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JP2005051786A - データを送信するための方法、通信システム、および信号を受信するように構成される装置 - Google Patents

データを送信するための方法、通信システム、および信号を受信するように構成される装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、Np個の時間窓TfにわたってNp個のパルスからなる少なくとも1つの系列の形をとるデータを送信するための方法に関する。
【解決手段】 そのパルスはそれぞれ1つの時間チップTc内に入れられ、その関連する時間窓内のその時間チップの位置はチップ番号によって定義される。本発明による方法は、少なくとも1つの信号検出ステップを含み、その過程において、チップ番号によって定義される時間チップを含むNp個の検出窓Dj(ただしj=1〜Np)が、予想されるパルス系列を探すために検査されることになる。本発明による方法によれば、検出ステップを実行するために必要とされる処理時間および電力を制限できるようになり、全パルス系列をマッピングする代わりに、送信機のシグネチャによって定義される検出窓を走査することしか必要とされない。
【選択図】 図5

Description

本発明は、少なくとも1つの送信機および1つの受信機を含む通信システムにおいてデータを送信するための方法に関し、その送信機は、Np個の時間窓にわたってNp個のパルスからなる少なくとも1つの系列によって形成される信号を送信するように構成され、各パルスは1つの時間チップ内に入れられ、その関連する時間窓内のその時間チップの位置はチップ番号によって定義される。
そのようなデータ伝送方法は現在、いわゆる超広帯域通信システム(UWBシステムとも呼ばれる)の妥当性を評価する目的で研究されている。そのようなシステムでは、各送信機は先に記載されたチップ番号によって形成されるシグネチャによって特定されることができ、シグネチャそのものは変動の影響を受けにくく、全ての潜在的な受信機に確実かつ正確に伝達されることができる。
UWBシステムにおいて用いられるパルスは非常に短く、たとえば0.1ナノ秒未満の持続時間を有し、それにより、そのようなシステムは少なくとも10GHz程度の広い帯域幅を提供されるので、高い自由度を有し、それゆえそのようなシステムにとって数多くの実現可能な応用形態が見込まれる。
上記の信号は搬送信号を形成し、たとえば1つあるいは複数のパルス系列の位相あるいは振幅変調を実行することによって、その搬送信号を変調することにより、その搬送信号上に情報を符号化することができる。
そのようなシステムの開発を妨げる主な問題は、到来する搬送信号を受信機によって検出することにある。現在の最新技術では、信号検出は多くの場合に、雑音だけから構成されるかもしれず、あるいは1つの到来する搬送信号を含むかもしれない、受信アンテナの出力において供給される受信信号を、そのような搬送信号が有するはずである波形のグライディングモデル(gliding model)と相関をとることにより実行される。
そのようなグライディング相関技法は、それだけでは、それぞれ持続時間が0.1ns未満であり、概ね100nsの幅をそれぞれ有する時間窓内に入れられるNp個のパルスからなる系列を検出することに現実には適用することができない。たとえばNp=128で、サンプリング間隔が10psの場合のそのような例では、パルス系列の全持続時間を走査するのに、その完了までに1.28×10個の一連のパルス系列を必要とすることになり、その走査は16秒続くことになるので、許容することはできない。
上記の技法に基づいてパルス系列の検出を実行するために膨大な時間がかかり、その間に送信機と受信機との間の通信条件が変わる、すなわち、たとえばこれらの装置のうちの一方あるいは両方が動くことに起因してこれらの装置間の通信チャネルが変更されることがあるので、結果として、1回の信号検出ステップの過程において検出条件が変更され、その信号検出ステップによって生成される結果の精度に悪影響が及ぼされる場合があることにも留意されたい。パルス系列を搬送する信号は、その検出が完了する前に、消失する可能性もある。
