JP2007520975A - ビーム形成を使用する増大された超広帯域（ｕｗｂ）ユーザ容量送信器 - Google Patents

Abstract

複数のユーザが著しい干渉なしに、システムと通信することを可能にし、超広帯域（ＵＷＢ）通信システムの使用のためのそのシステムおよび方法。システムは、空間的多重、周波数再利用、および時間スロット再利用の選択される組み合わせの手段によって、ＵＷＢパルスが、選択される複数のユーザに複数の要素アンテナを介して送信される、複数の要素アンテナアレイを含む。本発明の装置は、各アレイが複数のアンテナ要素を有する、対称的に構成された複数のアレイを有する広帯域アンテナ構造と、それぞれのユーザのために意図されるパルスのみを含む個別ユーザビームを生成するように、ＵＷＢパルスをパルスの個別ユーザストリームに分け、各ユーザストリームをアンテナ構造に適用するための手段とを含む。

Description

本発明は、一般に、超広帯域（ＵＷＢ)パルスを用いる通信システム、より詳細に、ＵＷＢ送信器におけるユーザ容量を増大するための技術に関する。

インパルス無線通信として時々言及される、ＵＷＢパルスによる通信は、周知であるが、広く使用されている技術ではない。「インパルス無線」という用語は、通常、キャリア信号がパルス内に含まれないＵＷＢシステムを説明するために使用される。ＵＷＢという用語は、送信されるパルスが無線周波数キャリア信号のバーストであるシステムに適用もされ得る。非常に狭い電磁気パルスは、本来的に、広帯域の周波数を含む。ＵＷＢパルスのストリームに情報を追加することは、パルス位置変調によって引き起こされ得る。情報信号サンプルの瞬時値は、ＵＷＢパルスの位置を適時に変調するために使用される。より基本レベルにおいては、ＵＷＢパルスは、パルスの別の周期的な連続におけるそれらの存在または不在によっても変調され得る。これらの原理は、技術文献において周知であり、Ｆｕｌｌｅｒｔｏｎらに発行された米国特許第５，６７７，９２７号において好都合に要約されている。

ＵＷＢ通信が周波数スペクトルの広い帯域を使用するため、ＵＷＢ通信は、安全の利点および電波妨害への抵抗を提供する。ＵＷＢ通信が帯域を非効率的に使用するため、その使用の政府認可は、比較的低電力に制限された。ＵＷＢ通信はさらに、比較的長距離の利点、ビルの壁を通る能力、および低トランシーバコストを提供する。しかしながら、ＵＷＢパルスによる通信は、技術を複数のユーザに適用するにおいて内在する困難のような、いくつかの実際的な制限を有する。例えば、ＵＷＢ通信システムの可能な一アプリケーションは、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、またはサテライトディッシュ通信の代替として、家にインターネットおよびテレビ接続を供給するためである。ＵＷＢ通信は、この目的に対して理想的である。なぜなら、これは、ユーザサイトにおいて比較的低コストトランシーバおよびプロセッサを用いて、高データレートにおける情報の送信を可能にする。ＵＷＢ通信システムに内在する一欠点は、しかしながら、任意の選ばれた時間間隔の間にユーザ１人だけが独自の情報を受信することを可能にすることである。Ｆｕｌｌｅｒｔｏｎらによる特許（特許文献１）は、ＵＷＢ送信において使用されるインパルス無線信号にチャネル化を追加するために、異なる周波数または異なる波形のサブキャリアの使用を教示する。

通信システムに複数のユーザアクセスを提供するための類似技術は、携帯電話システムにおいて使用されるように、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）である。ＣＤＭＡシステムの複数のユーザは、同等の時間において同等の周波数帯域を共有および送信し得るが、各ユーザがスペクトル拡散のために使用される異なるコードに関連するため、それらの情報信号は識別可能である。コードは直交性であり、すなわち、理論的にコードは、受信器において独立して検出可能である。したがって、ＣＤＭＡシステムにおいて、複数の情報信号チャネルは、単一の拡散スペクトル送信システムを共有する。ＣＤＭＡのいくつかの形式をＵＷＢ送信に適用することは、しかしながら、変調および検出装備の複雑性ならびにコストを増加させる。複数のユーザ間においてＵＷＢ送信システムを共有するための比較的単一のアプローチの更なる必要性が、前述のものから理解されるであろう。本発明は、この目的に向けられている。
米国特許第５，６７７，９２７号明細書

