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JP3847289B2 - パルスベース通信システム - Google Patents

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JP3847289B2
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Description

本発明はパルスベース通信システムに関し、特に、UWB(Ultra Wide Band)等のパルスベース通信システムにおける同期捕捉方法に関する。
UWBシステムは搬送波を用いないで信号をパルス状態で送受信するシステムであり、米国のFCC(米連邦通信委員会)が2002年に民間に認可を与えた。FCCの規定ではUWBの定義は「帯域500MHz以上または中心周波数の20%以上の占有帯域幅を持つ無線信号」である。UWBは高速データ通信が可能な技術として大きな注目を集めている。UWBの信号は非常に広い帯域を使用して低電力で送信しているために他の通信システムとスペクトルを共有できるというメリットがある。さらに、信号をパルスで送信するのでマルチパスやフェージングの影響も解決する事ができる(非特許文献1および2を参照)。
短いパルスのUWBの波形はマルチパスの影響を避けることができるので、室内の通信に適用される。以下の記載ではマルチパスのない加法的白色雑音AWGNモデルを想定する。
非特許文献5に記載のように、モノサイクルの波形w(t)は次の式(1)で与えられる。
Figure 0003847289
ここで、τmはパルス幅の大きさである。
図11はDS(Direct Sequence)で変調された送信信号の波形の一例を示す図である。この例では、周期Tfのパルス列の連続するS個(Sは正の整数)のパルスで1ビットの情報を表す。変調方式には、各パルスの位相を反転する図11に示したDS以外にTH(Time Hopping)-UWBが知られている。
図12はDS-UWBの変調方式を説明する図である。図示のように、DS-UWBではパルス列の各パルスを反転して0、1を区別する。これは、搬送波の位相の非反転と反転で情報の1と0を区別する従来のCDMA等におけるBPSK(Binary Phase Shift Keying)の技術と類似している。
図13はTH-UWBの変調方式を説明する図である。同図に示すように、TH-UWBでは各パルスの時間軸上での位置を例えば125ピコ秒変化させてその位置により0、1を区別する。
いずれの変調方式においても、上記のように連続するS個(Sは正の整数)のパルス(PN符号やBaker符号)でスペクトル拡散をして1ビットの情報を表す。
DS変調やTH変調のUWBシステムにおいて符号の同期は重要な問題のひとつである。多くの場合、SN比が大変低い状態あるいは妨害波の存在する中で同期捕捉を行わなければならない。
DS変調やTH変調のUWBシステムにおけるスペクトル拡散通信において、従来の同期捕捉方法としては、マッチドフィルタによる同期捕捉方法と相関方法による同期捕捉方法とがある。
マッチドフィルタによる同期捕捉方法は早い同期捕捉が可能であるが、ハードウェアは大規模となる。
相関方法による同期捕捉方法はハードウェアが比較的簡単ですむが、同期捕捉には時間がかかってしまう。
同期捕捉の時間を短縮するために、複数の相関器を用いて同期捕捉を行う方法がある。しかしながら、この方法は受信機が複雑となり消費電力の増加をもたらす。
相関法による初期同期の一般的な方法として、正しい符号の位相が得られるまで、可能性のある位相の状態を順に変えていく方法がある。その各位相は、受信信号に逆拡散を試みて、その結果で正しいかどうかを評価していく。推定した符号位相が正しいならば、逆拡散が行われ、相関ピーク値が検知される。また、推定した符号位相が正しくないならば、逆拡散は行われず、その基準信号は、次の推定のために、新しい位相にステップする。この手法をシリアルサーチという(非特許文献3参照)。
しかしながら、相関法におけるこのシリアルサーチの方法によれば、送信信号中に情報が存在しない状態が長く続くほど受信側での同期捕捉に要する時間が長くなるという問題がある。
