JP4633054B2 - 直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する方法および送信機 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には無線通信システムに関し、特に、直交周波数分割多重を使用する超広帯域通信システムに関する。

米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）による２００２年２月１４日の「First Report and Order」の発表に伴い、超広帯域（ultra wide bandwidth）（ＵＷＢ）通信システムへの関心が高まってきた。パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）を統括するＩＥＥＥ８０２．１５規格機関（organization）は、ＵＷＢに基づいて高データレート物理層を標準化するためにタスクグループＴＧ３ａを設立した。

ＵＷＢ通信システムは、少なくとも５００ＭＨｚの広帯域幅で情報を拡散する。この拡散操作により、電力スペクトル密度、ひいては既存の狭帯域受信機に対する干渉が小さい。その理由で、Report and Orderは、無免許のＵＷＢ送信機の限定的な使用を認める。

ＰＡＮにおける近距離での非常に高いデータレートの送信にＵＷＢ通信を適用することができる。これらの可能性を認識することにより、ＩＥＥＥは、１１０メガビット／秒、２００メガビット／秒および４８０メガビット／秒のデータレートでのＵＷＢ通信のための物理層規格を定義するために、標準化団体（body）、ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａを設立した。

従来、ＵＷＢシステムは、主としてインパルス無線を考慮する。より最近では、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）と時間・周波数インタリービングの組合せが検討されている。そこでは、利用可能なスペクトルがいくつかのサブバンドに分割され、それらは各々、ＦＣＣがＵＷＢ信号を構成するために許可する最小帯域幅である５００ＭＨｚという適当な帯域幅を有する。

ある瞬間の間、情報は、単一のかかるサブバンドで送信され、そのサブバンドは、時間の経過によって変化する。各サブバンド内では、ＯＦＤＭ変調フォーマットが使用される。本質的に、ＯＦＤＭは、利用可能なスペクトルを複数の「トーン」に分割し、そこでは各トーンは、周波数フラットな伝達関数に従って生成される。これにより、受信信号の等化が大幅に簡略化される。それは、受信信号をトーン毎に等化することができるためである。

通常の従来技術による送受信機、たとえば４８０メガビット／秒モードで動作する送受信機では、ソースからの入力データは、スクランブル処理後、３／４のレートでコンパチブルパンクチャド畳み込み符号を使用して符号化される。そして、その結果としてのビットは、異なるビットに属する情報が５００ＭＨｚの異なるサブバンドで送信されるように、インタリーブされる。その後、それらのビットは、コンスタレーションマッピングを使用して、複雑なシンボルに割り当てられる。たとえば、１つの四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）送信シンボルから２ビットがもたらされる。そして、その結果としてのビットストリームは、直並列変換される。

１００個のトーンからなるブロックが形成され、ガードトーンとパイロットトーンとが追加されることにより、１２８個のトーンからなるブロックになる。このブロックは、高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）に入力される。並直列変換後、サイクリックプレフィックス、ゼロプリアンブルまたはゼロポストアンブルが追加される。

そして、その結果としての変調信号は、時間変化する局部発振器信号と混合することによりアップコンバートされる。送信された各ＯＦＤＭブロックに対し、異なる発振器が使用される。異なる発振器の周波数は、およそ５００ＭＨｚの倍数によってオフセットされる。異なる局部発振器を、すべてマスタ発振器から導出することができる。

この信号は、雑音の追加とともに線形歪みをもたらす恐らくは周波数選択性無線チャネルによって送信される。

受信機では、送信機の動作の順序が逆になる。低雑音増幅、Ｉ／Ｑチャネル分離、ベースバンドおよびローパスフィルタリングへのダウンコンバージョンを含む従来のフロントエンド動作後、Ｉ／Ｑ信号成分がデジタル化される。Ａ／Ｄ変換後、受信機のデジタル部が、サンプルに対して作用する。

まず、各ＯＦＤＭシンボルからプレフィックス／ポストフィックスサンプルが取り除かれ、残りのサンプルがサイズ１２８の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ブロックに渡される。ＦＦＴブロックの出力は、パイロットトーンおよびガードトーンを含む。パイロットトーンのシンボルは、同期化追跡とともにチャネル推定に使用される。ガードトーンは破棄される。

