(57)【要約】  本発明は、超広帯域通信用の通信プロトコルを提供する。また、本発明は、各種ネットワーク内での超広帯域通信機器間の互換性および相互接続性を実現する。一実施形態では、高いデータ転送レートおよび低いデータ転送レートの両方の機能を有するコンビネーションデータフレームまたはインターリーブデータフレームを提供する。低いデータ転送レートは、アクセス中のネットワークの種類を最初に発見するために用いることができ、高いデータ転送レートは、高いデータ転送レート機能を有するネットワーク内で高速にデータ転送を行うために用いることができる。本要約は、要約の要件規則に従うことを唯一の目的として提供されるもので、それによって、読者は、本明細書に含まれる開示の対象を即座に確認できる。また、本要約は、これを、請求項の範囲または意味を解釈または限定するためには使用しないという明示的理解の下に提出する。
2007506301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超広帯域通信方法であって、
第１のデータレートでデータを送信するように構成された第１のデータフレームを生成するステップと、
第２のデータレートでデータを送信するように構成された第２のデータフレームを生成するステップと、
前記第１および第２のデータフレームの両方を送信するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記第１および第２のデータフレーム各々は、複数の時間ビンを含み、その各時間ビンは超広帯域パルスを受信できる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のデータフレームは、毎秒約１キロビットから毎秒約５メガビットまでの範囲に入るレートでデータを送信する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のデータフレームは、毎秒約５メガビットから毎秒約１ギガビットまでの範囲に入るレートでデータを送信する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のデータフレームは、毎秒２５メガビットのレート、毎秒５０メガビットのレート、毎秒１００メガビットのレート、毎秒２００メガビットのレート、毎秒４００メガビットのレート、毎秒４８０メガビットのレート、毎秒５００メガビットのレート、および毎秒１ギガビットのレートからなる群から選択されるレートでデータを送信する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１および第２のデータフレーム各々は、約１マイクロ秒から約１ミリ秒までの範囲に入りうる時間幅を含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１および第２のデータフレーム各々は、複数の時間ビンを含み、その各時間ビンは超広帯域パルスを受信でき、この超広帯域パルスは、そのパルス幅が約１０ピコ秒から約１ナノ秒までの範囲に入りうる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１および第２のデータフレームの比は変化してもよい請求項１に記載の方法。
【請求項９】
汎用デジタルコンピュータに所望の機能を実行するように命令するコンピュータプログラムプロダクトであって、
第１のデータレートでデータを送信するように構成された第１のデータフレームを生成するための一組のコンピュータ可読命令と、
第２のデータレートでデータを送信するように構成された第２のデータフレームを生成するための一組のコンピュータ可読命令と、
前記第１および第２のデータフレームの両方を送信するための一組のコンピュータ可読命令とを含むコンピュータプログラムプロダクト。
【請求項１０】
第１のデータレートで通信するように構成された第１のトランシーバと、
第２のデータレートで通信するように構成された第２のトランシーバとを備える超広帯域通信機器。
【請求項１１】
前記第１のデータレートは、毎秒約１キロビットから毎秒約５メガビットまでの範囲に入るレートでデータを送信する請求項１０に記載の超広帯域通信機器。
【請求項１２】
前記第２のデータレートは、毎秒約５メガビットから毎秒約１ギガビットまでの範囲に入るレートでデータを送信する請求項１０に記載の超広帯域通信機器。
【請求項１３】
前記第１のトランシーバは、前記第１のデータレートで通信を行い、
前記第２のトランシーバは、オフ状態にしておく請求項１０に記載の超広帯域通信機器。
【請求項１４】
前記第１のトランシーバは、前記第１のデータレートで通信を行い、
前記第２のトランシーバは、前記第２のデータレートでの通信が要求されるまではオフ状態にしておく請求項１０に記載の超広帯域通信機器。
【請求項１５】
少なくとも２台の超広帯域通信機器であって、その各機器は、少なくとも２種類のデータレートを用いてデータを送受信するように構成された少なくとも２台の超広帯域通信機器と、
前記少なくとも２台の超広帯域通信機器と通信するように構成され、かつネットワークを介して、前記２種類のデータレートを選択的に用いてデータを送信するように構成された超広帯域マスタートランシーバとを含む超広帯域通信ネットワーク。
【請求項１６】