本発明は、上記のようなデータを送信するための方法を提供することにより、先に述べられた問題を解決することを目的としており、その方法は、現時点で用いられている信号検出技法よりもはるかに速く実行されることができる少なくとも1つの信号検出ステップを含む。
実際には、冒頭の段落によるデータを送信するための方法は本発明によって特徴付けられ、本発明の方法は少なくとも1つの信号検出ステップを含み、その過程では、チップ番号によって定義される時間チップを含むNp個の検出窓が、予想されるパルス系列を探すために検査されることになる。
本発明による検出ステップでは、既知のグライディング相関技法においてなされるように、受信信号は予想されるパルス系列の全持続時間にわたって完全には走査されない。代わりに、その走査は、予想されるパルス系列の選択された部分に限定される。このように限定されるのは、本発明による検出ステップと、当該技術分野において既に知られている検出ステップとの間の目的に差があるためである。
実際には、予想されるパルス系列の全持続時間にわたってグライディング相関によって実行される既知の検出ステップは、検出される系列のタイミングを正確に特定することを目的とするのに対して、本発明による検出ステップは、所与の時間間隔内に所与のパルス系列が開始するか否かを判定することのみを目的とする。したがって、ある1つの信号系列の全持続時間が段階的に走査されることができ、各段階は上記の条件と同じ条件において約10nsの持続時間を有し、それは、Np=128パルスからなる予想される系列の持続時間の走査が、その完了までに1.28×10の一連のパルス系列しか必要とせず、16ミリ秒、すなわち上記のグライディング相関技法に基づく時間の1000分の1の短い時間しか続かないことを意味する。
したがって、本発明によれば、受信機に予め伝達されている、送信機のシグネチャによって定義される検出窓のみを走査することにより、検出ステップを実行するために必要とされる処理時間および電力を制限できるようになる。
1つのパルスを探して検出窓を検査するために、種々の技法を用いることができる。
本発明の第1の実施形態によれば、各検出窓の検査は、受信信号と、一連のNp個の予想されるパルス形式との間の相関の全ての検出窓にわたる平均値によって定義される検出値を計算することを含み、その検出値は所定の閾値と比較されることになる。
予想される構成で検出されるパルスが、統計的に妥当な頻度で現われるようにするのを高めるために、相関値は1より大きな任意の所与の累乗N乗まで高められることが有利である。
本発明の第2の実施形態によれば、各検出窓の検査は、受信信号と、一連のNp個の予想されるパルス形式との間の相関の二乗された値の全ての検出窓にわたる平均値によって定義される検出値を計算することを含み、その検出値は所定の閾値と比較されることになる。
後に説明されるように、二乗された相関値を用いることにより、検出値の計算をさらに容易に実施できるようになる。
チャネル減衰のような通信条件が信号検出ステップの結果に著しく影響を及ぼさないようにすることを確実にするために、上記の所定の閾値は受信信号の振幅とは無関係にすることが好ましいであろう。
そのハードウェア向けの態様のうちの1つによれば、本発明は、少なくとも1つの送信機および1つの受信機を含む通信システムであって、その送信機はNp個の時間窓にわたってNp個のパルスからなる少なくとも1つの系列によって形成される信号を送信するように構成され、パルスはそれぞれ1つの時間チップ内に入れられ、その関連する時間窓内の時間チップの位置はチップ番号によって定義され、そのシステムでは、受信機は、予想されるパルス系列を探すために、チップ番号によって定義される時間チップを含むNp個の検出窓の検査を実行するように構成されることになる信号検出手段を含む通信システムにも関する。
そのようなシステムの第1の実施形態によれば、検出手段は、受信信号と、一連のNp個の予想されるパルス形式との間の相関の全ての検出窓にわたる平均値によって定義される検出値を計算するための計算手段と、その検出値を所定の閾値と比較するための比較手段とを含む。
そのようなシステムの第2の実施形態によれば、検出手段は、受信信号と、一連のNp個の予想されるパルス形式との間の相関の二乗された値の全ての検出窓にわたる平均値によって定義される検出値を計算するための計算手段と、その検出値を所定の閾値と比較するための比較手段とを含む。
そのようなシステムの好ましい実施形態によれば、計算手段は、