本発明は、選択される超広帯域（ＵＷＢ)パルスを、ＵＷＢ通信システムの複数のユーザに向けるために、装置およびその関連方法に存在する。端的および一般的に、本発明の装置は、各アレイが複数のアンテナ要素を有する、対称的に構成された複数のアレイを有する広帯域アンテナ構造と、それぞれのユーザのために意図されるパルスのみを含む個別ユーザビームを生成するように、ＵＷＢパルスをパルスの個別ユーザストリームに分け、各ユーザストリームをアンテナ構造に適用する手段とを含む。本発明の一局面に従って、パルスは、ＵＷＢ時間スロットの特定のアロケーションを各ユーザに割り当てることによって、個別ユーザストリームに分けられる。装置の最も単純な形において、ＵＷＢパルスは、各ユーザストリームをアンテナの異なるセグメントに適用することによって、異なるユーザに向けられる。

より詳細に、ＵＷＢパルスを個別ユーザストリームに分けることは、ＵＷＢ周波数とアンテナアレイとの独自の組み合わせを、各ユーザに割り当てることによって引き起こされる。それによって、特定のユーザにまたは特定のユーザから送信されるＵＷＢパルスは、全て独自に識別可能であり、任意ユーザは、著しい干渉なしに他のユーザと同時に、ＵＷＢパルスを受信また送信し得る。ユーザビームの空間的分離は、各々が複数のアンテナアレイのうちの別々の１つに関連し、各々が複数の可変時間遅延回路を含む、複数のビーム形成ネットワークの使用によって更に強化される。時間遅延回路は、それぞれのユーザにビーム経路に沿って異なるパルスを導くために、連続的アレイ要素に適用されるＵＷＢパルスのための選択される時間遅延の異なるセットを間に入れる（ｉｎｔｅｒｐｏｓｅ）。ビーム操縦信号は、各アンテナアレイによって扱われる選択されたユーザに向かってビーム操縦を引き起こすように、それらをスイッチするために、ビーム形成ネットワーク制御するために使用される。

本発明の他の重要な局面に従って、ユーザの各々に対するＵＷＢパルスは、複数の利用可能周波数から選択されるキャリア周波数を有し、任意のユーザに関連するビームが、同一の周波数を使用する最も近いユーザビームからできるだけ遠くに空間的に離されるように、周波数は、空間的シーケンスにおいて再利用される。

本発明が、ＵＷＢ通信システムの分野においてかなりの進歩を提供することが、前述のものから理解されるであろう。特に、本発明は、ＵＷＢパルスが、空間的ビーム分離、時間的分離、および周波数再利用の選択される組み合わせを用いて、選択された複数のユーザに向けられることを可能にする。本発明の他の局面および利点は、添付の図面と連結して、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

例示の目的のために図面に示されるように、本発明は、複数のユーザ間において超広帯域（ＵＷＢ)通信システムを共有するための技術に関連する。例えば、ユーザは、地下の同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、またはサテライトディッシュアンテナを使用せずに、テレビまたはインターネットサービスプロバイダからの広帯域通信データの配信の必要性を有するホームオーナになり得る。

本発明の一局面に従って、中心に配置されたＵＷＢ送信／受信システムは、各々が別々のユーザアンテナに向けられる、複数の空間的に離されたアンテナビームを提供する広帯域アンテナを含む。この複数のビーム広帯域アンテナは、複数のＵＷＢユーザチャネルが所定の時間間隔内にて空間的にインターリーブされることを可能にする。例えば、図１に示されるように、通常参照番号１０によって示される複数のビームアンテナは、上から見られた場合に多角形を形成する複数のフェース１４上に配置される、複数のアンテナアレイ１２を含む。例示的なアンテナにおいては、平面図において三角形を形成する、３つのフェース１４上に配置される３つのアンテナアレイ１２がある。より一般的に、平面図においてＮ辺の多角形を形成する、Ｎフェース１４にインストールされるＮアンテナアレイ１２があり得、Ｎ個の個別送信経路がシステムのユーザを別々にすることを可能にする。

更なる空間的分離は、位相アレイアンテナの原理に類似するコンセプトである、アナログまたはデジタルビーム形成ネットワーク２０（図２）の使用によって得られ得る。ＵＷＢ送信のために形成するビームにおいて、ＵＷＢパルスは、ネットワーク２０を形成するビームの全ての入力ターミナル２２に適用される。出力ターミナル２４は、ｎ要素アンテナアレイ２６のそれぞれの要素に接続される。ビーム形成ネットワーク２０は、その内の２つがそれぞれの信号経路において選択的に２８において示される、時間遅延を間に入れるために機能する。時間遅延２８は、各々の連続的入力信号に増加的なより長い遅延を適用する、ビーム操縦信号生成器３０によって制御される。例えば、間に入れられた時間遅延が全て均等であった場合、ＵＷＢパルスはアレイ２６の全ての要素に同期して適用される。適切な遅延が、アレイ２６の各々の連続的要素に送信されるＵＷＢパルスに適用された場合、電磁気パルスは、波面３２によって示されるように、アンテナアレイから所望の方向に送信される。時間遅延をビーム形成ネットワーク２０の中および外にデジタルにスイッチすることによって、異なる選択されたパルスは、アンテナアレイ２６から異なる経路に沿って導かれ得る。