前記２種類のデータレート各々は、毎秒１キロビット、毎秒５メガビット、毎秒２５メガビット、毎秒５０メガビット、毎秒１００メガビット、毎秒２００メガビット、毎秒４００メガビット、毎秒４８０メガビット、毎秒５００メガビット、および毎秒１ギガビットからなる群から選択される請求項１５に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項１７】
前記超広帯域マスタートランシーバは、前記少なくとも２台の超広帯域通信機器各々の通信データレート性能を判断することによって前記２種類のデータレートの１つを選択する請求項１５に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項１８】
前記少なくとも２台の超広帯域通信機器各々は、複数のパルスを送信する請求項１５に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項１９】
前記複数のパルス各々は、約１０ピコ秒から約１ミリ秒までの範囲に入るパルス幅を有する請求項１８に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項２０】
前記少なくとも２台の超広帯域通信機器各々は、複数の直交周波数分割多重信号を送信する請求項１５に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項２１】
前記少なくとも２台の超広帯域通信機器各々は、低データレートトランシーバと高データレートトランシーバとを含む請求項１５に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項２２】
少なくとも２種類のデータレートを用いてデータを送受信するように構成された超広帯域通信機器と、
少なくとも２種類のデータレートを用いてデータを送受信するように構成された超広帯域マスタートランシーバとを含み、
前記超広帯域マスタートランシーバは、前記超広帯域通信機器のデータレート性能を判断する超広帯域通信ネットワーク。
【請求項２３】
前記超広帯域マスタートランシーバは、前記判断したデータレート性能で前記超広帯域通信機器と通信を行う請求項２２に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項２４】
前記超広帯域マスタートランシーバは、地理的な位置情報と、データ通信レート性能とからなる群から選択される情報を含むビーコン信号を送信する請求項２２に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項２５】
前記２種類のデータレート各々は、毎秒１キロビット、毎秒５メガビット、毎秒２５メガビット、毎秒５０メガビット、毎秒１００メガビット、毎秒２００メガビット、毎秒４００メガビット、毎秒４８０メガビット、毎秒５００メガビット、および毎秒１ギガビットからなる群から選択される請求項２２に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項２６】
前記超広帯域通信機器は、前記データレートのうちの１種類のみを用いて通信するように前記超広帯域マスタートランシーバにリクエストを送信する請求項２２に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【請求項２７】
前記超広帯域マスタートランシーバは、シャットダウンコマンド信号を、前記超広帯域通信機器に送信する請求項２２に記載の超広帯域通信ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信分野に関する。より詳細には、本発明は、超広帯域通信用通信プロトコルに関する。
【背景技術】
【０００２】
情報化時代が到来した。各種通信システムを介しての膨大な量の情報へのアクセスが、人々の働き方、楽しみ方、および相互通信の仕方を変化させている。また、より速く、より高性能な通信技術が常に開発されている。このような新しい技術を開発するメーカや設計者にとって、「相互接続」を可能にすることは、ますます困難な課題となってきている。
【０００３】
相互接続とは、ある機器が他の機器と通信するための機能、あるいは他の通信機器と接続できる他のネットワークと通信するための機能のことを言う。しかし、さまざまな通信プロトコル（通信機器がデータ転送に用いる規則）が爆発的に広がるにつれて、まともな相互接続を設計することは、取るに足らない問題ではなくなっている。
【０００４】
例えば、ほとんどの無線通信機器は、従来の「搬送波」または高周波（ＲＦ）技術を用い、また一方では、他の機器は電気光学技術を用いる。このような通信技術では、それぞれ、それ専用の通信プロトコルを用いるのが一般的である。
【０００５】
それら以外のタイプの通信技術が超広帯域（ＵＷＢ）技術である。ＵＷＢ技術は、従来のＲＦ技術の形態とは根本的に異なる。ＵＷＢでは、「搬送波不要（ｃａｒｒｉｅｒ−ｆｒｅｅ）」アーキテクチャを用い、それは、通常の周波数ドメイン通信システムで用いられる高周波の搬送波発生ハードウェア、搬送波変調ハードウェア、周波数および位相弁別ハードウェア、あるいはその他の機器を使用する必要が無いアーキテクチャである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＵＷＢ通信では、それぞれ専用の通信プロトコルを有する各種のネットワークが想定されている。例えば、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）、無線パーソナル・エリア・ネットワーク（ＷＰＡＮ）、センサネットワークなどがあり、各ネットワークは、それぞれ専用の通信プロトコルを持つことができる。
