JP2006517766A

JP2006517766A - マルチバンドｕｗｂネットワークにおけるピコネット干渉を低減する疑似ランダム周波数シーケンスの使用

Info

Publication number: JP2006517766A
Application number: JP2006502419A
Authority: JP
Inventors: ダナチュウ、ビル; ジェフ、ベネット
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2006-07-27
Also published as: CA2515900A1; US20060133451A1; RU2005128500A; RU2341895C2; BRPI0407392A; EP1597834A2; MXPA05008481A; WO2004073218A3; WO2004073218A2; AU2004211330A1; KR20050105211A

Abstract

マルチバンド超広帯域無線ネットワークにおけるピコネット干渉を低減するための疑似ランダムシーケンスを用いる、無線通信装置および方法は、提供される。同様な技術を用いる近接するピコネットが相互の干渉を低減することによってバンド重複を低減するように、パルスは周波数の疑似ランダムシーケンスを用いて送信される。

Description

本発明は、マルチバンド（multi-band）通信システムに関する。より詳しくは、本発明は、マルチバンド超広帯域無線（Ultra Wide Band）ネットワークにおけるピコネット（pico-net）干渉を低減するためのシステムおよび方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、マルチバンドＵＷＢネットワークにおけるピコネット干渉を低減するための疑似ランダム（pseudo-random）周波数シーケンスの使用に関する。

超広帯域無線（ＵＷＢ）システム、すなわちインパルス（impulse）またはショック励起（shock-excited）を使用する、継続時間において典型的に数十ピコ秒から数ナノ秒である超短継続パルスにおける送信機技術は、そしてその特徴的なインパルス応答を送信する出力手段に直接的に適用される。この理由のために、ＵＷＢは、時々、インパルス無線と称される。さらに、励起パルス（excitation pulse）が変調されないので、ＵＷＢシステムは、ゼロ−キャリア（zero-carrier）技術とも呼ばれる。ＵＷＢ通信システムは、典型的に１０〜１０００ピコ秒の、短い継続時間のパルスを伝送することにより、通常達成される中心周波数に関連する周波数帯の広い範囲に渡って動作する。中心周波数は、５０ＭＨｚと１０ＧＨｚとの間で変動する。中心周波数（ギガヘルツ帯において典型的に測定される）の１００＋％の超広帯域を占有する、放射されたエネルギは、しばしば、十分に小さく作られるので、他のデバイスへの有害な干渉を生じることなくそれらのデバイスと共存することができる。

現行のＵＷＢ実施の利点は、低コスト、低消費電力、および多経路干渉への弾力性（resilience to multi-path interference）である。多経路効果へのＵＷＢの耐性は、インパルス無線通信信号が、周波数よりも時間で分割されるとともに、多経路干渉のような時間に関係した効果が分離され、より低い平均電力とより高い信頼性に帰着する、という事実から得られる。そのような利益は、送信された短いパルスが時間において十分に分離された、現行の相対的に低いデータレート（date-rate）アプリケーションに典型的に当てはまる。

ＵＷＢ通信のための3.1〜10.6ＧＨｚ帯のＦＣＣによる適用で、研究者や施術者は、高いデータレート（＞１００Ｍｂ/s）の無線パーソナル・エリア・. ネットワーク（wireless personal area network（WPAN））アプリケーション及び室内のアプリケーションのために、ＵＷＢを研究することを開始し始めた。マーケットの予測者は、数年の期間内における何百万ものＵＷＢ基盤システムをもまた予測している。