Np個の検出窓中に起動され、受信機によって受信された信号と、その相関モジュールに関連付けられる特性信号との間の相関をその検出窓にわたって計算するようにそれぞれ構成される、複数の相関モジュールと、
相関モジュールのうちの1つによって供給される出力値を累算するようにそれぞれ構成される、複数の累算モジュールと、
累算モジュールのうちの1つに含まれる値の二乗された値を生成するようにそれぞれ構成される、複数の二乗モジュールと、
所定の閾値と比較されることになる検出値を生成するために、二乗モジュールによって供給される出力値の和を計算するように構成される加算器とを含む。
そのハードウェア向けの態様の別の態様によれば、本発明は、Np個の時間窓にわたってNp個のパルスからなる少なくとも1つの系列によって形成される信号を受信するように構成される装置であって、パルスはそれぞれ1つの時間チップ内に入れられ、その関連する時間窓内の時間チップの位置はチップ番号によって定義され、受信装置は、予想されるパルス系列を探すために、チップ番号によって定義される時間チップを含むNp個の検出窓の検査を実行するように構成される信号検出手段を含む装置に関する。
したがって、そのような受信機に含まれる検出手段は、本発明の先に記載された実施形態による信号検出ステップを実行することができるであろう。
本発明の先に記載された特徴および他の特徴は、添付の図面に関連して与えられる以下に記載される詳細な説明を読むことにより、さらに明らかになるであろう。
図1は、本発明が具現される通信システムSYSTを示す。このシステムSYSTは、少なくとも1つの送信装置TRDと、少なくとも1つの受信装置RCDとを含み、それらはたとえば移動電話によって構成されることができる。送信装置TRDは、Np個の時間窓にわたってNp個のパルスpj(ただしj=1〜Np)からなる少なくとも1つの系列によって形成される信号Csgを送信するように構成されており、各パルスは1つの時間チップ内に入れられ、その関連する時間窓内の時間チップの位置はチップ番号cj(ただしj=1〜Np)によって定義される。
受信機RECは、そのような到来する信号Csgを検出するための検出手段DETを設けられる。
この信号Csgは搬送信号を形成することができ、たとえば、1つあるいは複数のパルス系列の位相あるいは振幅変調を実行することによって、その搬送信号Csgを変調することにより、送信装置TRDによって、その搬送信号上に情報を符号化することができる。
図2は、そのような搬送信号Csgをクロノグラムの形で示しており、そのクロノグラムによれば、各パルス系列は全持続時間Tpを有し、その全持続時間は、持続時間Tfをそれぞれ有する時間窓に分割され、各時間窓は時間チップTcに細分されており、各窓内の1つの時間チップは1つのパルスpj(ただしj=1〜Np)を含むように構成されており、1つの時間チップはチップ番号cjによって特定される。したがって、この搬送信号Csgの送信機は、全ての上記のチップ番号cj(ただしj=1〜Np)を合わせることによって形成されるシグネチャSg=(c1、c2...cNp)により特定されることになり、そのシグネチャSgそのものは変動の影響を受けにくく、それゆえ全ての潜在的な受信機に確実かつ正確に伝達されることができる。
図3は、上記のパルスを構成するために選択されることができる実現可能な形状p(t)を示す別のクロノグラムである。ここに示される例では、このパルスp(t)はガウス関数の二次の導関数として定義され、それは数学的には以下のように表すことができる。
p(t)=A[1−4π(t/Tw)]exp(−2π(t/Tw)
当然、この同じ目的のために、当業者に知られている他のパルス形状を用いることもできる。
図4は、上記のパルス系列のような一連のパルス系列によって形成されるデータフレームDFを示すさらに別のクロノグラムであり、各パルス系列は全持続時間Tpを有し、所与の系列が後続の系列によって変更されるのを防ぐために、2つのそのような系列間にガード区間GIが周期的に挿入される。そのような変更は、たとえば、その2つのパルス系列間の相互変調積によって引き起こされ得る。こうして、このデータフレームDFは、それぞれTr=Tp+GIの持続時間Trを有し、かつそれぞれ上記のようなパルス系列を含む連続したフレームによって構成される。
したがって、データフレームDFを受信するように構成される装置は、所与の時間間隔ΔTの中で上記のようなパルス系列の開始を検出できなければならない。