【０００７】
従って、さまざまなネットワーク間、およびさまざまな超広帯域機器間での互換性や共存性を可能にする超広帯域通信機器用通信プロトコルが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、超広帯域通信用の共通の通信プロトコルを提供する。また、本発明は、各種ネットワーク内での超広帯域通信機器間の互換性および相互接続性を実現する。一実施形態では、高いデータ転送レートおよび低いデータ転送レートの両方の機能を有するコンビネーションデータフレームまたはインターリーブデータフレームを提供する。低いデータ転送レートは、アクセス中のネットワークの種類を最初に発見するために用いることができ、高いデータ転送レートは、高いデータ転送レート機能を有するネットワーク内で高速にデータ転送を行うために用いることができる。
【０００９】
本発明は、あらゆるタイプのネットワークで用いることができ、それは無線であり、有線であり、あるいはまた、有線媒体と無線部品とを一緒にしたネットワークである。つまり、ネットワークは、同軸ケーブルなどの有線媒体と、衛星、携帯電話用アンテナ、あるいは他の無線トランシーバなどを含む無線機器との両方を使用することができる。
【００１０】
本発明のこれらの特徴および効果、さらに他の特徴および効果は、添付図面を参照して以下に示す本発明の詳細な説明を検討することで明らかになろう。なお、添付図面では、同じ参照番号は同じ部品を表す。
【００１１】
当然のことながら、図面の一部または全ては、例示のための略図であり、必ずしも実際の相対的寸法または図示された要素の位置を描いているわけではない。図面は、一つもしくはそれ以上の本発明の実施の形態を説明するものであり、請求項の範囲もしくは意味を限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の文章では、添付図面を参照しながら、例証として本発明を詳細に説明する。この説明全体を通して示される好適な実施形態および実施例は、代表例とみなすべきものであり、本発明を限定するものではない。本明細書で用いられる「本発明」とは、本明細書に記載する発明の実施形態のいずれか１つ、およびこれと同等なあらゆる実施形態のことをいう。さらに、本明細書全体を通して「本発明」のさまざまな特徴について言及したとしても、請求項に記載の全ての実施形態や方法が、その言及した特徴を必ずしも含むというわけではない。
【００１３】
本発明は、各種ネットワーク内における超広帯域通信機器間の互換性および相互接続性を実現する。一実施形態では、異なる物理層（ＰＨＹ）を用いる超広帯域通信機器間での互換性および相互接続性を実現する。この「物理層」は、ビット送受信用の物理的な構成部品を起動して用いるための機能と手順とを提供する。つまり、無線通信では、ＰＨＹが実行する主要な機能は、空気などの通信媒体への接続の確立と終了、およびデジタルデータと、通信媒体を介して送受信するそのデータに対応した信号またはパルスとの間の変換である。簡単に言えば、ＰＨＹの一機能は、ビットを、パルスまたは変調搬送波に変換することである。このＰＨＹは、コンピュータソフトウェア、またはコンピュータハードウェア、あるいはその両方の形態をとることができる。
【００１４】
類似した通信機器間での互換性は、このような機器が市場への浸透を果たすに従って重要になってくる。例えば、従来のさまざまな無線機器は、通信用に、無免許の２．４ＧＨｚ周波数を用いる。少し例を挙げると、ＷｉＦｉ、ブルーツース、およびコードレス電話がそうである。しかし、共通の通信標準規格が確立していなかったため、このような機器の多くは相互通信ができないばかりか、相互干渉さえする。
【００１５】
本発明の一特徴は、さまざまな機器が用いるさまざまなタイプのインタフェース間での通信を可能にすることである。
【００１６】
本発明の好適な実施形態は、さまざまな超広帯域物理層無線インタフェースを利用する複数の機器が共存しやすくするように設計されたプロトコルを提供する。
【００１７】
電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）は、現在、さまざまなネットワーク、および超広帯域技術を用いることができる他の通信環境に対して、規則と通信標準規格とを制定しようとしている。このような異なった通信標準規格によって、各標準規格に対して異なった規則、または異なった物理層無線インタフェースがもたらされる可能性がある。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．３（ａ）は、超広帯域無線パーソナル・エリア・ネットワーク（ＷＰＡＮ）用の標準規格に関する。超広帯域は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４（センサおよび制御機器用標準規格）、８０２．１１ｎ（ローカル・エリア・ネットワーク用標準規格）、地中探知レーダ、壁面透過撮像、および他のネットワークや環境でも用いられる可能性がある。このような機器の各々が超広帯域通信技術を用いる可能性があり、またそれぞれの機器は、それ固有の通信標準規格を有する可能性もある。
