(57)【要約】  クリアチャネル評価（ＣＣＡ）は、超広帯域（ＵＷＢ）システムにおいて非常に重要な問題である。効果的なＣＣＡ機構体は、通信システムのスループット全体に大きな影響を有することになる。ＣＣＡ決定を実行するための方法および回路が開示されており、移動平均を使用することにより、または局部発生信号との相互相関を行うことにより、パルス信号の構造を利用する。
2008511236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指定された通信信号を時々搬送することが期待される通信媒体に対するクリアチャネル評価の方法であって、
前記指定された通信信号の受信を試み、受信信号を生成し、
前記受信信号から前記受信信号の電力を示す電力信号を導出し、
前記電力信号を局部発生信号と相互相関し、相互相関結果を取得し、
複数の相互相関結果を合成し、合成相互相関結果を取得し、
前記合成相互相関結果を閾値と比較し、
そして前記比較に基づいて、クリアチャネル評価結果を生成する、
ことを備える方法。
【請求項２】
前記指定された通信信号がマルチバンドＯＦＤＭ超広帯域信号である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
指定された通信信号を時々搬送することが期待される通信媒体に対するクリアチャネル評価の方法であって、
前記指定された通信信号の受信を試み、受信信号を生成し、
前記受信信号の移動平均電力を決定し、移動平均出力信号を生成し、
疑わしいピーク値が有効であるかどうかを決定することを含む、前記移動平均出力信号に対してピーク検出を行い、
そして検出された有効ピーク数によって、クリアチャネル評価結果を生成する、
ことを備える方法。
【請求項４】
前記指定された通信信号がマルチバンドＯＦＤＭ超広帯域信号である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
指定された通信信号を時々搬送することが期待される通信媒体に対するクリアチャネル評価のための装置であって、
前記指定された通信信号の受信を試み、受信信号を生成するようにするための手段と、
前記受信信号から前記受信信号の電力を示す電力信号を導出するための手段と、
前記電力信号を局部発生信号と相互相関し、相互相関結果を得るようにするための手段と、
複数の相互相関結果を合成し、合成相互相関結果を得るようにするための手段と、
前記合成相互相関結果を閾値と比較するための手段と、
前記比較することに基づいて、クリアチャネル評価結果を生成するための手段と、
を含む装置。
【請求項６】
前記指定された通信信号がマルチバンドＯＦＤＭ超広帯域信号である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
指定された通信信号を時々搬送することが期待される通信媒体に対するクリアチャネル評価のための装置であって、
前記指定された通信信号の受信を試み、受信信号を生成するようにするための手段と、
前記受信信号の移動平均電力を決定し、移動平均出力信号を生成するようにするための手段と、
疑わしいピーク値が有効であるかどうかを決定することを含む、前記移動平均出力信号に対してピーク検出を行うための手段と、
検出された有効ピーク数によって、クリアチャネル評価結果を生成するための手段と、
を含む装置。
【請求項８】
前記指定された通信信号がマルチバンドＯＦＤＭ超広帯域信号である、請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
無線ＬＡＮなどの通信システムにクリアチャネル評価を与えることは既によく知られており、そこでは、搬送波感知多重アクセス／衝突検出（CSMA/CD）などのアクセス機構体が使用され、無線媒体へのアクセスを制御する。これらの方法は、典型的に、エネルギー検出方法に基づく（適切な閾値レベルを有する受信信号強度インジケータなど）。他の方法は、相互相関によって特定の符号語（例えば、８０２．１１ｂにおいて使用されるバーカー−１１符号語）を探すことなどが知られている。
【０００３】
エネルギー検出スキームの場合、これらは超広帯域システムに十分に適していない（超広帯域システムは、パーソナルコンピュータやヘアドライヤなど付随的放射器(incidental radiator)に許可されているレベル未満でエネルギーを放出するように設計されている）。低レベルエネルギーが存在するという事実が、意図している超広帯域信号の存在を十分に表していない。より識別力のある何かが必要とされる。
【０００４】
