서브시스템(235)을 포함할 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 통신 유닛은 정보 소스(200), 변조기(220), 출력 스테이지(230) 또는 송신기, 제어기(240), 주기적 타이밍 신호를 제공하는 시간 베이스(250), 안테나(260) 및 의사-랜덤 잡음 소스(270)를 포함할 수 있다. 제어기(240)는 정보 신호를 검출하고, 이어서, 서브대역 채널 조건들에 기초하여, 사용되어야 할 시간, 진폭 및 위상 변조들을 결정하고, 결정된 변조들을 변조기(220)에 지시한다. 도 2a의 예시적인 시스템은 설명의 목적들을 위한 것이다. UWB 출력 스테이지(230)는 전파 매체(231)를 통해 목적 데이터를 전송하도록 안테나(260)에 결합된다. 도 2a의 예시적인 시스템은 설명 목적들을 위한 것이고, 안테나는 예를 들면 케이블 또는 안테나로서 구성된 집적 회로일 수 있다.
이하, 도 2b의 수신기 서브시스템(295)을 참조하면, 도 1a 및 도 1b의 UWB 피코-넷의 무선 통신 유닛(100)은 본 발명의 실시예들이 적용되는 도 2b의 블록도에 도시된 바의 수신기 구조를 갖는 수신기 서브시스템(295)을 포함할 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 예시적인 UWB 통신 유닛은 복조기(280), 수신기(290), 제어기(240), 주기적 타이밍 신호를 제공하는 시간 베이스(250), 안테나(260) 및 의사-랜덤 잡음 소스(270)를 포함할 수 있다. 안테나(260)는 전파된 임펄스 라디오 신호를 수신하기 위해 수신기(290)에 결합된 것으로 도시되지만, 다른 실시예들이 가능하고, 예를 들면 안테나 대신에 케이블이 전파 매체이다. 제어기(240)는 전송된 신호의 수신기(290)에 의한 수신을 검출하고, 이어서, 서브대역 채널 조건들에 기초하여, 사용된 시간, 진폭 및 위상 변조들을 결정하고, 결정된 변조들을 복조기(280)에 지시한다. 도 2b의 예시적인 시스템은 설명의 목적들만을 위한 것이다.
그 설명은 특정 송수신기 시스템들의 설명에 공통으로 사용된 용어들을 의미할 수 있지만, 본원에 제공된 설명 및 개념들은 도 2a 및 도 2b에 나타낸 것과 유사하지 않은 구조들을 갖는 시스템들을 포함하여 다른 프로세싱 시스템들에 동일하게 적용된다. 더욱이, 도 1a 및 도 1b에 도시된 피코-넷들은 전형적으로 피코-넷에 참여하는 많은 통신 유닛들을 가질 수 있고, 도시된 크기는 설명을 용이하게 할 목적들로만 단순화된다.
UWB 채널이 N 대역들 내로 분할된다고 가정하면, 펄스 형상 h(t,l) l=1,..N이 각각의 대역에 대해 사용된다. 이어서, UWB 무선 출력 스테이지(230)의 출력은 다음 식에 의해 설명될 수 있다:
여기서,
an 및 bn는 진폭 또는 위상 변조 데이터이고,
cn 및 dn는 상이한 시간 변조 데이터이며,
f(n)은 주파수 대역 성분이고,
τch는 채널화 목적 또는 데이터를 전달하기 위한 추가의 채널을 위한 작은 시간 단위이며,
τ는 위치 변조를 위한 작은 시간 단위이고,
T는 펄스간 분리이다.
도 3에 도시된 제 1 실시예는 시간/위상 변조된 펄스들을 제공한다. 각각의 펄스는 특정 대역을 통해 전송된다. 예를 들면, 제 1 펄스는 3.2 내지 3.7GHz 대역(500MHz 대역폭)을 통해 전달되는 것이 바람직하고, 후속 펄스들은 나머지 대역들에서 전송되는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 바람직한 실시예에서, 대역당 2개의 서브-펄스들이 UWB 출력 스테이지 또는 송신기(230)에 의해 일 시점에 전송된다. 대안적 실시예에서, 대역당 단 하나의 서브-펄스가 UWB 출력 스테이지 또는 송신기(230)에 의해 일 시점에 전송되고, 즉, 상기 식(1.1)에서 an 및 bn는 0으로 설정된다.
다른 바람직한 실시예에서, 도 4a 내지 도 4c는 UWB 펄스의 다중-대역 전송의 주파수 도메인 표시를 보여준다. 도 4a는 단일 대역 전송을 도시하고, 도 4b는 3-대역 전송을 도시하고, 도 4c는 하나의 중간 대역(400)이 스킵(skip)되는 6-대역 전송을 도시한다. 시간 도메인에서, 다중-대역 전송은 펄스간 분리(T)가 최대화되는 방식으로 시간 다중화된 방식으로 수행된다. 이 실시예는 보다 양호하고 저렴한 단가의 수신기 구현들을 허용한다.