【００１８】
超広帯域技術が市場に広く浸透すると、超広帯域を使用できる機器間での互換性が重要になってくる。本発明の一特徴は、異なる物理層無線インタフェースを共有する超広帯域機器間での信頼性が高い通信を保証することである。
【００１９】
本発明の他の特徴は、本発明が、あらゆる種類のネットワーク、つまり無線、有線、あるいは有線媒体と無線部品との組み合わせなどで用いることができるという点である。つまり、ネットワークは、同軸ケーブルなどの有線媒体と、衛星または携帯電話アンテナなどの無線機器との両方を用いることができる。本明細書で定義するように、ネットワークは、通信経路によって接続された一群のポイントまたはノードである。この通信経路は、有線で接続してもよいし、無線で接続してもよい。本明細書で定義するネットワークは、他のネットワークと相互接続でき、またサブネットワークを含むことができる。また、本明細書で定義するネットワークは、空間距離の観点から特徴付けることができ、そのネットワークには、例えば、数ある中でも、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）、メトロポリタン・エリア・ネットワーク（ＭＡＮ）、ワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）、および無線パーソナル・エリア・ネットワーク（ＷＰＡＮ）がある。さらに、本明細書で定義するネットワークは、ネットワーク上で用いるデータ伝送技術の種類を特徴とすることができ、そのネットワークには、例えば、数ある中でも、ＴＣＰ／ＩＰネットワークやシステム・ネットワーク・アーキテクチャによるネットワークがある。さらに、本明細書で定義するネットワークは、音声信号、またはデータ信号、あるいはその両方の信号のいずれを搬送するかどうかを特徴とすることができる。さらに、本明細書で定義するネットワークは、そのネットワークを利用できるのが誰かを特徴とすることができ、そのネットワークには、例えば、数ある中でも、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）、他の種類の公衆ネットワーク、および（一人部屋や家庭の中でのような）プライベートネットワークがある。さらに、本明細書で定義するネットワークは、ネットワーク接続の性質を特徴とすることができ、そのネットワークには、例えば、数ある中でも、ダイアルアップネットワーク、交換ネットワーク、専用ネットワーク、および非交換ネットワークがある。さらに、本明細書で定義するネットワークは、ネットワークが用いる物理リンクの種類を特徴とすることができ、その物理リンクの種類には、例えば、数ある中でも、光ファイバ、同軸ケーブル、これら２つのハイブリッドケーブル、非シールドツイストペア線、およびシールド付ツイストペア線がある。なお、本発明は、無線ＰＡＮ、ＬＡＮ、ＭＡＮ、ＷＡＮ、またはＷＰＡＮなどのあらゆる種類の無線ネットワークで用いてもよい。
【００２０】
本発明は、超広帯域技術を対象としており、一実施形態では、この技術は「搬送波不要（ｃａｒｒｉｅｒ−ｆｒｅｅ）」アーキテクチャである。これは、通常の周波数ドメイン通信システムで用いられる高周波の搬送波発生ハードウェア、搬送波変調ハードウェア、安定化装置、周波数および位相弁別ハードウェア、あるいは他の装置を使用する必要が無いアーキテクチャである。従来の高周波技術では連続正弦波を用い、この連続正弦波は、データを正弦波の変調振幅または変調周波数に組み込んで送信される。例えば、通常の携帯電話は、全周波数スペクトル中の、特定帯域を備えた特定周波数で動作しなければならない。具体的には、米国では、連邦通信委員会が、携帯電話通信を８００ＭＨｚから９００ＭＨｚ帯に割り当てている。携帯電話事業者は、その割り当てられた帯域の２５ＭＨｚを用いて携帯電話信号を送信し、割り当てられた帯域の別の２５ＭＨｚを用いて携帯電話信号を受信する。
【００２１】
図１に、従来の高周波技術の別の例を示す。無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）のプロトコルである８０２．１１ａは、５ＭＨｚ程度の周波数の広がりを持った５ＧＨｚの中心周波数で高周波の連続正弦波信号を送信する。
【００２２】
それとは対照的に、超広帯域（ＵＷＢ）通信技術では、例えば、ナノ秒またはピコ秒間隔（通常は、数１０ピコ秒から数ナノ秒の時間間隔）で放出される離散パルスの電磁エネルギーを用いる。このため、超広帯域技術は、しばしば「インパルス無線」と呼ばれる。つまり、ＵＷＢパルスは、上記のような従来の無線周波数技術とは対照的に、正弦波搬送周波数に変調されることなく送信される。ＵＷＢパルスは、エネルギーの単一電磁バーストである。つまり、ＵＷＢパルスは、電磁エネルギーの正の単一バースト、または電磁エネルギーの負の単一バースト、あるいは所定の位相を持つ電磁エネルギーの単一バーストのいずれかとなる。あるいは、ＵＷＢパルスは、個々のパルスを、結果として生じるＵＷＢパルスの中心周波数を制御する搬送波と一緒にすることで実現することができる。超広帯域は、通常、割当周波数も電力増幅器もいずれも必要とはしない。
【００２３】