マルチバンドＯＦＤＭ（ＭＢ−ＯＦＤＭ）の場合、対象のＵＷＢ信号は、ＯＦＤＭを用いることになるが、このＯＦＤＭは、周波数領域において情報を符号化し、そのため、符号語相関によって信号の存在を決定するために利用されることができる伝送のペイロード部分中に規則的な時間領域特性がない。この方法において使用されることができるバーストの部分はプリアンブルのみであるが、これは、むしろ稀に（各バーストの始めに）現れ、短期間の内にＣＣＡの評価をするための要件に適合しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
必要とされるもの、および本発明が提供するものは、最初に信号と同期し、信号を復調し、信号の内容を復号することを必要とせずに、ＵＷＢ信号の主ペイロード部分の存在を検出するためのメカニズムである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、クリアチャネル評価のためにＭＢ−ＯＦＤＭ信号のエンベロープの構造を利用する。
【０００７】
提案された方法の全般的な手法は、受信信号のエンベロープを、ＯＦＤＭ伝送システムのシンボルレートと等しい周波数の矩形波または正弦波のいずれかと相関させることである。矩形の基準信号の場合、これは、ＯＦＤＭシンボルの長さ（１２８サンプル）にわたる信号エンベロープの移動平均として等価的に表現されることができる。
【０００８】
本発明は、添付の図面と併せて以下の説明からさらに理解されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ＭＢ−ＯＦＤＭ信号のエンベロープの構造の例が図９に示されている。図示されるように、各ＯＦＤＭシンボルは、６０.６ｎｓのゼロプレフィックス部分が先行し、９．５ｎｓのガード区間が後に続く。可能な３１２．５ｎｓのうち２４２ｎｓのみが信号エネルギーを含む。
【００１０】
このことに加え、ホッピングパターンが導入され、５２８ＭＨｚ帯付近全体にわたってスペクトルエネルギーをさらに拡散する。種々のホッピングパターンは、種々のピコネットに適合し、それらの間の望ましくない相互作用を最小化しようとする。
【００１１】
しかし、本開示の重要な特徴は、ＯＦＤＭシンボルのストリームの振幅重み関数(amplitude weighting function)であり、この関数は以下の式１によって与えられる。
【００１２】
【数１−１】
2008511236.tif 000003
【００１３】
ここで、ＴＺＰは、ゼロパディングの期間であり、ＴＧＩは、ガード区間の期間である。ナイキストサンプリングレート（５２８Ｍｓｐｓ）を仮定すると、各ＵＷＢシンボルは１６５サンプルであり、各ＯＦＤＭシンボルは１２８サンプルである。
【００１４】
提案されたアルゴリズムを説明するために、以下の表記が構築された。
【００１５】
ＵＷＢ信号のｎ番目のシンボルは、以下のように表されることができる。
【００１６】
【数１−２】
2008511236.tif 000004
【００１７】
式中、Ｔは、フレーム中の１つのＵＷＢシンボルの期間であり、ｆｎｃは、ｎ番目のシンボルに対するＲＦ搬送波周波数である。ＵＷＢシステムにおいて、搬送波周波数はシンボル毎に変化する。ＴＦＩ符号は、特定シンボルに対するＲＦ搬送波周波数を決定する。ｄ（ｔ）は、ＯＦＤＭ信号であり、
【００１８】
【数２】
2008511236.tif 000005
【００１９】
ｃｎ，ｍ（ＣＭの元）は、ｎ番目のシンボルのｍ番目の副搬送波の複素シンボルであり、ＣＭは、データ伝送のための多値（Ｍ−ａｒｙ）複素シンボルの集合である。ＵＷＢシステムにおいては、Ｍ＝４である。Ｎは副搬送波の総数であり、Ｎ＝１２８である。ｆ＝４．１２５ＭＨｚは副搬送波間隔である。ｗ（ｔ）は、ゼロパディング（ＺＰ）およびガード区間（ＧＩ）によって導かれる窓関数である。
【００２０】
【数３】
2008511236.tif 000006
【００２１】
ここで、ＴＺＰはゼロパディングの期間であり、ＴＧＩはガード区間の期間である。説明を簡単にするために、以下の説明において、表記ＵＷＢは、ｓ（ｔ）を参照するために使用され、表記ＯＦＤＭは、ｓ（ｔ）の非ゼロ部分を参照するために使用される。また、特に言及されない限り、ナイキストレート（５２８Ｍｓｐｓ）がデータ処理に使用され、ダウンサンプリングが適切に実行されることを保証する。したがって、各ＵＷＢシンボルは１６５サンプルを有し、各ＯＦＤＭシンボルは１２８サンプルを有する。
【００２２】