パイロットトーンおよびガードトーンを処理した後、残りの１００のトーンは、オリジナルデータを取得するために、デインタリーブされビタビ復号器とデスクランブラとに渡される。

主な不都合として、従来技術によるＯＦＤＭは、チャネルの固有の周波数ダイバーシティを活用しない。シンボルが、フェージングを受けやすいトーンで送信される場合、そのシンボルは、受信機においてＳＮＲが低くなる。信号が強力に符号化される場合、シンボルによりエラーが検出される確率は低い。これは、異なる解釈をすることもできる。任意の誤り訂正符号により、複数のトーンにわたって元のデータが拡散されることになる。言い換えれば、異なるトーンでの送信シンボルのうちのいくつかは、単一データビットに関する情報を含む。このため、符号化ＯＦＤＭ送信は、フェージングに関して頑強である。しかしながら、冗長性の低い高符号レートの場合、性能が劣化する。

これらの問題を軽減することが望ましい。

本発明は、時間・周波数インタリービングと組み合わされた直交周波数分割多重変調を使用する超広帯域（ＵＷＢ）通信システムにおいて、周波数インタリービングと、トーンのグループ化と、周波数ダイバーシティを増大させる、異なる周波数にわたるトーンの拡散とを使用する。

利用可能なすべてのトーンにわたって情報ビットを拡散することにより、周波数ダイバーシティが大幅に増大する。本発明により、周波数拡散に固有の雑音増大を周波数ダイバーシティにおける所望の利得の量とトレードオフすることができる。

特に、方法およびシステムは、直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する。

ＱＰＳＫ入力シンボルを周波数インタリーブする。周波数インタリーブされたシンボルを、複数のトーンにわたって拡散し、当該トーンを、超広帯域チャネルによる送信のために変調する。

トーンが受信されると、受信されたトーンを逆拡散して入力シンボルを回復する。

直交周波数分割多重変調を使用する本発明による超広帯域（ＵＷＢ）送受信機は、トーンのグループにわたって情報を拡散する。この符号分割多重接続技法は、時間・周波数インタリービングを伴うＵＷＢ送受信機では一度も使用されていなかった。

Ｎ個のトーンにわたって四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）シンボルの形態の情報を拡散するために、Ｎ個の双直交（bi-orthogonal）ベクトルからなる２つのセットａ_ｉ、ｂ_ｊを使用する。これは、各シンボルがＮ個のトーンによって送信されることを意味する。従来技術では、各シンボルは、１つのトーンのみによって送信される。これらのベクトルを、行列形式に配置する。

双直交とは、内積ａ_ｉ×ｂ_ｊがδ_ｉｊに等しいことを意味し、δはクロネッカーデルタ値である。なお、ベクトルのすべてが互いに直交する必要はない、ということに留意すべきである。しかしながら、多くの双直交系列、特に既知のウォルシュ・アダマール（Walsh-Hadamard）ベクトルの場合、各ベクトルａ_ｉはベクトルｂ_ｉに等しい。したがって、拡散操作を、行列ベクトル積として実施してもよい。すなわち、Ｎ個のシンボルからなるベクトルに、Ｎ×Ｎウォルシュ・アダマール行列を乗算する。

アダマール順（Hadamard order）（ＷＨＴ_ｈ）のウォルシュ・アダマール変換を、次のように定義する。
Ｘ（バー）＝Ｈｘ（バー）
ｘ（バー）＝ＨＸ（バー）

これらは、順方向および逆方向ＷＨＴ_ｈ変換対であり、ここで、下式のｘバーおよびＸバーは、それぞれ信号およびスペクトルベクトルである。
ｘ（バー）＝［ｘ（０）、ｘ（１）、．．．、ｘ（Ｎ−１）^Ｔ
Ｘ（バー）＝［Ｘ（０）、Ｘ（１）、．．．、Ｘ（Ｎ−１）^Ｔ
４×４ウォルシュ・アダマール行列の順序付け例を図５に示す。