従来の通信技術における比較的狭い周波数の広がりとは対照的に、ＵＷＢパルスは図２に示すように、約４ＧＨｚの周波数広がりを持ち、２ＧＨｚの中心周波数を持つことができる。この図２には、代表的な２種類のＵＷＢパルスを示す。図２は、ＵＷＢパルスが時間の点で狭くなればなるほど、その周波数スペクトルの広がりは大きくなることを示す。これは、帯域幅がパルスの時間幅と逆比例するためである。６００ピコ秒のＵＷＢパルスは、約１．６ＧＨｚの周波数広がりを持ち、約１．６ＧＨｚの中心周波数を持つことができる。また、３００ピコ秒のＵＷＢパルスは、約３．２ＧＨｚの周波数広がりを持ち、約３ＧＨｚの中心周波数を持つことができる。このように、ＵＷＢパルスは、通常は、図１で示すように、特定の周波数範囲で動作するわけではない。また、ＵＷＢパルスは、極めて広い周波数範囲または帯域幅にわたって広がるので、ＵＷＢ通信システムにより、毎秒１００メガビット以上のような非常に高いデータレートでの通信が可能になる。本発明に従って構成されたＵＷＢパルスは、約１０ピコ秒から約１００ナノ秒の範囲に入るパルス幅を有することが可能である。
【００２４】
ＵＷＢ技術についてのより詳細な内容が、米国特許第３，７２８，６３２号（Gerald F. Ross（ジェラルド・エフ・ロス）名義で、「Transmission and Reception System for Generating and Receiving Base-Band Duration Pulse Signals without Distortion for Short Base-Band Pulse Communication System（ショート・ベースバンド・パルス通信システム用の、歪み無しでベースバンド幅パルス信号を発生し、かつ受信する送受信システム）」と題した特許）に開示されている。この特許は、その内容全体を本明細書で引用して援用する。
【００２５】
また、ＵＷＢパルスは、極端に広い周波数領域に広がっているので、単一の周波数、または特定の周波数で見たときの出力は非常に低い。例えば、１ナノ秒幅の１ワットのＵＷＢパルスは、その１ワットを、ＵＷＢパルスが占める周波数領域全体に広げる。ＣＡＴＶ事業者が用いる搬送周波数などの、どのような単一の周波数でも、そこでのＵＷＢパルス出力は１ナノワットである（１ＧＨｚの周波数帯域に対して）。この値は、パルス出力（１ワット）を周波数帯域（１０億ヘルツ）で除算することによって求められる。また、この値は、どのような通信システムにおいても十分に雑音レベル以下であり、このため、原信号の復調や再生を妨げることはない。一般に、非常に多くのＵＷＢパルスは、例えば、従来の高周波との干渉をできるだけ低く抑えることができる−３０電力デシベル未満から−６０電力デシベルまでの比較的低い出力（単一の周波数、または特定の周波数で見た場合）で送信される。しかし、ほとんどの有線媒体を介して送信されるＵＷＢパルスは高周波無線伝送と干渉することはない。従って、有線媒体を介して送信されるＵＷＢパルスの出力（単一の周波数で見た場合）は、約＋３０ｄＢｍから約−１４０ｄＢｍの範囲に分布することができる。
【００２６】
図３に、本発明の一実施形態に従って構成されたコンビネーションフレームまたはインターリーブフレーム１０を示す。本明細書で定義する「フレーム」は、複数の異なった実施形態を含むことができる。一般に、フレームは、アドレス情報および他のプロトコル情報を備えた単位として通信ポイント間（例えば、移動または固定通信機器など）で送信されるデータのことである。つまり、フレームは、一連の規則で構成され、通信機器間でデータを運ぶ。一実施形態では、フレームには、送信予定のデータ、そのデータに対するエラー訂正情報、アドレス、タイミング情報または同期情報、およびこのフレームを構成する基本となるプロトコルに依存した他の特徴や機能が含まれる。また、フレームは、他のフレームを含んでもよく、この他のフレームは、異なるプロトコルによって構成され、かつ／または使用されてもよい。また、フレームは、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）フレームと同じように構成されてもよい。
【００２７】
図３に示すように、コンビネーションフレーム１０には、低データレート（ＬＤＲ）フレーム１０（ａ）と高データレート（ＨＤＲ）フレーム１０（ｂ）とが含まれる。各ＬＤＲフレーム１０（ａ）は、毎秒約１キロビットから毎秒約５メガビットの範囲に入るレートでデータを送信するように構成することができる。また、各ＨＤＲフレーム１０（ｂ）は、毎秒約５メガビットから毎秒約１ギガビットの範囲に入るレートでデータを送信するように構成することができる。
【００２８】
本発明の一特徴は、低データレート超広帯域（ＵＷＢ）機器と高データレートＵＷＢ機器とが、コンビネーションフレーム１０を用いて互いに通信できることである。例えば、あるタイプのＵＷＢ機器は、比較的低いデータレートで通信が可能なプロトコルを用いてもよく、また別のタイプのＵＷＢ機器は、比較的高いデータレートで通信が可能なプロトコルを用いてもよい。
【００２９】