M.Z.Win, R.A.Scholtz, "Ultra-Wide Bandwidth Time-HoppingSpread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Acess Communications" IEEETrans. On Commun., vol.48, no.4, April 2002 K.Siwiak, P.Withington, S.Phelan, "Ultra-wide band radio:the emergence of an important new technology," Vehicular Technology Conference, VTC 2001 Spring. IEEE VTS 53rd, Vol. 2 pp1169-1172, May.2001 Roger L. Peterson, Roger L. Ziemer, David E. Borth, "Introduction to Spread Spectrum Communications" Prentice-Hall, 1995 Kazimierz. SIWIAK, "Ultra-Wide Band Radio: Introducing a New Technology, "Vehicular Technology Conference, VTC 2001 Spring. IEEE VTS 53rd, Volume; 2,6-9 May 2001 Femando Ramirez-Mireles, "On the Performance of Ultra-Wide-Band Signal in Gausian Noise and Dense Multipath, "IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 50, no. 1, January 2001 JACK K. HOLMES, "Acquisition Time Performance of PN Spread-Spectrum Systems, "IEEE Trans. Commun., COM-25, 8, pp. 778-783 (Aug. 1977)
本発明の目的は、UWB通信等のパルスベース通信における相関法による同期捕捉方式において、ハードウェアを複雑にする事なく、且つ、送信信号中に情報が存在しなくても同期捕捉を可能にして、同期捕捉時間を短くすることにある。
上記目的を達成するために、本発明の第一の態様により提供されるものは、パルスベース通信を行うための受信回路であって、伝送情報を所定周期のパルス信号として発生する受信側の第一のパルス発生器と、その所定周期でパルス検出信号を発生する受信側の第二のパルス発生器と、第一のパルス発生器と第二のパルス発生器から出力されるパルスの位相の位相差を所定値にする制御回路と、受信信号を第一のパルス発生器の出力および第二のパルス発生器の出力のいずれかに掛け合わせる掛け算器と、掛け算器の出力から復調データを再生する復調手段とを備え、同期捕捉の第1段階では掛け算器は第二のパルス発生器から出力されるパルス検出用信号を受信信号と掛け合わせた結果を復調手段に与えて、復調手段によりパルス検出信号の同期を確立し、第1段階の後に、第一のパルス発生器の出力を第二のパルス発生器から出力されるパルスの位相に対して上記所定値だけ異なるように制御回路により第一のパルス発生器を制御して、受信信号と第一のパルス発生器の出力信号との同期を確立するようにした受信回路である。
本発明の第の態様により、上記送信回路および受信回路を備えた通信システムが提供される。
本発明の第の態様により、パルスベース通信を行うための同期捕捉方法であって、所定周期のパルス信号の伝送情報に対して所定期間だけ位相が異なっているパルス検出用信号を送信側と受信側で生成し、パルス検出用信号を用いて受信側で同期を確立し、次いで、同期確立したパルス検出用信号に対して所定期間だけ位相を異ならせて伝送情報を受信側で生成することにより、受信信号と伝送情報との同期を確立することを特徴とする同期捕捉方法が提供される。
UWB通信等のパルスベース通信における相関法による同期捕捉方式において、パルス検出用信号によりまず同期を確立し、次いで伝送情報を含むパルス信号を同期させることにより、ハードウェアを複雑にする事なく、且つ、送信信号中に伝送情報が存在しなくても同期捕捉が可能になり、同期捕捉時間を短くすることができる。