空間的多重パルスに加えて、時間多重が使用され得る。図３は、ユーザを特定のパルスに関連させるための時間スロット再利用の実施例である。実施例において、ユーザＡ１は、時間スロット＃１および＃３におけるパルスに関連され、ユーザＢ１は、時間スロット＃２および＃４における負方向パルスに関連される。ユーザＣ１は、時間スロット＃２および＃５における正方向パルスに関連される。他の配置は、もちろん、本発明の範囲内である。

特定のパルスが特定のユーザに関連しているように識別するための時間再利用の代わりに、システムは、ユーザを別々にするために周波数再利用を使用し得る。図４に示されるように、例えば、３アレイアンテナは、３つの空間的に離されたビームをその３つのアレイの各々から生成するように設計されている。アンテナアレイ＃１は、３つの空間的に離されたビームをユーザＡ１、Ｂ１、およびＣ１に生成し、アンテナアレイ＃２は、３つの空間的に離されたビームをユーザＡ２、Ｂ２、およびＣ２に生成し、アンテナアレイ＃３は、３つの空間的に離されたビームをユーザＡ３、Ｂ３、およびＣ３に生成する。ここに使用されるような周波数再利用原理に従って、ユーザＡ１、Ａ２、およびＡ３に向けられるビームは、第１の周波数を使用する。同様に、ユーザＢ１、Ｂ２、およびＢ３に向けられるビームは、第２の周波数を使用し、ユーザＣ１、Ｃ２、およびＣ３に向けられるビームは、第３の周波数を使用する。すなわち、ユーザＢ１、Ｂ２、およびＢ３に関連するパルスが第２のキャリア周波数を有し、ユーザＣ１、Ｃ２、およびＣ３に関連するパルスが第３のキャリア周波数を有する一方、ユーザＡ１、Ａ２、およびＡ３に関連するＵＷＢパルスは、第１のキャリア周波数を有する。この構成を使用して、９人の全ユーザのためのパルスが、空間的およびアンテナアレイにおける周波数によって離されるため、適時にオーバラップし得る。アレイの任意の１つにおいては、例えば、ユーザＢのために意図されるパルスは、ユーザＡおよびＣのために意図される信号から識別可能である。なぜなら、その特定のアレイのために生成された、ビームの周波数分離および空間的分離の両方があるからである。更に、ユーザＡ１、Ａ２、およびＡ３のような、同等の周波数を使用するユーザのためのパルスは、それらが別々の物理的アンテナアレイを使用するという点において、空間的に離される。

本発明が、複数のユーザアクセスを単一の送信器／受信器に提供することによって、ＵＷＢ通信システムの分野におけるかなりの進歩を表すことが、前述されたものから理解されるであろう。特に、空間的分離の選択される組み合わせ、ビーム操縦、周波数再利用、および時間スロット再利用によって、本発明は、複数のユーザが最小の干渉のみを用いてＵＷＢ送信器と通信することを可能にする。本発明の特定な実施形態は、例示目的のために示されたが、様々な修正は、本発明の精神および範囲から逸脱せずに行われ得る。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によって限定される以外に限定されるべきではない。

図１は、多角形構造のそれぞれのフェースに取り付けられている、別々のアレイを有するＵＷＢアンテナの図である。 図２は、異なるユーザ信号の空間的分離のためにビーム操縦を使用しているＵＷＢアンテナアレイの線図である。 図３は、ＵＷＢ通信システムにおける時間スロット再利用を示す、代表的なタイミング図である。 図４は、複数のユーザに対して信号分離を強化するために、周波数再利用を使用している、マルチファセットされたＵＷＢアンテナ構成の図である。

Claims (12)