本発明のコンビネーションフレーム１０プロトコルを使用するＵＷＢ通信機器は、低データレートＵＷＢ機器および高データレートＵＷＢ機器のいずれとの通信も可能になる。例えば、ＵＷＢ技術に対して多くのさまざまな用途が提案され、それぞれが、独自のデータレート性能を有する。ＵＷＢ−ＰＡＮでは、データレートは４８０Ｍｂｐｓに迫るが、距離は１０メートルに制限される可能性がある。ＬＡＮ用途では、データレートは、ネットワークアクセスポイントからの距離に応じて変わる可能性がある。例えば、ＵＷＢ機器が、アクセスポイントから１０メートルの位置にあれば、データレートは５００Ｍｂｐｓとなるかもしれない。また、アクセスポイントから遠くにいるユーザの場合は、２００Ｍｂｐｓのデータレートかもしれない。さらに、アクセスポイントから１００メートルの位置では、データレートは毎秒数メガビットしかないかもしれない。ＵＷＢ通信技術に関して提案された別の用途は、低データレートを用いた制御およびセンサデータシステムである。低データレートを用いた用途は、地理的な位置情報や他の低データレート向きの情報を通信するのに好都合であるかもしれない。コンビネーションフレーム１０を用いた通信プロトコルを使用するＵＷＢ機器は、あらゆる、または上記のＵＷＢネットワークやＵＷＢ機器との通信が可能になる。
【００３０】
本発明に従って構成されたＵＷＢ機器は、低データレートおよび高データレートのトランシーバの両方を使用することができる。また、ＵＷＢ機器は、ＵＷＢ技術を使用する電話、携帯情報端末、携帯用コンピュータ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、メインフレームコンピュータ、ビデオモニタ、コンピュータモニタ、あるいは他の全ての機器でよい。
【００３１】
低データレートのトランシーバは、通常は少量のエネルギーしか使用せず、一方、高データレートのトランシーバは、かなり多くのエネルギーを使用する。本発明の一特徴は、低データレートおよび高データレートトランシーバ機能の両方を使用するＵＷＢ通信機器が、低データレート（ＬＤＲ）部を、発見、制御、ネットワークへのログオン、およびプロトコルネゴシエーションに用い、一方、高データレート（ＨＤＲ）部の出力を落とすことにより、消費電力が節約され、バッテリー寿命が延びることである。例えば、ＬＤＲトランシーバは、ローカルＵＷＢ機器またはネットワークに信号を送信し、その通信性能を発見することができる。このＬＤＲトランシーバは、次に、ローカルＵＷＢ機器／ネットワークと同期して、その同期情報を、それまではスリープモードであったＨＤＲトランシーバに提供することができ、これによってエネルギーを節約することができる。このタイプの通信シーケンスは、本明細書で説明するコンビネーションフレーム１０を用いた通信プロトコルを使用することになる。
【００３２】
図３に示すように、コンビネーションフレーム１０中のコンビネーションシーケンスまたはインターリーブシーケンスは、高データレート（ＨＤＲ）フレーム１０（ｂ）と交互配置した低データレート（ＬＤＲ）フレーム１０（ａ）という形をしている。ＬＤＲフレーム１０（ａ）の出現頻度は、用途に応じて変えることができ、さらに通信に必要な機器の帯域幅要求に応じて変えることができる。例えば、ＬＤＲフレーム１０（ａ）の数は、低データレート機器と通信するときには増加させ、また、高データレート機器と通信するときには減少させることができる。
【００３３】
このＬＤＲフレーム１０（ａ）およびＨＤＲフレーム１０（ｂ）のいずれも、シンボルスロット群（図示せず）からなる。このフレーム中のシンボルスロットの数は、約１００から約１００，０００まで変えることができる。一実施形態では、各シンボルスロットは、２５個の時間ビン（図示せず）からなり、各時間ビンは、約４００ピコ秒の長さである。また、さまざまな長さの時間ビンを持つ他の時間ビン配列を構成してもよい。１つまたは複数のこのような時間ビン内に、使用されるデータ変調技術に応じて超広帯域（ＵＷＢ）パルスを配置することができる。つまり、シンボルスロットを構成する時間ビンのうちの１つまたは複数内にあるＵＷＢパルスの位置、振幅、位相、あるいは他の特性は、送信または受信されているデータを構成する１つまたは複数の２進数またはビットを表す。このような一群のシンボルスロットは、ＬＤＲフレーム１０（ａ）またはＨＤＲフレーム１０（ｂ）を構成し、それによってデータの送受信が可能になる。
【００３４】
本発明の一実施形態では、ＬＤＲフレーム１０（ａ）、および／またはＨＤＲフレーム１０（ｂ）は、約１マイクロ秒から約１ミリ秒の範囲に入る時間幅を有することができる。
【００３５】
例えば、一実施形態では、次のようにＬＤＲフレーム１０（ａ）を構成することができる。図３に示すように、ＬＤＲフレームは、（上記のように）、さまざまな通信機能を提供する群に割り当てることができる多数のシンボルスロットを備える。各シンボルスロット内にあるのが時間ビン群であり、この時間ビン群は、１つまたは複数のＵＷＢパルスをその中に有する。また、ＬＤＲフレームは、拡張プリアンブルおよび同期用の時間枠２０（ａ）を含むことができる。このプリアンブルおよび同期用の時間枠２０（ａ）は、ＵＷＢトランシーバが同期ロックを行うのに十分な時間を確保するために拡張することができる。さらに、ＬＤＲフレームは、制御部２０（ｂ）を含み、制御メッセージおよび応答をＵＷＢ機器とやりとりすることができる。この制御メッセージは、通信を行うために、パワーオン、パワーオフ、およびフレーム番号割り当てを含むことができる。時間枠２０（ｃ）は、トランシーバがそれを利用して、地理的な位置情報をリモートＵＷＢ機器に送信することができる。また、コンテンション方式の帯域幅リクエスト２０（ｄ）が設けられ、それによってＵＷＢ機器は、ネットワークからの帯域幅を要求することができる。つまり、ＡＬＯＨＡ、スロットＡＬＯＨＡ、衝突検出機能を持つ検出アルゴリズム、および衝突検出機能を持たない検出アルゴリズムなどの多くのコンテンション方式を用いて、データ伝送を行うためのネットワーク内の時間を要求することができる。ＬＤＲフレーム内のデータペイロード用の時間枠２０（ｅ）は、低データレートのデータを、機器／ネットワークとやりとりするために用いられる。データのエラー検出およびエラー訂正機能は、時間枠２０（ｆ）に設けられる。当然のことながら、ＬＤＲフレームの構成は、さまざまなプロトコルや通信ニーズに合わせて変更することができる。