パルスベース通信における相関法による同期捕捉時間を短くするという目的を、送信信号中に伝送情報が存在しなくてもパルス検出用信号により同期を確立することにより実現した。
図1はUWB用送信回路の構成を示すブロック図である。同図において、11は例えば100ns毎にパルスを発生するクロック発生器、12は送信データとクロック発生器1の出力とに基づいて情報伝送用PN(擬似雑音)信号を発生する情報伝送用PN発生器、13は情報伝送用PN発生器12の出力に基づいて拡散符号(PN符号やBaker符号)により変調されたUWB信号のパルスを発生する第一のパルス発生器、14はクロック発生器11の出力に基づいて例えば100nsといった所定周期でパルス検出用信号を発生する第二のパルス発生器、15は第一および第二のパルス発生器13,14を制御する制御回路、16は第一および第二のパルス発生器13,14の出力を加算する加算器、17は加算器16の出力を送信するアンテナである。尚、本発明の実施例では図1に示した送信回路はパケット通信を行う。制御回路15はパケットの先頭で、第二のパルス発生器14から出力されるパルスの位相を、第一のパルス発生器から出力されるPN符号により変調されたパルス信号の位相から、予め定めた一定時間τだけ遅れて出力されるように、第一および第二のパルス発生器13および14を制御する。
二のパルス発生器14を設けたことにより、情報伝送用PN発生器12が情報を発生しているかいないかに関わらず、パケットの先頭部分で第二のパルス発生器14から一定周期のパルスが送信されるので、受信側では第二のパルス発生器14からのこのパルスを受信することにより、情報伝送用の拡散符号が存在していなくてもいち早く同期捕捉することができる。
図2は本発明の一実施例によるUWB用受信回路の構成を示すブロック図である。同図において、21は送信回路内のクロック発生器1が発生するクロック信号と同一周期のクロック信号を発生するクロック発生器、22は受信した信号からベースバンド信号を再生するための拡散符号を発生する情報伝送用PN発生器、23は情報伝送用PN発生器22の出力に基づいてUWB信号のパルスを生成する受信側の第一のパルス発生器、24は送信回路内の第二のパルス発生器14が発生するパルス信号と同一周期のパルス信号を発生する受信側の第二のパルス発生器、25は第二のパルス発生器24および情報伝送用PN発生器22を制御する制御回路、26はスイッチ、27は受信アンテナ、28は第一のパルス発生器23又は第二のパルス発生器24の出力と受信アンテナ27により受信された信号とを掛け算する掛け算器、29は掛け算器28の出力をPN符号の連続する所定数毎に積分して情報を再生する積分回路、30は積分回路29の出力からベースバンド信号を復調データとして出力するベースバンド信号処理回路である。積分回路29とベースバンド信号処理回路30とで復調手段を構成している。制御回路25は、第二のパルス発生器24から出力されるパルスの位相を、第一のパルス発生器23から出力されるPN符号により変調されたパルス信号の位相から、予め定めた一定時間τだけ遅れて出力されるように、第一および第二のパルス発生器23および24を制御する。
図3は図1および図2に示した本発明の一実施例によるUWB通信システムの動作を説明するフローチャート、図4は図1に示した送信回路からの出力信号を示す図、図5は本発明の実施例による第一段階の位相同期を説明する図、図6は本発明の実施例による第二段階の位相同期を説明する図である。図3から図6により本発明の実施例による同期捕捉方法を説明する。
まず、送信回路から第一のパルス発生器13の出力と第2のパルス発生器14の出力とを重ね合わせた信号を、アンテナ17を介して出力する。
図4において、(a)は第一のパルス発生器13の出力であるPN符号(拡散符号)により変調されたパルス信号を示し、(b)は第二のパルス発生器14の出力信号を示し、(c)は両者を加算した加算器16の出力信号を示す。同図の(a)に示すように、拡散符号は所定周期Tのパルス列である。各パルス列は位相が正転したパルスと位相が反転したパルスの組み合わせでビットの情報を表している。伝送情報が存在しないときは、拡散符号中のパルスも存在しない。また、(b)に示すように、第二のパルス発生器14の出力信号は一定周期のパルス列からなるパルス検出用信号である。また、(c)に示すように、第一のパルス発生器13の出力位相と第二のパルス発生器14の出力位相との時間間隔τは任意に予め定めておく。