本発明が作用するために、双直交性は不要である。マッピングに対し送信ベクトルの任意の線形独立したセットを使用してもよい。しかしながら、双直交ベクトルが送信ベクトルに対応する場合、受信機における復号化はより単純になる。

送信機の構造および動作
図１は、本発明によるマルチキャリアＯＦＤＭ送信機を示す。本発明による送信機では、行列に配置されたウォルシュ・アダマール系列を各シンボルに乗算することにより、ＯＦＤＭシンボルを複数のトーンに拡散する。

送信機１００は、入力としてＱＰＰＫシンボル１０１を取得する。それらのシンボルを、直並列変換する（１１０）。シンボルを、周波数インタリーブする（１２０）。行列１３１を構成する。行列の各行は、個々のウォルシュ・アダマール系列に対応する。

周波数インタリーブされたＱＰＳＫシンボルを、サイズＮのブロックにグループ化する。すなわち、ブロックは長さＮのベクトルである。各ブロックにおいてインタリーブされたシンボルを、ベクトル行列乗算演算を用いることによりＮ×Ｎウォルシュ・アダマール行列１３１に従ってＮ個のトーンに拡散する（１３０）。

パイロットトーンおよびガードトーンを追加し（１４０）、すべてのトーンに対し逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を行う（１５０）。その結果としてのトーンのすべてを並直列変換し（１６０）、周波数ホッピングを適用した（１７０）後、それらの変調されたトーンをＵＷＢチャネル１０２によって送信する。

受信機の構造および動作
図２に示すような受信機では、動作は基本的に逆の順序で進む。送信された信号をチャネル１０２によって受信し、周波数デホッピングし（２１０）、直並列変換する（２２０）。連続的なサンプルを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）２３０に渡す。ＦＦＴブロック２３０の出力を等化する（２４０）。この出力には、パイロットトーンおよびガードトーンが含まれる。パイロットトーンで変調されたシンボルを、同期化追跡とともにチャネル推定に使用する。パイロットトーンおよびガードトーンを除去する（２５０）。

次に、ＯＦＤＭブロックの等化およびトーン除去の後、ウォルシュ・アダマール行列１３１のベクトルｂ_ｊを乗算することにより、受信ベクトル、すなわちトーンを逆拡散する（２６０）。最後に、逆拡散されたシンボルを周波数デインタリーブし（２７０）、並直列変換する（２７０）ことにより元のＱＳＰＫシンボル２０１を回復する。

各ＱＰＳＫシンボルを複数のトーンを用いて送信するため、トーンのすべてが個別にフェージングしている場合、Ｎまでの次数の周波数ダイバーシティが達成された。

なお、本発明による方法は雑音の量を増加させる可能性がある。すなわち、等化２４０、たとえばＭＭＳＥまたはゼロフォーシング（zero-forcing）により、弱いトーンにおいて雑音の量が増大し、逆拡散２６０操作によって、この雑音がすべての利用可能なトーン間に分散する。

トーンのグループ化
従来技術による拡散符号は、概して、Ｎに２のべき乗を使用する。すなわち、１つのシンボルが２つのトーンに拡散される。柔軟性を向上させるために、本発明は、２^ｋのべき乗（ｋは１より大きい整数）に従ってトーンをグループ化することを選ぶ。全グループの全トーンの合計により、所望のトーンの数、たとえば１００がもたらされる。

送信機１００および受信機２００についてそれぞれ図３および図４に示すように、１００個のトーンを、３２（２^５）個のトーンからなる３つのグループと４（２^２）個のトーンからなる１つのグループとにグループ化することができる。４個のトーンは、３２個のトーンからなるグループの両側、たとえばトーン０、３３、６６および９９にある。そして、グループの各々を、別々に拡散する（１３０）。

トーンのグループ化によって提供される柔軟性は、本明細書で説明する受信機に対して特に重要である。トーンのうちのいくつかは、搬送波位相を追跡するために使用されるパイロットトーンである。これらのトーンは拡散すべきでない。さらに、他よりＳＮＩＲが低いガードトーンもまた、拡散すべきではない。このため、本発明によるグループ化により、ウォルシュ・アダマール系列等の特定のタイプの拡散系列を使用する場合、扱われるトーンの数の柔軟性が増大する。