図5は、そのような1つのパルス系列が、この系列を受信するように構成される装置によって如何に都合よく検出されることができるかを示す。本発明によれば、そのような装置は、信号検出ステップDETを実行することになり、その過程において、チップ番号によって定義される時間チップを含むNp個の検出窓Dj(ただしj=1〜Np)が、予想されるパルス系列に属するパルスを探すために検査されることになり、そのパルスはこの図面において破線で示される。各検出窓Dj(ただしj=1〜Np)は1つの時間チップ持続時間Tcよりも広く、持続時間ΔTを有し、それは、ここに示される検出ステップDETを実行することが結局は、受信装置が、既知のシグネチャに基づいて送信されてその受信装置によって受信されるように構成されるパルス系列が所与の時間間隔ΔT中に開始されたか否かを判定する際に存在する問題に対する答えを与えることになることを意味する。
本発明による方法は、予想されるパルスを探すために、それらの個々の関連するチップ番号によって定義される瞬間tj(ただしj=1〜Np)を中心にして配置される、選択された時間窓Djを走査することしか必要としない。
これにより、所与のパルス系列が所与の時間間隔ΔT内に開始するか否かを単一のステップにおいて判定できるようになるのに対して、既知の検出技法では、その所与の系列の全持続時間Tpの完全な走査を実行するためにいくつかの基本的な相関を実行した後にのみ、そのように判定できたと言うことができる。
この図面には、所与の瞬間tjを中心にして配置され、tj−ΔT/2およびtj+ΔT/2に等しい下限および上限それぞれによって画定される検出窓Djの走査を実行する実現可能な方法も示される。この例では、受信信号と一連のNp個の予想されるパルスEpjとの間の相関の全検出窓にわたる平均値によって定義される検出値が計算される。その後、この検出値は、所定の閾値と比較される。
この検出値の計算は、全ての走査された検出窓Djの下限tj−ΔT/2から上限tj+ΔT/2まで、それぞれ予想されるパルスを表す一連のNp個のパターンEpjを量εだけ連続的にシフトすることと、εの値毎に、その一連のNp個のパターンEpjを表すベクトルと受信信号との間のスカラー積を計算することと、受信信号と一連のNp個の予想されるパルス形式Epjとの間の相関を構成する、このスカラー積の一連の計算された値を累算することとによって実行される。
受信されたパルスRpが検出窓Djの中に実際に存在する場合を強調し、雑音ピークFpが上記のスカラー積の有意な値を生成し得る異常な状態(freak occurrence)が生じないようにするために、その相関は二乗されることが好ましいであろう。雑音ピークFpの振幅は実際に受信されるパルスRpの振幅よりも低いからである。
本発明者はさらに、ここで説明されるように、二乗された相関値を用いることにより、検出ステップの実施を簡単にできるようになることにも気が付いている。
上記の二乗された相関が(y|s(−ε))で表される(ただしsおよびyはそれぞれ予想される信号s(t)および受信信号y(t)を表すベクトルである)場合には、対応する検出値は、以下の式によって与えられる二次形式として表されることができる。
Figure 2005051786
Q(y)が所定の閾値Tvよりも大きい場合には、受信信号y(t)はy(t)=As(t−ε)+n(t)(ただし、tは[−ΔT/2;Tp+ΔT/2]に属する)である状態H1に対応するものと見なされ、Q(y)<Tvである場合には、受信信号y(t)はy(t)=n(t)(ただし、n(t)は雑音によって構成される)である状態H0に対応するものと見なされるであろう。
所定の閾値TvはPfaで表される誤アラーム(false alarm)の所定の確率に基づいて定義され、Pfaは、y(t)がy(t)=n(t)として表される状態H0にあるときに、Q(y)>Tvを有する可能性に対して取り得る最も高い値であり、それにより、閾値Tvを予想される信号あるいは受信される信号の振幅とは無関係にすることができるようになる。
本発明人は、その実施を容易にするために、上記の二次形式が変形されることができることがわかっている。実際には、y|s(−ε)=ys(−ε)=s(−ε)y(ただしyおよびsは列行列であり、yは列行列yの転置行行列である)であることに注目することにより、Q(y)は、Q(y)=yQyの形に書き換えることができる。ただし、Qはyの成分には依存しない成分を有する行列である。