受信回路において、同期捕捉の初期段階では、受信回路内のスイッチ26は図2内で点線で示すように接点26に接続されている。したがって、掛け算器28は、受信側の第二のパルス発生器24の出力と受信信号とを掛け算する。この結果、図3のステップ31に示すように、受信回路においてパルス検出用信号による同期捕捉が最初に行われる。パルス検出用信号は図4の(b)に示すように、PN符号の有無に無関係な一定周期のパルス列であるので、その周期Tの間で同期捕捉ができる。この段階では拡散符号の位相を考慮する必要がない。
図5の(a)は受信信号を示し、(b)は受信側の第二のパルス発生器24の出力を示す。受信信号(a)に含まれる送信回路内の第二のパルス発生器14の出力に受信回路内の第二のパルス発生器24の出力を同期させるために、制御回路25により第二のパルス発生器24の出力(b)の位相をずらしていく。パルス検出用信号の一周期T内で積分回路29の出力がピークになった時が同期捕捉された時である。
同期捕捉が成功した後は図3のステップ32に示すように、受信信号を拡散符号により変調された信号に同期させる。これは、受信回路のスイッチ26を図示の実線の方向に切替えて接点26に接続することにより行われる。スイッチの接点の切替えは制御回路25により行われる。即ち、制御回路25は、ベースバンド信号処理回路30の出力が同期捕捉完了を示すと、スイッチ26を接点26側に切り替える。そして、情報伝送用PN発生器22から出力されるPN符号により変調された、受信側の第一のパルス発生器23から出力されるパルス列を受信信号に同期させる。
図6の(a)は受信信号を示し、(b)は受信側の第一のパルス発生器23の出力を示す。図示のように、第二のパルス発生器24から出力されるパルス検出用信号は第一のパルス発生器23から出力されるパルスより所定時間τだけ遅れているので、制御回路25の制御により、既に同期捕捉が完了している第二のパルス発生器24の出力の位相からτだけ進ませた信号を第一のパルス発生器23から出力させることにより、拡散符号もパルス検出用信号の周期T内で直ちに同期捕捉される。
次いで、ステップ33にて同期が確立したかを常時判定し、同期がはずれたら、ステップ31および32を繰り返す。これにより、同期捕捉に失敗しても、パルス検出用信号の周期Tの間隔で受信側のパルス検出用信号をスライディングさせるだけで、直ちに同期捕捉を復旧させることができる。こうして、パルスのない部分における無駄な積分時間を省くことができ、高速な同期捕捉が実現できる。
図7は本発明の実施例による同期捕捉時間を従来例と比較するグラフである。図示のように、最大積分時間は、拡散符号長が20の場合で、従来例では0.00004秒であったのに対し、本発明の実施例によれば0.00001秒の1/4以下であり、本発明の実施例により同期捕捉時間が大幅に短縮されたことが分かる。即ち、従来の最大積分時間は最大積分時間=パルス間隔×拡散符号長×停留時間×スライディング間隔であったのに対し、本発明の実施例によれば最大積分時間は
最大積分時間=パルス間隔×スライディング間隔+拡散符号長×停留時間
となり、最大積分時間は拡散符号長が長くなる程、本発明の実施例の方が短くなる。
本発明の実施例を更に詳細に説明する。
従来の相関器による同期捕捉方法において平均同期捕捉時間は次のように与えられる。
Figure 0003847289
ここで、Pfaは誤警報確率、Pは検出確率、Tは停留時間、Tfaはペナルティータイム、Cはサーチセルの数である。
本発明の実施例によれば式(2)におけるサーチセルの数“C”を減らすことによって平均同期補足時間を節約する事ができる。本発明の実施例による方式と従来の方式を比較する為に、簡単にここではノイズのない理想的チャネルを仮定する。理想的なチャネル(即ち、P=1、Pfa=0)の平均同期捕捉時間は次のように与えられる。
Figure 0003847289
従来方法のサーチセルの数Cは次のように与えられる。
Figure 0003847289
本発明の実施例によるサーチセルの数Cは次のように与えられる。
Figure 0003847289
ここでTはフレーズタイム、Δtはサーチセルのサイズ、Sは拡散符号の長さである。それぞれの値の関係は次のように与えられる。
Figure 0003847289