本発明は、多くの異なる可能なトーンのグループ化を使用することができる。たとえば、Ｍ個の連続したトーンを１つのグループとして割り当ててもよい。別法として、インタリーブされたトーンをグループ化してもよく、すなわち、トーン１、４、７、１０、…を１つのグループに割り当て、トーン２、５、８、１１、…を別のグループに割り当てる、等とすることができる。また、いかなる中間グループ化またはグループ化の混合を使用してもよい。

特定のグループ化の選択は、チャネルの構成によって決まる。拡散により、システムの周波数ダイバーシティが増大し、雑音の増大により平均ＳＮＲが低下する。所望のビット誤り率とともにチャネルコンスタレーションに応じて、特定のグループ化により、ダイバーシティ利得とＳＮＲとの間の最適なトレードオフをもたらすことができる。

トーンのグループ化は、瞬間的なまたは平均的なチャネル状態に基づいて適応可能であってもよいということを理解すべきである。

本発明を、好ましい実施形態の例として説明したが、本発明の精神および範囲内でさまざまな他の適応および変更を行うことができるということを理解すべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内にあるかかるすべての変形および変更を包含することである。

本発明によるＵＷＢ送信機のブロック図である。 本発明によるＵＷＢ受信機のブロック図である。 本発明による受信機におけるトーンのグループの拡散のブロック図である。 本発明による送信機におけるトーンのグループの逆拡散のブロック図である。 本発明によって使用するウォルシュ・アダマール順序付けのブロック図である。

Claims (15)

1. 直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する方法であって、
   超広帯域チャネルによって送信されるシンボルを周波数インタリーブすることと、
   該周波数インタリーブされたシンボルを複数のトーンにわたって拡散することと、
   該複数のトーンを超広帯域チャネルによる送信のために変調することと
   を含み、
   前記複数のトーンは、複数のトーンのグループを含み、トーンの各グループは別々に拡散される
   直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する方法。
2. 前記シンボルは、該シンボルに複数の双直交ベクトルを乗算することによって拡散され、各トーンに対し１つのベクトルがある請求項１に記載の方法。
3. 前記双直交ベクトルは、ウォルシュ・アダマールベクトルである請求項２に記載の方法。
4. 前記双直交ベクトルは、行列に配置され、その際、該行列の各行が該双直交ベクトルのうちの１つであるようにする請求項２に記載の方法。
5. 前記乗算するステップは、ベクトル行列乗算演算である請求項２に記載の方法。
6. 前記送信の前に前記複数のトーンにパイロットトーンおよびガードトーンを追加すること
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
7. 前記シンボルは、ＱＳＰＫシンボルである請求項１に記載の方法。
8. 前記複数のトーンを受信することと、
   前記シンボルを回復するために前記複数の送信されたトーンを逆拡散すること
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
9. 前記逆拡散するステップは、前記複数のトーンに前記複数の双直交ベクトルを乗算し、各トーンに対し１つのベクトルがある請求項８に記載の方法。
10. 前記トーンの数は２^ｋであり、ｋは１より大きい整数である請求項１に記載の方法。
11. ３２個のトーンからなる３つのグループと、４個のトーンからなる１つのグループとからなる１００個のトーンがある請求項１に記載の方法。
12. 前記グループ化は、瞬間的なチャネル状態に対して適応可能である請求項１に記載の方法。
13. 前記グループ化は、平均的なチャネル状態に対して適応可能である請求項１に記載の方法。
14. 前記行列は、Ｎ個のベクトルからなるセットａ_ｉ、ｂ_ｊを含む請求項４に記載の方法。
15. 直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する送信機であって、
    超広帯域チャネルによって送信されるシンボルを受け取るように構成される周波数インタリーバと、
    該周波数インタリーバの出力に接続され、周波数インタリーブされたシンボルを複数のトーンにわたって拡散するように構成される拡散器と、
    該拡散器の出力に接続され、前記複数のトーンを超広帯域チャネルによる送信のために変調するように構成される変調器と
    を備え、
    前記複数のトーンは、複数のトーンのグループを含み、トーンの各グループは別々に拡散される
    直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する送信機。

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