【００３６】
図３を再び参照すると、ＨＤＲフレームは、プリアンブルおよび同期用の短い時間枠３０（ａ）と、かなり長いデータペイロード用時間枠３０（ｂ）と、エラー検出および訂正用の時間枠３０（ｃ）とを含むことができる。さらに、ＨＤＲフレームは、ＬＤＲフレームとは異なる出力レベルで送信することができる。ＬＤＲフレームおよびＨＤＲフレームの長さまたは時間幅は、通信システムがインストールされた環境に応じて変えることができる。中央付近のフレームでの同期を失う可能性が高い状況では、フレームの長さまたは時間幅を減少してもよい。
【００３７】
例えば、通信の品質および信頼性を上げるためには、１０（ａ）または１０（ｂ）の各フレームは、「ガードタイム」という時間を含むことができ、そのガードタイムは、意図的に空の状態にしてある複数の時間ビンを備える。この空の時間ビンは、ＵＷＢ機器がＵＷＢパルスを含むフレーム中の位置を特定するのに役立つ。また、使用される通信変調技術、および／または通信環境に応じて、多経路干渉に対応するためにガードタイムの長さを調整することができる。一実施形態では、ＬＤＲフレーム１０（ａ）の数は、（高データレートのネットワークでは）ＨＤＲフレームよりもかなり少なくでき、このＬＤＲフレーム１０（ａ）ではより短いガードタイムが必要となる。当然のことながら、フレームや時間ビンは、他の時間幅を有することができ、さらに、フレームは、異なる数の時間ビンを用いることができる。
【００３８】
図４に、ＵＷＢ機器６０（ａ）〜６０（ｅ）からなる１つまたは複数のネットワークを示す。本発明に従って構成された高／低データレートＵＷＢ通信機器６０は、高データレート（ＨＤＲ）トランシーバおよび低データレート（ＬＤＲ）トランシーバの両方を含む。また、全ての機器６０および６０（ａ）〜（ｅ）は、通信アンテナ７０を備える。高／低データレート通信機器６０は、上記のようなコンビネーションフレーム１０を構成する通信プロトコルコンピュータロジックを、ハードウェア形式、またはソフトウェア形式、あるいはその両方のいずれかの形で含む。従って、高／低データレート通信機器６０は、簡易なＵＷＢセンサ（または、地中探知レーダ、壁面透過撮像装置など）である機器６０（ａ）と通信を行い、低データレートを用いた通信のみを行うことができる。あるいは、高／低データレート通信機器６０は、高データレートの超広帯域ネットワーク上で通信を管理するマスタートランシーバとしての機能を果たすメインフレームコンピュータである機器６０（ｄ）と通信を行うことができる。
【００３９】
このように、本発明の一特徴は、全てのＵＷＢ通信機器と通信を行うことができる共通のシグナリングプロトコルを提供することによって、低データレートを用いるあるタイプのプロトコルを使用するＵＷＢ機器が、高データレートを用いる別のタイプのプロトコルを使用するネットワークへのアクセスポイントと通信ができるということである。
【００４０】
本発明の他の特徴は、複数のネットワークへのアクセスポイントを持つ環境で、高／低データレート通信機器６０が、利用可能な全てのアクセスポイントと通信を行い、最適なネットワークにログオンできるということである。例えば、送信した信号が利用可能な帯域幅全域を占める高データレートのモバイル機器が、低データレートのネットワークへのアクセスポイントがあれば、それと通信を行うことができる。
【００４１】
あるいは、高／低データレート通信機器６０は、実質的に同時に、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を用いるネットワークアクセスポイントと、高データレートの信号が、利用可能な帯域幅全域を占めるアクセスポイントと、低データレートのセンサとに接続することができ、また、この機器６０は、本発明の共通シグナリングプロトコルを用いて低データレートチャネルを介して上記の各々と接続することができる。そして、この機器６０およびアクセスポイントは、その低データレートチャネルを介して発見を行うことができる。低データレートのアクセスポイントおよびＯＦＤＭ形式の高データレートのアクセスポイントは、低データレートのセンサに対応するために低データレートのチャネルのみを介して接続することができる。また、高データレートのアクセスポイントは、高データレートまたは低データレートのチャネルのいずれか一方を高／低データレート通信機器６０に提供することができる。この場合、高／低データレート通信機器６０は、高データレートのネットワークにログオンするようにしてもよい。
【００４２】