式(4)、(5)および(6)から明らかなように、C>Cであり、本発明の実施例による方式は従来方式よりS倍早く同期捕捉をする事が可能である。
次に以下のシミュレーションモデルについて、本発明の実施例による場合と従来方式の場合の「平均補足時間対符号のシーケンス長さ」、「捕捉成功確率対E/N」,および「捕捉成功確率対捕捉制限時間」を図8から図10に示すグラフに基づいて記載する。
シミュレーションモデルは次の表の通りである。
Figure 0003847289
図8は平均捕捉時間対符号のシーケンス長さを示すグラフである。滞留時間は1ビットの長さであるSTfであると仮定している。
図から分かるように、同期捕捉スピードは、本発明の実施例による方式の方が、従来方式よりおよそS倍早い。つまり、本発明の実施例による方式では、1ビットを表す符号の系列の長さが長くなるほど効果が大きい。
図9は捕捉成功確率対E/Nを示すグラフである。同期捕捉の成功確率とは制限期間T内に同期捕捉を達成できる確率である。試行回数を100,000回、同期捕捉制限時間Tは4.9μs、1ビットを表す符合の系列の長さは7、停留時間STは7.0nsとした。
図から分かるように、捕捉成功確率はE/Nが0dBより小さい場合に本発明の実施例による方式の方が従来例より高い確率を示す。E/Nが−4dBよりよい環境では本発明の実施例による方式は100%に近い成功確率を示している。
図10は捕捉成功確率対捕捉制限時間を示すグラフである。この場合のE/Nは10dBである。図から分かるように、同期捕捉の制限時間が1.2×10−6より小さい時には、本発明の実施例による方式の方が従来方式よりも成功確率がよい。本発明の実施例による方式では、同期捕捉の制限時間の増大に従って素早く高い成功確立を達成している。これに対し、従来方式では、制限時間の増大に伴う成功確率の改善がはるかに遅い。このように、本発明の実施例による方式では平均同期捕捉時間が従来方式と比べてはるかに短いので、ある期間において本発明の実施例による方式は従来方式よりも多くの同期捕捉のチャンスを得ることができる。したがって、同じ期間において本発明の実施例による方式の同期捕捉成功確率は従来方式よりもよいということが分かる。
本発明は以上に記載した実施例に限定されるものではなく、例えば、無線システムとしてはDS−UWBを用いたが、これに替えてTH−UWBやTM(TimeModulation)−UWBであってもよい。また、FCCで規定されたUWB以外のUWBにも適用可能である。さらに、変調フォーマットとしてBPSKを用いたが、これに替えてBPAKであってもよい。さらに、本発明はパケット通信に限定されるものではなく、同期用の信号を送受信するすべてのパルスベース通信に適用され得る。
以上説明したように、本発明によれば、インパルスベースのUWBにおける新しい同期捕捉方法が提案された。本発明による方式は平均同期捕捉時間が従来方式に比べてS倍(Sは1ビットを表す拡散符号長)早くする事ができる。また、同じ制限時間内では本発明による方式の同期捕捉成功確率は従来方式に比べてよい。さらに、本発明による方式によれば、ハードウェアを複雑にすることなく、すばやい同期捕捉と成功率の高い同期捕捉を成し遂げる事ができる。
本発明の一実施例によるUWB用送信回路の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施例によるUWB用受信回路の構成を示すブロック図である。 図1および図2に示した本発明の一実施例によるUWB通信システムの動作を説明するフローチャートである。 図1に示した送信回路からの出力信号を示す図である。 本発明の実施例による第一段階の位相同期を説明する図である。 本発明の実施例による第二段階の位相同期を説明する図である。 本発明の実施例による同期捕捉時間を従来例と比較するグラフである。 本発明の実施例による平均捕捉時間対符号のシーケンス長さを示すグラフである。 本発明の実施例による捕捉成功確率対E/Nを示すグラフである。 本発明の実施例による捕捉成功確率対捕捉制限時間を示すグラフである。 DS(Discrete Sequence)で変調された送信信号の波形の一例を示す図である。 DS-UWBの変調方式を説明する図である。 TH-UWBの変調方式を説明する図である。
符号の説明
11…クロック発生器
12…情報伝送用PN発生器
13…第一のパルス発生器
14…第二のパルス発生器