ＵＷＢに関係した先行技術の実施および研究報告書のほとんどは、低いデータレートアプリケーションに焦点が絞られてきている。そのような低いデータレートシステムは、一般的に、低パルス繰返し率（low pulse repetition rate）を考慮して設計される。結果として、パルス振幅およびインタパルス（inter-pulse）間隔は、高くなるように作られることができる。これは、ＵＷＢのよく引用される利益、すなわち多経路干渉のような干渉に対する耐性に帰結する。マルチメディアビデオ配置ネットワーク（multi-media video distribution network）のような、新しいアプリケーションは、高データレートシステム、例えば、100Mb/s〜500Mb/s、を要求する。そのようなシステムのための従来型の技術は、連続的なパルス間の間隔を削減する、高パルス繰返し率（high pulse repetition rate）を要求する。これは、多経路干渉しがちなＵＷＢシステムを形成する。ＵＷＢシステムは、もし他の狭帯域システムと十分に競争するならば、低コストであることもまた必要とする。イコライザで多経路干渉を緩和させる従来技術は、ＵＷＢシステムのコストを増加する。

ＵＷＢシステムのためのある提案されたアプローチは、全体の周波数帯域が多重バンドに分割される、マルチバンド変調スキームである。対応するインパルスは、そして各々のバンドにおいて送信される。ＵＷＢは、現在、ＷＰＡＮ環境における使用が考慮されているので、直接的なマルチバンド・アプローチは、あるピコネットから他のピコネットへの干渉に帰結する。

したがって、多重ピコネット干渉を回避する、ＵＷＢ通信システムへのアプローチの必要性がある。

本発明のシステムと方法とは、あるピコネットから他のピコネットへのマルチバンドＵＷＢネットワークにおけるピコネット干渉を低減するための疑似ランダム周波数シーケンスを用いるＵＷＢ通信システムを提供する。インパルスは、近接するネットワーク間の重複（衝突）の可能性がとても小さくなるように、ランダムシーケンスで送信される。

以下の記述の中で、限定より例示の手段で、本発明の完全な理解を提供するために、特定の詳細な記述、例えば、特定の機構、インタフェース、技術等が、説明される。しかしながら、本発明が、これらの特定の詳細な記述から離れた他の実施例に実施されてもよいことは、当業者にとって明らかである。

通信するために、ＵＷＢシステムは、単パルスとは対照的にパルス列を採用する。パルスの列（又は、シーケンス）は、情報の各々のビットのために出力され、そして、パルス列は、ＵＷＢシステムがデータを通信できるように、変調される。

パルス位置変調は、適当であり、前方または後方の時間においてパルス位置を変移させることによりパルス繰返し間隔を変更するか、または全く変更しない。他の変調スキームは、送信波形の位相がデジタルデータを意味するそれらの制限された位相変化とともに変化される、デジタル位相変調を伴う。二相位相変移変調（Binary Phase Shift Keying(ＢＰＳＫ)）において、位相の２つの変化を有する位相変調された波形は、生成され、情報の２つの２進数ビットを表現することができる。四相位相変移変調（Quadrature Phase Shift Keying（ＱＰＳＫ））では、データの４つの２進数ビットを表現することができる、位相の４つの変化が在り、それ故、効果的にバンド幅を倍増する。他の変調技術は、直交周波数分割多重(Orthogonal Frequency Division Multiplexing（ＯＦＤＭ）)、および直交振幅変調(Quadrature Amplitude Modulation（ＱＡＭ）)を含む。

限定するものではなく、例として、図１ａは、本発明の実施例が適用されるべき典型的な無線ネットワークを示す。図１ａに示すように、通信装置１００は、ピアツーピア基盤において無線リンク１１０を介してのみ通信する。図１ｂは、本発明の実施例がまた適用されるべき典型的なネットワークを示す。図１ｂに示すように、通信装置１００は、ピアツーピア基盤における無線リンク１１０を介してのみならず、無線リンク１２０を介して本来的にピコネットが確立した制御点１３０へ/から、通信する。本発明の基本的な方針は、互いに接近している場合に最小限で互いに干渉する通信装置１００のＵＷＢピコネットの両タイプによる機構を準備することである。

図２ａおよび図２ｂは、それぞれアンテナを採用している、例示的な送信機と受信機の機構を提供する。このアンテナは、限定する趣旨ではなく、例示のみの手段で含まれている。信号は、アンテナとして機能することができるケーブルまたは集積回路を経由するような、いくつかの手段により送信されるとともに、受信されてもよい。図２ａおよび図２ｂの機構は、本発明に対する議論や記述に役立てるために含まれる。