본 발명의 장점은 각각의 대역에서 대역폭, 데이터 속도, 이행의 복잡성 및 전송 품질 등의 자원들을 트레이딩하는데 융통적이다. 바람직한 실시예에서, 1 대역은 20Mb/s 데이터를 전달하는 한편, 다른 대역은 30Mb/s 데이터를 전달한다. 대역당 데이터 속도의 할당은 서브채널의 응용 및 용량의 요건들에 기초한다.
이러한 유통성을 추가로 예시하기 위해, 표 1은 자원들의 조합의 실시예들을 열거한다. 제 1 컬럼은 20Mb/s 페이로드를 전달하는 1-대역 UWB 시스템을 보여준다. 이는 10Ms/s 기호 속도를 사용하고, 각각의 기호는 2비트 데이터를 하나는 진폭/위상을 통해서, 다른 하나는 위치를 통해 전달한다. 제 2 컬럼은 5개의 대역들을 사용하여 110Mb/s 시스템을 보여준다. 기호 속도는 10Ms/s로 유지된다. 30비트/기호 (1비트는 위상을 갖고 2비트는 위치를 갖는 채널당 기호당 3비트)가 전송된다. 다른 컬럼들 또한 대응하는 바람직한 실시예들을 예시한다.
채널 상태 및 응용의 요건들에 따라, 대역당 비트율은 바람직한 실시예에서 편리하게 조절될 수 있다. 예를 들면, 바람직한 실시예에서, 1대역은 기호당 2비트를 전달할 수 있는 한편, 나머지는 기호당 4비트를 전달한다.
표 1: 주어진 데이터 속도에 대한 자원 구성들
데이터 속도 20Mb/s 110Mb/s 200Mb/s 480Mb/s
대역들의 수 4 5 6 8
변조 (1)DPSK+1(SPM) 1(DPSK)+2(SPM) 2(BPSK)+2(SPM) 2(BPSK)+4(SPM)
기호 속도/대역 10Ms/s 10Ms/s 10Ms/s 20Ms/s
원래 비트율 20Mb/s 150Mb/s 240Mb/s 640Mb/s
기호 간격 100ns 100ns 100ns 50ns
T 100ns 20ns 16ns 6.5ns
표 1의 실시예들은 대역당 낮은 기호 속도 시스템을 예시한다. 그러한 낮은 기호 속도 시스템은 다중 경로 간섭에 대해 탄력적인 송수신기 시스템의 디자인을 가능케 한다.
제한 없는 실시예에 의해, 도 5는 5-대역 130Mb/s UWB 시스템의 구현을 위한 시뮬레이션 결과들을 플로팅한다. 위치 부분은 대역/기호당 2비트를 전달하고, 진폭 부분은 대역/기호당 1비트를 전달한다. 위치 부분에 대한 시간 단계는 2.5ns이다. 각각의 펄스의 대역폭은 대략 500MHz이다. 도시된 바와 같이, 위치 부분 성능은 진폭 부분보다 약간 악화된다.
본 발명은 그의 정신 또는 본질적인 특징들에서 벗어나지 않는 다른 특이적 형태들로 실시될 수 있다. 제공된 실시예들은 단지 예시하기 위한 것으로 임의의 제한적인 의미로 제공되지 않았다. 본 발명의 범위는 상기 설명에 의해서보다는 첨부된 특허 청구의 범위에 의해 지시되고, 따라서 특허 청구의 범위의 등가물의 의미 및 범위 내에서 이루어지는 모든 변형들은 본원에 포함되도록 의도된다.