15…制御回路
16…加算器
17…アンテナ
21…クロック発生器
22…情報伝送法PN発生器
23…受信側の第一のパルス発生器
24…受信側の第二のパルス発生器
25…制御回路
26…スイッチ
27…アンテナ
28…掛け算器
29…積分回路
30…ベースバンド信号処理回路

Claims (10)

  1. パルスベース通信を行うための受信回路であって、
    伝送情報を所定周期のパルス信号として発生する受信側の第一のパルス発生器と、
    前記所定周期でパルス検出用信号を発生する受信側の第二のパルス発生器と、
    前記第一のパルス発生器と前記第二のパルス発生器から出力されるパルスの位相の位相差を所定値にする制御回路と、
    受信信号を前記第一のパルス発生器の出力および前記第二のパルス発生器の出力のいずれかに掛け合わせる掛け算器と、
    前記掛け算器の出力から復調データを再生する復調手段と、
    を備え、
    同期捕捉の第1段階では前記掛け算器は前記第二のパルス発生器から出力される前記パルス検出用信号を受信信号と掛け合わせた結果を前記復調手段に与えて、前記復調手段により前記パルス検出信号の同期を確立し、
    前記第1段階の後に、前記第一のパルス発生器の出力を前記第二のパルス発生器から出力されるパルスの位相に対して前記所定値だけ異なるように前記制御回路により前記第一のパルス発生器を制御して、受信信号と前記第一のパルス発生器の出力信号との同期を確立することを特徴とする受信回路。
  2. 前記パルスベース通信はインパルスベースのUWBである、請求項1に記載の受信回路。
  3. 前記伝送情報は情報伝送用拡散符号により生成されることを特徴とする請求項1に記載の受信回路。
  4. 前記情報伝送用拡散符号は情報伝送用PN符号であることを特徴とする請求項2に記載の受信回路。
  5. 前記情報伝送用拡散符号は情報伝送用Baker符号であることを特徴とする請求項2に記載の受信回路。
  6. パルスベース通信を行うための送受信システムであって、
    伝送情報を所定周期のパルス信号として発生する第一のパルス発生器と、
    前記所定周期でパルス検出用信号を発生する第二のパルス発生器と、
    前記第一のパルス発生器と前記第二のパルス発生器とを制御して、前記第一のパルス発生器と前記第二のパルス発生器から出力されるパルスの位相の位相差を所定値にする制御回路と、
    前記第一のパルス発生器の出力と前記第二のパルス発生器の出力とを加算して出力する加算器とを備えている送信回路と、
    伝送情報を所定周期のパルス信号として発生する受信側の第一のパルス発生器と、
    前記所定周期でパルス検出用信号を発生する受信側の第二のパルス発生器と、
    前記受信側の第一のパルス発生器と前記受信側の第二のパルス発生器から出力されるパルスの位相の位相差を所定値にする制御回路と、
    受信信号を前記受信側の第一のパルス発生器の出力および前記受信側の第二のパルス発生器の出力のいずれかに掛け合わせる掛け算器と、
    前記掛け算器の出力から復調データを再生する復調手段と、
    を備え、
    同期捕捉の第1段階では前記掛け算器は前記受信側の第二のパルス発生器から出力される前記パルス検出用信号を受信信号と掛け合わせた結果を前記復調手段に与えて、前記復調手段により前記パルス検出信号の同期を確立し、
    前記第1段階の後に、前記受信側の第一のパルス発生器の出力を前記受信側の第二のパルス発生器から出力されるパルスの位相に対して前記所定値だけ異なるように前記制御回路により前記受信側の第一のパルス発生器を制御して、受信信号と前記受信側の第一のパルス発生器の出力信号との同期を確立することを特徴とする送受信システム。
  7. 前記パルスベース通信はインパルスベースのUWBである、請求項6に記載の送受信システム。
  8. 前記伝送情報は情報伝送用拡散符号により生成されることを特徴とする請求項6に記載の送受信システム。
  9. 前記情報伝送用拡散符号は情報伝送用PN符号であることを特徴とする請求項8に記載の送受信システム。
  10. 前記情報伝送用拡散符号は情報伝送用Baker符号であることを特徴とする請求項8に記載の送受信システム。
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