本発明の他の特徴は、高／低データレート通信機器６０内のＬＤＲトランシーバが、パワーオン信号またはウェイクアップ信号をその通信機器６０内のＨＤＲトランシーバに送信することができるということである。この実施形態では、ＬＤＲトランシーバは、さらに、粗いタイミングリファレンスをＨＤＲトランシーバに提供して時刻同期を支援することができる。
【００４３】
ネットワーク内では、そのネットワークにある固定アクセスポイントに対する初期化プロトコルは、ビーコン初期化よりも前にリスニング時間を含むことができる。本発明の一特徴では、第１のアクセスポイントからのビーコンが検出されると、第２のアクセスポイントは、第１のアクセスポイントから送信されたビーコン信号に同期することができる。これらのアクセスポイントは、光ファイバケーブル、同軸ケーブル、ツイストペア線、または他の有線媒体などで接続してもよい。このような環境では、新たなアクセスポイントの同期化および初期化は、有線媒体を介して実行することができる。
【００４４】
図４を再び参照すると、本発明の他の実施形態では、固定ネットワークアクセスポイントまたは６０（ｄ）などのマスタートランシーバは、低データレートで周期的にビーコン信号を送信することができる。このビーコン信号は、マスタートランシーバ６０（ｄ）の地理的位置を含むことができる。このマスタートランシーバ６０（ｄ）の対象範囲内を移動する携帯用の高／低データレート通信機器６０は、ビーコン信号をＬＤＲトランシーバで受信し、その地理的位置の計算を補助するためにマスタートランシーバの地理的な位置情報を用いることができる。ビーコン信号は、主に、発見やログオンに用いられるので、ビーコン信号に用いられる信号変調技術は、各種トランシーバが用いる技術間で交互に変わる場合がある。例えば、ビーコン信号は、利用可能な帯域幅の大部分を占めるオン／オフ・キーイング（ＯＫＫ）信号とＯＦＤＭ形式の信号との間で交互に入れ替わることができる。従って、ＯＦＤＭ形式の信号を待つトランシーバは、このようなビーコン信号を用いて、低データレートのフレームを受信して発見を完了することができるようになる一方、別のタイプのトランシーバは、ＯＫＫ信号を用いることができる。あるいはその代わりに、本発明では、二相位相変調（ＢＰＳＫ）方式と呼ばれる変調方式を用いてもよい。
【００４５】
上記のように、さまざまな種類の信号変調技術と方式とがある。超広帯域パルス変調技術によって、１つの代表的なデータシンボルが、複数の２進数またはビットを表すことが可能になる。これは、通信システムにおいて、データレートを増加させるという明らかな効果がある。変調に関するいくつかの例としては、パルス幅変調（ＰＷＭ）、パルス振幅変調（ＰＡＭ）、およびパルス位置変調（ＰＰＭ）がある。ＰＷＭでは、一連の所定ＵＷＢパルス幅が、異なるビットセットを表すのに用いられる。例えば、８種類のＵＷＢパルス幅を用いるシステムでは、各シンボルは、８種類のうちの１つを表すことができ、この１つのシンボルは、３ビットの情報を運ぶことになる。また、ＰＡＭでは、所定のＵＷＢパルス振幅が、異なるビットセットを表すのに用いられる。ＰＡＭ１６を用いるシステムは、１６種類の所定のＵＷＢパルス振幅を有することになる。このシステムでは、シンボルあたり４ビットの情報を運ぶことが可能になる。さらにＰＰＭでは、ＵＷＢパルスのタイムスロットの範囲内にある所定の位置が、１つのビットセットを運ぶのに用いられる。ＰＰＭ１６を用いるシステムでは、シンボルあたり４ビットの情報を運ぶことが可能になる。本発明では、このような信号変調方式ばかりではなく他の方式（３値変調、および１パルス変調など）を用いてもよい。
【００４６】
本発明の他の特徴は、（図３に示す）ＬＤＲフレームが、選択したＵＷＢ機器のリモートシャットダウンやウェイクアップ、およびこの選択したＵＷＢ機器のファームウェアの無線によるアップデートなどのさまざまな機能を実現できることである。ＵＷＢ機器のファームウェアのアップデートを行うことによって、急速に変わりゆく技術環境において、この機器が短期のうちに陳腐化しないようにすることができる。
【００４７】
以上示したように、超広帯域通信用の通信プロトコルを提供する。当業者には当然のことながら、限定する目的ではなく例示する目的のために本明細書で説明した上記の実施形態以外によっても、本発明を実現することは可能である。本明細書および付属の図面で説明した記載内容や実施例は、本発明の好適な実施形態を説明するためだけのものである。本明細書および図面は、本特許文献の排他的範囲を限定するためではない。上記の実施形態以外の多くの意匠が、本開示の文言上の範囲、および法律上の範囲、あるいはそのいずれか一方に含まれることになり、また本発明は、本開示によってのみ限定される。本明細書で説明した特定の実施形態と同等なあらゆる実施形態も、本発明を実現できることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】各種通信方式の説明図である。
【図２】２種類の超広帯域パルスの説明図である。
【図３】コンビネーションフレーム、高データレートフレーム、および低データレートフレームの実施形態であって、全て、本発明に従って構成された実施形態を示す図である。
【図４】本発明に従って構成された複数のトランシーバからなる無線ネットワークを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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