Claims (18)

  1. 초광대역 기술들(ultra-wideband techniques)을 사용하는 데이터 송신 방법에 있어서,
    (a) (a.1) UWB 신호 펄스들의 시리즈로서 UWB 채널을 제공하는 단계,
    (a.2) 상기 UWB 채널을 N 대역들로 분할하는 단계, 및
    (a.3) 상기 N-분할된 대역들 중 하나의 대역을 통해 상기 시리즈의 각각의 펄스를 송신하는 단계를 수행하도록 구성된 송신기 서브시스템을 제공하는 단계; 및
    (b) (b.1) N-대역들로 분할된 UWB 신호를 수신하는 단계,
    (b.2) UWB 채널로 상기 N 대역들을 조합하는 단계, 및
    (b.3) 상기 조합된 N 대역들로부터 UWB 펄스들의 시리즈를 유도하는 단계를 수행하도록 구성된 수신기 서브시스템을 제공하는 단계를 포함하는, 데이터 송신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분할 단계(a.2)는 각각의 대역의 전장(span)이 거의 동일하도록 상기 UWB 채널을 분할하는 단계(a.2.1)를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 시간/위상, 주파수, 및 진폭으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 변조 기술을 사용하여 상기 UWB 펄스들의 시리즈를 변조하는 단계(a.4)를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 변조 단계(c)는 충분한 다중-사용자 간섭 감소를 제공하기 위해 의사-랜덤 잡음 주파수 시퀀스를 사용하는 단계(a.4.1)를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 송신 단계(a.3)는,
    (a.3.1) 상기 N 대역들 중 3.2 내지 3.7GHz 대역을 통해 상기 시리즈 중 제공된 제 1 펄스를 송신하는 단계; 및
    (a.3.2) 상기 N 대역들 중 첫번째가 아닌 대역의 시리즈의 상기 제 1 펄스 이외의 임의의 펄스를 송신하는 단계를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, N>3일 때, 상기 송신 단계(a.3)는 임의로 상기 N 대역들의 대역 사이의 적어도 하나의 대역을 스킵(skip)하는 단계(a.3.3)를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  7. 제 3 항에 있어서, 펄스간 분리가 최대화되도록 시간 다중화된 방식으로 다중-대역 송신을 수행하는 단계(a.5)를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, N=2일 때,
    (a.6) 제 1 대역에 의해 20Mb/s를 전달하는 단계; 및
    (a.7) 제 2 대역에 의해 30Mb/s를 전달하는 단계를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 서브 채널의 응용 및 용량의 요건들 중 적어도 하나에 기초하여 대역당 데이터 속도를 할당하는 단계(a.8)를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    (a.9) 기호당 2비트를 상기 N 대역들 중 제 1 대역에 의해 전달하는 단계; 및
    (a.10) 기호당 4비트를 상기 N 대역들 중 제 2 대역에 의해 전달하는 단계를 더 포함하는, 데이터 송신 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 응용 요건들에 기초하여 자원을 할당하는 단계(a.11)를 더 포함하고, 상기 자원은 다수의 대역들, 변조들, 기호 속도/대역, 원래 비트율, 기호 간격 및 펄스간 분리 중 적어도 하나인, 데이터 송신 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 채널당 하나의 기호당 n비트를 할당하는 단계(a.12)를 더 포함하고, m은 위치를 통해 전달되고, n-m은 진폭/위상을 통해 전달되는, 데이터 송신 방법.
  13. 다중-대역 초광대역(UWB) 통신 시스템용 장치에 있어서,
    송신기 서브시스템으로서,
    N 대역들로 UWB 채널을 분할하도록 구성된 제어기,
    변조된 펄스들의 시퀀스를 제공하도록 구성된 변조기, 및
    상기 N 대역들 중 하나를 통해 각각의 변조된 펄스를 송신하도록 구성된 송신기를 포함하는, 상기 송신기 서브시스템; 및
    수신기 서브시스템으로서,
    상기 N 대역들을 통해 송신된 UWB 신호들을 수신하도록 구성된 수신기,
    상기 수신된 신호들을 변조된 펄스들의 시퀀스 내로 조합하도록 구성된 제어기, 및
    상기 변조된 펄스들의 시퀀스를 복조시키도록 구성된 복조기를 포함하는, 상기 수신기 서브시스템을 포함하는, 다중-대역 초광대역(UWB) 통신 시스템용 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 송신기는 안테나, 케이블 및 안테나로서 기능하는 집적 회로(IC)로 구성된 그룹으로부터 선택된 전송 수단들을 더 포함하고,
    상기 수신기는 안테나, 케이블 및 안테나로서 기능하는 집적 회로(IC)로 구성된 그룹으로부터 선택된 수신 수단들을 더 포함하는, 다중-대역 초광대역(UWB) 통신 시스템용 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 N 대역들 각각의 전장은 거의 동일한, 다중-대역 초광대역(UWB) 통신 시스템용 장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 충분한 다중-사용자 간섭 감소를 제공하기 위해 상기 변조기에 입력된 의사랜덤 주파수 시퀀스를 더 포함하는, 다중-대역 초광대역(UWB) 통신 시스템용 장치.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 송신기의 출력은 다음식으로 설명되고,
    an 및 bn는 진폭 또는 위상 변조 데이터이고,
    cn 및 dn는 상이한 시간 변조 데이터이고,
    f(n)은 주파수 대역 성분이고,
    τch는 채널화 목적 또는 데이터를 전달하기 위한 추가의 채널을 위한 작은 시간 단위이고,
    τ는 위치 변조를 위한 작은 시간 단위이며,
    T는 펄스간 분리인, 다중-대역 초광대역(UWB) 통신 시스템용 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 다중-대역 송신은 펄스간 분리(T)가 최대화되도록 시간 다중화된 방식으로 수행되는, 다중-대역 초광대역(UWB) 통신 시스템용 장치.
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