図２ａの送信機システム（２３５）をここで参照すると、図１ａまたは図１ｂのＵＷＢネットワークの無線通信装置１００が、本発明の実施例に適用される、図２ａのブロック図において描かれた送信機機構の送信機サブシステム（２３５）を含んでいてもよい。図２ａに示すように、通信装置はインタフェース２００、バッファ２１０、変調器２２０、ＵＷＢ無線送信機２３０、コントローラ２４０、データメモリ２５０、アンテナ２６０、および疑似ランダムノイズ源２７０、を含んでいてもよい。コントローラ２４０は、バッファ２１０への情報信号の入力を検知し、そして、サブバンドのチャネル状態に基づいて、用いられるべき時間、振幅、および位相変調を決定し、決定された変調を変調器２２０に知らせる。図２ａの例示的なシステムは、説明のためのものである。ＵＷＢ無線送信機２３０は、望まれた信号を送信するためアンテナ２６０に連結されている。

図２ｂの受信機システム（２９５）をここで参照すると、図１ａおよび図１ｂのＵＷＢネットワークの無線通信装置１００は、本発明の実施例に適用される、図２ｂのブロック図において描かれた受信機機構の受信機サブシステム（２９５）を含んでいてもよい。図２ｂに示すように、通信装置はインタフェース２００、バッファ２１０、復調器２８０、ＵＷＢ無線受信機２９０、コントローラ２４０、データメモリ２５０、アンテナ２６０、および疑似ランダムノイズ源２７０、を含んでいてもよい。アンテナ２６０は、伝達されたインパルス無線信号を受信するために、ＵＷＢ無線受信機２９０に連結されている。コントローラ２４０は、送信された信号の受信機２９０による受信を検知し、そして、サブバンドのチャネル状態に基づいて、用いられた時間、振幅、および位相変調を決定し、決定された変調を復調器２８０に知らせる。図２ｂの例示的なシステムは、説明の目的ためのものである。

説明は、特定のトランシーバシステムの説明に共通して使用された用語に言及しているかもしれないが、この説明と着想とは、他の処理システムに等しく適用し、図２ａおよび図２ｂに示されたのと非類似な機構を有するシステムを含む。

ＵＷＢチャネルは、Ｎバンド、すべての周波数帯域がそれらのＮバンドに分割される、に分割されると仮定する。好ましい実施例において、列の一致するインパルスは、そこで、周波数の疑似ランダムシーケンスを用いる、すなわちＮバンドの序列を選択するための疑似ランダム数シーケンス（pseudo-random number sequence）を用いる各々のバンドにおいて送信される。

例えば、もし、４バンドが存在すれば、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４で示された各々のバンド、それから、あるネットワークによって送信されたパルスのシーケンスは、ｆ１、ｆ３、ｆ４、ｆ２であり得る。他の近接するネットワークは、そこで、ｆ３、ｆ２、ｆ４、ｆ１を用いて送信することができる。これは、最大重複が、ただ１つのみバンド、すなわちｆ４に限られることを確証する。それにもかかわらず、そのような重複（衝突）の確率は、とても小さい。他のバンドは、全く重複しない。従来のアプローチでは、すべてのピコネットのための周波数のシーケンスが、固定され、そして互いに同一である。結果として、すべての帯域における干渉は、可能性がある。そのような干渉は、全体的なネットワークの容量を低減する結果になる。

好ましい実施例において、各々のパルスを変調することにより、データは伝達される。パルス位置（pulse position）、二相位相変移変調（ＢＰＳＫ）、四相位相変移変調（ＱＰＳＫ）、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）、および直交振幅変調（ＱＡＭ）は、種々の変調技術の中で、実行できる。