本発明人は、この行列Qがほとんど空であり、以下の形で表されることができることにも気が付いている。
Figure 2005051786
ただしMは、単に予想されるパルスp(t)の形状に基づいて計算される部分行列であり、行列Q内の各部分行列Mの位置は上記の検出窓Djの位置によって定義され、すなわち各部分行列Mは、この行列内のその座標が(tl;tr)(ただし、lおよびr=1〜Np)である、行列Qの点al,rを中心にして配置される。
各パルスp(t)が図3に示されるようなパルスである場合には、各部分行列Mは、たとえば以下の式によって定義されることができる。
Figure 2005051786
本発明人は、各部分行列Mが、個々の固有ベクトルVi(ただしi=1〜k)に対応する固有値によって形成される対角成分を有する対角行列の形で書き表されることができることに気が付いており、結果として、二次形式Q(y)は以下のように書き直すことができる。
Figure 2005051786
それは受信信号y(t)をk個の相関モジュールに供給することにより実施されることができ、そのモジュールはそれぞれ、Np個の検出窓中に起動され、その受信信号y(t)と、その相関モジュールに関連付けられる固有ベクトルViを表す特性信号との間の相関を、その窓にわたって計算するように構成され、その相関モジュールによって供給される出力値はその後、検出値を形成するQ(y)の値を生成するために、累算され、さらに二乗された後で加算され、その検出値は所定の閾値ρと比較されるであろう。
図6は検出手段DETを概略的に示しており、検出値Dvを生成するために、上記の二次形式Q(y)が計算手段CPによって計算され、その検出値Dvは比較手段CMによって閾値Tvと比較されることになり、比較手段CMは、2状態出力信号OSを供給するように構成される簡単な演算増幅器によって形成されることができ、その信号OSの値が、到来するパルスが検出されたか否かを判定するであろう。計算手段CPは、連続した検出窓Dj中にイネーブル信号ENによって起動されることになり、
複数の相関モジュールCRMi(ただしi=1〜k)であって、その相関モジュールはそれぞれ、Np個の検出窓中に起動され、受信機によって受信された信号Yと、相関モジュールCRMiに関連付けられる固有ベクトルViを表す特性信号との間の相関をその検出窓にわたって計算するように構成される、複数の相関モジュールCRMiと
複数の累算モジュールACMi(ただしi=1〜k)であって、その累算モジュールはそれぞれ、相関モジュールCRMiのうちの1つによって供給される出力値を累算するように構成される、複数の累算モジュールACMiと、
複数の二乗モジュールSQMi(ただしi=1〜k)であって、その二乗モジュールはそれぞれ、その累算モジュールACMiのうちの1つに含まれる値の二乗された値を生成するように構成される、複数の二乗モジュールSQMiと、
所定の閾値Tvと比較されることになる検出値Dvを生成するために、二乗モジュールSQMiによって供給される出力値の和を計算するように構成される加算器ADDとを含む。
そのような実施態様は非常に簡単であり、極めて低コストで実施されることができる。さらに、上記の全てのモジュールはアナログ回路によって形成されることができる。たとえば、ギルバートセルに関連付けられる代替のフィルタが各相関モジュールを都合よく形成することができ、二乗モジュールは同一の入力信号を供給されるギルバートセル等によって形成されることができる。アナログ回路は、その処理速度が高いことで知られており、サンプリングを全く必要としないので、本発明のこの実施形態による信号検出ステップを実行するのに必要とされる処理電力および時間をさらに削減できるようになるであろう。
本発明が用いられる通信システムを示す機能図である。 そのような通信システムにおいて送信される搬送信号を構成するパルス系列を示すクロノグラムである。 そのような系列を生成するために用いられることができるパルスモデルを示すクロノグラムである。 複数のパルス系列を含むデータフレームを示すクロノグラムである。 本発明による信号検出ステップを示すクロノグラムである。 本発明の好ましい実施形態による検出手段を示すブロック図である。
符号の説明