1. 超広帯域（ＵＷＢ）通信システムにおける使用のために、選択された複数のユーザへおよび複数のユーザから、選択されたＵＷＢパルスを導くことが可能である装置であって、該装置は、
   各アレイが複数のアンテナ要素を有する、複数のアレイを有する広帯域アンテナ構造と、
   それぞれのユーザのために意図されるパルスのみを含む個別ユーザビームを生成するように、ＵＷＢパルスをパルスの個別ユーザストリームに分け、各ユーザストリームを該アンテナ構造に適用する手段と
   を備える、装置。
2. ＵＷＢパルスを個別ユーザストリームに分ける前記手段が、ＵＷＢ時間スロットの特定のアロケーションを各ユーザに割り当てる手段を含む、請求項１に記載の装置。
3. ＵＷＢパルスを個別ユーザストリームに分ける前記手段が、各ユーザストリームを前記アンテナの異なるセグメントに適用する手段を含む、請求項１に記載の装置。
4. ＵＷＢパルスを個別ユーザストリームに分ける前記手段が、ＵＷＢ周波数とアンテナアレイとの独自の組み合わせを、各ユーザに割り当てる手段を含み、それによって特定のユーザにまたは特定のユーザから送信される該ＵＷＢパルスが、全て独自に識別可能であり、任意ユーザが、著しい干渉なしに他のユーザと同時に、ＵＷＢパルスを受信また送信し得る、請求項１に記載の装置。
5. ＵＷＢパルスをユーザストリームに分ける前記手段が、
   各々が複数のアンテナアレイのうちの別々の１つに関連し、各々が複数の可変時間遅延回路を含む、複数のビーム形成ネットワークであって、該時間遅延回路が、それぞれのユーザにビーム経路に沿って異なるパルスを導くために、連続的アレイ要素に適用されるＵＷＢパルスのための選択される時間遅延の異なるセットを間に入れる、複数のビーム形成ネットワークと、
   各アンテナアレイによって扱われる選択されたユーザに向かってビーム操縦を引き起こすことに対して、該ビーム形成ネットワークをスイッチするために、ビーム操縦信号を該ビーム形成ネットワークに生成する手段と
   を備える、請求項４に記載の装置。
6. 各ビーム形成ネットワークが、ビームを、各アンテナアレイに関連する複数（ｍ）のユーザに向けるようにスイッチ可能であり、
   前記アンテナ構造が、ｍｎユーザの総数に対して、ｎアレイを有し、
   該ｍｎユーザの各々に対するＵＷＢパルスが、複数の利用可能周波数から選択されるキャリア周波数を有し、
   任意のユーザに関連する該ビームが、同一の周波数を使用する他のユーザビームから空間的に離されるように、該周波数は、空間的シーケンスにおいて再利用される、
   請求項５に記載の装置。
7. 超広帯域（ＵＷＢ)パルスを選択された複数のユーザに送信するための方法であって、該方法は、
   個別のユーザによってＵＷＢパルスを分けるステップと、
   該ＵＷＢパルスを、複数のアンテナ要素の複数のアレイを有する広帯域アンテナ構造に適用するステップと
   を包含する、方法。
8. ＵＷＢパルスを分ける前記ステップが、ＵＷＢパルスのストリームにおいて、時間スロットの特定のアロケーションを各ユーザに割り当てるステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. ＵＷＢパルスを分ける前記ステップが、各ユーザのパルスを前記アンテナ構造の異なるセグメントに適用するステップを含む、請求項７に記載の方法。
10. ＵＷＢパルスを分ける前記ステップが、ＵＷＢ周波数とアンテナアレイとの独自の組み合わせを各ユーザに割り当てるステップを含み、それによって、特定のユーザにまたは特定のユーザから送信される該ＵＷＢパルスが、全て独自に識別可能であり、任意ユーザが、著しい干渉なしに他のユーザと同時に、ＵＷＢパルスを受信また送信し得る、請求項７に記載の方法。
11. ＵＷＢパルスを分ける前記ステップが、各々が複数のアンテナアレイのうちの別々の１つに関連する、複数のビーム形成ネットワークにおいてビームを形成するステップを含み、ビームを形成する該ステップが、それぞれのユーザにビーム経路に沿って異なるパルスを導くために、連続的アレイ要素に適用されるＵＷＢパルスのための選択される時間遅延の異なるセットを間に入れるステップを含み、
    該方法は、ビーム操縦信号を該ビーム形成ネットワークに生成するステップと、それによって、各アンテナアレイによって扱われる選択されるユーザに向かってビーム操縦を引き起こすことに対して、該ビーム形成ネットワークをスイッチするステップと
    をさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ビーム形成ネットワークをスイッチするステップが、ビームを、各アンテナアレイに関連する複数（ｍ）のユーザに向けるように機能し、
    前記アンテナ構造が、ｍｎユーザの総数に対して、ｎアレイを有し、
    該方法は、該ｍｎユーザの各々に対して、複数の利用可能周波数からＵＷＢキャリア周波数を選択するステップと、任意のユーザに関連する該ビームが、同一の周波数を使用する他のユーザビームから空間的に離されるように、空間的シーケンスにおいて該周波数を再利用するステップと
    をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。

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