好ましい実施例において、送信された周波数の序列は、受信機により予め既知である。シーケンスは、ピコネットを確立するＵＷＢ通信装置１００により決定され、ピコネットに加わる各々のＵＷＢ通信装置１００に伝達される。制御点が在るかどうかは、実際、問題にならず、各々の通信装置１００がシーケンス及び同期の仕方を知るための手段が在るだけである。受信機は、そこで、特定時間における期待された周波数の知識を有する。常に、受信機は、既知のサブバンドを通して送られた信号を復調し、他のバンドを無視する。

図３は、パルスの中心周波数の序列が、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４であるＵＷＢパルスを示す。近接するネットワークは、ピコネット間の最大衝突を低減するために周波数の異なるシーケンスを用いる。近接するネットワークは、他のピコネットのシーケンスと同一ではない、Ｎバンドに関係するパルスのシーケンスを決定する、Ｎ個のランダムシーケンスを生成する。

図３に示された例示は、同じ周波数シーケンスが繰り返される８０ｎｓの期間に時間を分割する。この８０ｎｓの時間は、それぞれの個々の周波数バンドに対してさらに２０ｎｓの期間に分割される。各々の２０ｎｓの間隔で、パルスは、データを伝達するために変調される。しかしながら、８０ｎｓの期間は、ほんの例示であり、３００ｎｓまたは２０ｎｓであってもよかった。さらに、他の変調シーケンス、例えば、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）の場合、図３は、おそらく異なるであろう。

本発明は、その意図または本質的な当該特徴から外れることなく、他の特定の形態において実施されてもよい。準備された実施例は、例示のみの手段であり、どのような意義の制限についても提供されるものではない。本発明の範囲は、先の記述よりも添付された請求項により示されるとともに、請求項の均等の意味および範囲にあるすべての改良は、それ故、その中に含まれることを意図するものである。

ピアツーピア通信のみにより通信するＵＷＢ通信ステーションの無線ネットワークを示す図である。制御点、ピアツーピア基盤と同じように通信ステーションがこの制御点を介して通信する、により確立されるとともに制御された無線ネットワークを示す図である。ＵＷＢ通信ステーションの機構を示し、本発明の実施例が適用されるべき、例示的な送信機部分を示す簡略化されたブロック図である。ＵＷＢ通信ステーションの機構を示し、本発明の実施例が適用されるべき、例示的な受信機部分を示す簡略化されたブロック図である。本発明に従うマルチバンド疑似ランダム周波数シーケンスＵＷＢ変調を示す図である。