ACMi 累算モジュール、ADD 加算器、cj チップ番号、CM 比較手段、CP 計算手段、CRMi 相関モジュール、Csg 信号、DET 検出手段(信号検出手段、検出ステップ)、Dj 時間窓(検出窓)、Dv 検出値、Epj 予想されるパルス(パターン)、p、pj、p(t) パルス、RCD 受信装置、SQMi 二乗モジュール、SYST 通信システム、Tc 時間チップ、TRD 送信装置、Tv 閾値

Claims (9)

  1. 少なくとも1つの送信機および1つの受信機を含む通信システムにおいてデータを送信するための方法であって、
    前記送信機はNp個の時間窓にわたってNp個のパルスからなる少なくとも1つの系列によって形成される信号を送信するように構成され、
    前記パルスはそれぞれ1つの時間チップ内に入れられ、その関連する時間窓内の前記時間チップの位置はチップ番号によって定義され、
    前記方法は少なくとも1つの信号検出ステップを含み、その過程において、前記チップ番号によって定義される前記時間チップを含むNp個の検出窓が、予想されるパルス系列を探すために検査されることになる方法。
  2. 前記各検出窓の前記検査は、受信信号と、一連のNp個の予想されるパルス形式との間の相関の全ての検出窓にわたる平均値によって定義される検出値を計算することを含み、
    前記検出値は所定の閾値と比較されることになる請求項1に記載の方法。
  3. 前記各検出窓の前記検査は、受信信号と、一連のNp個の予想されるパルス形式との間の相関の二乗された値の全ての検出窓にわたる平均値によって定義される検出値を計算することを含み、
    前記検出値は所定の閾値と比較されることになる請求項1に記載の方法。
  4. 前記所定の閾値は前記受信信号の振幅とは無関係である請求項2または3に記載の方法。
  5. 少なくとも1つの送信機および1つの受信機を含む通信システムであって、
    前記送信機はNp個の時間窓にわたってNp個のパルスからなる少なくとも1つの系列によって形成される信号を送信するように構成され、
    前記パルスはそれぞれ1つの時間チップ内に入れられ、その関連する時間窓内の前記時間チップの位置はチップ番号によって定義され、
    前記システムでは、前記受信機は、予想されるパルス系列を探すために、前記チップ番号によって定義される前記時間チップを含むNp個の検出窓の検査を実行するように構成される信号検出手段を含む通信システム。
  6. 前記検出手段は、受信信号と、一連のNp個の予想されるパルス形式との間の相関の全ての検出窓にわたる平均値によって定義される検出値を計算するための計算手段と、
    前記検出値を所定の閾値と比較するための比較手段とを含む請求項5に記載の通信システム。
  7. 前記検出手段は、受信信号と、一連のNp個の予想されるパルス形式との間の相関の二乗された値の全ての検出窓にわたる平均値によって定義される検出値を計算するための計算手段と、
    前記検出値を所定の閾値と比較するための比較手段とを含む請求項5に記載の通信システム。
  8. 前記計算手段は、
    Np個の検出窓中に起動され、前記受信機によって受信された信号と、前記相関モジュールに関連付けられる特性信号との間の相関を前記検出窓にわたって計算するようにそれぞれ構成される、複数の相関モジュールと、
    前記相関モジュールのうちの1つによって供給される出力値を累算するようにそれぞれ構成される、複数の累算モジュールと、
    前記累算モジュールのうちの1つに含まれる値の二乗された値を生成するようにそれぞれ構成される、複数の二乗モジュールと、
    前記所定の閾値と比較されることになる検出値を生成するために、前記二乗モジュールによって供給される出力値の和を計算するように構成される加算器とを含む請求項7に記載の通信システム。
  9. Np個の時間窓にわたってNp個のパルスからなる少なくとも1つの系列によって形成される信号を受信するように構成される装置であって、
    前記パルスはそれぞれ1つの時間チップ内に入れられ、その関連する時間窓内の前記時間チップの位置はチップ番号によって定義され、
    前記受信装置は、予想されるパルス系列を探すために、前記チップ番号によって定義される前記時間チップを含むNp個の検出窓の検査を実行するように構成される信号検出手段を含む装置。
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