Claims

マルチバンド超広帯域無線（UWB）通信システムのため装置であって、
（ａ）ＵＷＢチャネルをＮサブバンドの疑似ランダムシーケンスに分割するよう設定されたコントローラ、
（ｂ）変調されたパルスのシーケンスを準備するように設定された変調器、および
（ｃ）Ｎサブバンドの前記シーケンスの１つを介して前記シーケンスの各々の変調されたパルスを送信するように設定された送信機、
を含む送信機サブシステムと、
（ｄ）前記Ｎサブバンドを介して送信されたＵＷＢ信号を受信するように設定された受信機、
（ｅ）前記Ｎサブバンドの前記疑似ランダムシーケンスに従う受信された前記信号を変調されたパルスのシーケンスに組み合わせるように設定されたコントローラ、および
（ｆ）変調されたパルスの前記シーケンスを復調するように設定された復調器、
を含む受信機サブシステムと、
を備えることを特徴とする装置。
前記送信機（ｃ）は、アンテナ、ケーブル、およびアンテナとして機能する集積回路（ＩＣ）から構成されるグループから選択された、送信するための手段をさらに含み、
前記受信機（ｄ）は、アンテナ、ケーブル、およびアンテナとして機能する集積回路（ＩＣ）から構成されるグループから選択された、受信するための手段をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記変調器（ｂ）は、
（ｂ．１）パルス位置、二相位相変移変調（ＢＰＳＫ）、四相位相変移変調（ＱＰＳＫ）、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）で構成されるグループからの変調技術により各々のパルスを変調するようにさらに設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記コントローラ（ａ）は、
（ａ．１）予め決定された期間に渡って、周波数シーケンスを繰り返し、
（ａ．２）前記シーケンスの各々の周波数のために、前記予め決定された期間を少なくとも１つのサブ期間に分割するようにさらに設定され、
前記変調器（ｂ）は、
（ｂ．１）データを伝達する少なくとも１つのサブ期間で各々のパルスを変調するようにさらに設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記変調器（ｂ）は、
（ｂ．２）パルス位置、二相位相変移変調（ＢＰＳＫ）、四相位相変移変調（ＱＰＳＫ）、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）から構成されるグループからの変調手法により各々のパルスを変調するようにさらに設定されている
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記予め決定された期間は、２０ｎｓ、８０ｎｓ、３００ｎｓから構成されるグループから選択され、そして、前記少なくとも１つのサブ期間は、Ｎにより分割された期間である
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記コントローラは、前記送信機に周波数の疑似ランダムシーケンスを受信機システムに通信させて、常に、前記受信機システムにより、前記Ｎサブバンドの既知のサブバンドを介して送信される前記信号が既知になるようにする
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
常に、前記受信機システムは、周波数の伝達された疑似ランダムシーケンスによる前記送信されたパルスを復調するように設定されており、前記パルスは前記Ｎサブ期間の既知のサブバンドを介して送信されることが既知である
ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
前記受信機システムは、他のピコネットを確立するものであるとともに、周波数の異なった疑似ランダムシーケンスの使用により送信機サブシステムのピコネットと重複するのを回避するように設定されている
ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
前記受信機システムは、他のピコネットのオリジネータであるとともに、周波数の異なった疑似ランダムシーケンスの使用により送信機サブシステムのピコネットと重複するのを回避するように設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
超広帯域無線技術を用いてデータを伝達する方法であって、
（ａ）
（ａ．１）ＵＷＢチャネルをＮサブバンドの疑似ランダムシーケンスに分割し、
（ａ．２）パルスのシーケンスである信号を変調し、そして、
（ａ．３）Ｎサブバンドの前記シーケンスの１つを介して前記シーケンスの各々変調されたパルスを送信する、
ステップを実行するように設定された送信機サブシステムを準備し、
（ｂ）
（ｂ．１）前記Ｎサブバンドを介して送信されたＵＷＢ信号を受信し、
（ｂ．２）前記Ｎサブバンドの前記疑似ランダムシーケンスに従う受信された前記信号を組み合わせ、そして、
（ｂ．３）前記組み合わされたＮサブバンドから変調されたパルスの列を復調する、
ステップを実行するように設定された受信機サブシステムを準備する
ことを特徴とする方法。
前記送信機サブシステムは、
（ａ．４）予め決定された期間に渡って、周波数シーケンスを繰り返し、
（ａ．５）前記シーケンスの各々の周波数に対し、前記予め決定された期間を少なくとも１つのサブ期間に分割する、
ステップを実行するように設定され、そして
前記変調するステップ（ａ．２）は、
（ａ．２．１）データを伝達するサブ期間で各々のパルスを変調する
ステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
変調する前記ステップ（ａ．２）は、
パルス位置、二相位相変移変調（ＢＰＳＫ）、四相位相変移変調（ＱＰＳＫ）、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）で構成されるグループから変調技術を選択する（ａ．２．２）ステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
前記予め決定された期間は、２０ｎｓ、８０ｎｓ、３００ｎｓで構成されるグループから選択され、そして、前記少なくとも１つのサブ期間は、Ｎにより分割された期間である
ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
前記受信機システムにより、常に、既知のサブバンドを介して送信される前記信号が既知になるように、周波数の疑似ランダムシーケンスを受信機システムに伝達する（ａ．６）ステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
常に、周波数の疑似ランダムシーケンスによる前記送信されたパルスを前記受信機システムにより復調し、前記パルスが前記既知のサブバンドを介して送信されることが既知のステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。