提案されたＵＷＢ信号は、シンボル間周波数ホッピングスキームを使用するため、時刻同期が、信号を適切に検出するために重要である。ダウンコンバージョンのための局部発振器（ＬＯ）周波数が不適切な瞬間に切り替えられる場合、希望信号(wanted signal)は５２８（または１０５６）ＭＨｚの中心周波数に変換されることになる。次に、チャネルフィルタは、希望信号を除去することになり、受信信号はノイズのみになる。考えてみると、このことは、ホッピング同期の情報のないシステムのＣＣＡスキームを示唆している（特に、受信機が同期シンボルを逃すことがある場合）。受信機がダウンコンバージョンのために固定ＬＯ周波数のみ、例えばチャネル２（３９６０ＭＨｚ）を使用する場合、受信信号は、ＯＦＤＭ信号と窓関数との積と見なされることができ、デューティサイクルは１２８／（１６５×３）である。図１は、固定ＬＯ周波数を用いた受信ＵＷＢ信号の例を示す。上のプロットは、アンテナ入力時のプロットであり、ここでは、種々のシンボルが種々の搬送波周波数上に変調されている。また、下のプロットは、ＬＯを用いたダウンコンバージョンおよびチャネルフィルタリング後の出力信号である。ＤＣ近傍にダウンコンバートされていないシンボルは、チャネルフィルタによって除去されることが示されている。本明細書は、チャネルホッピングが常に行われるモードに焦点を当てていることに留意されたい。固定周波数モードについては、異なるアルゴリズムが必要とされる。
【００２３】
ＯＦＤＭ信号は時間領域におけるＷＧＮ信号と見なされることができる（Ｎ＞＞１の場合）ため、受信信号は以下のように見なされることができる。
【００２４】
【数５】
2008511236.tif 000007
【００２５】
ここで、t０は受信機のランダムスタート時点であり、Ｔｄは受信の開始と有効ＯＦＤＭシンボルがＤＣ近傍にダウンコンバートされるときの開始時との時間差であり、ｎ（ｔ）はＷＧＮであり、ｎｓ（ｔ）は
【００２６】
【数６】
2008511236.tif 000008
である。
【００２７】
ｈｎ，ｍは、ｎ番目のシンボルのｍ番目の副搬送波の複素チャネル応答である。
【００２８】
周期的な信号についてのパーセバルの定理によれば、
【００２９】
【数７】
2008511236.tif 000009
である。
【００３０】
式（７）の左辺は、１周期（１２８サンプル）にわたる時間領域信号の電力の移動平均（ＭＡ）であり、右辺は、周波数領域信号の最大比合成（ＭＲＣ）である。ＭＲＣは最大ＳＮＲを有するため、１周期にわたる電力の移動平均は、したがって、ＯＦＤＭシンボルの存在のＭＲＣ検出と等価である。所定の閾値が使用され、ＭＡ出力と比較し、ＣＣＡ決定を導出することができる。図２、図３、および図４は、フェージングチャネルにおける種々のＳＮＲに関するＭＡ出力を示す。ＭＡ出力は、ここでは、受信シーケンスの平均電力全体にわたって正規化されている。ｘ軸はサンプルの総数であり、ｙ軸は正規化されたＭＡ出力である。ピークは、最大ＳＮＲが得られたときに現れる。周期性は、受信機ＬＯが固定周波数にとどまり、かつ、入力が３つの異なるＬＯ周波数での信号ホッピングパターンに従うという事実に起因する。したがって、ピークは、３シンボル（ここでは４９５サンプル）毎に現れる。
【００３１】
分析の結果および図に基づいて、以下のＣＣＡアルゴリズムが、周波数ホッピングの同期情報のないシステムに提案される。
【００３２】
１.ＬＯ周波数を所定のチャネル周波数に固定する。
【００３３】
２.ピークカウンタを０に設定する。
【００３４】
３.４９５サンプル（３つの連続したシンボル）の平均電力（Ｐ平均）を計算する。
【００３５】
４.１２８サンプルの正規化された（Ｐ平均に正規化）移動平均電力を計算する。
【００３６】
５.ＭＡ出力（ＭＡＯ）を所定の閾値（Ｐｔｈ）と比較し、ピーク検索を開始し、局所ピークを見つける。ＭＡ出力が閾値未満（ＭＡ＜Ｐｔｈ）に下がると、局所ピーク値をフリーズし、ピーク位置を記録し、ピークカウンタを１だけ増加させる。
【００３７】
６.次のピークについても、ピーク値がフリーズされるまでの最初のピークと同様に、検索を開始する。隣接するピークのピーク位置の差が所定の値未満である場合、最新のピークを捨て、ピークカウンタを増加させず、そうでなければ、ピークカウンタを増加させる。
【００３８】
７.ステップ６をＣＣＡタイマの終了まで繰り返す。１つを超えるピークが見つかると、ＣＣＡが宣言される（チャネルビジー）。
【００３９】
閾値Ｐｔｈは調整され、誤警報率および検出率（またはフレーム誤り率）を調節することができる。図２から、周期性も使用され、誤警報および検出率を制御することができることに留意されたい。ステップ６において、検出窓が設定され、誤警報の性能を改善する。２つのピークの距離がサイズ４９５（サンプル）の窓以下の場合、このとき「ピーク」が代わりにノイズとして認識され、有効ピークとして数えられないことになる。Ｐｔｈおよび窓サイズを適切に設定することで、誤警報率および検出率を最適化することができる。
【００４０】
図１０を参照すると、前述の方法に従ってクリアチャネル評価を行う回路のブロック図が示されている。無線フロントエンド（ＲＦＥ）回路１００１は、信号サンプルを生成し、信号サンプルは、制御回路１００５によって制御されるピーク検索回路１００３に付与される。制御回路１００５は、前述のアルゴリズムに従って動作し、ピークカウンタ１００７を使用し、見つかったピーク数を記録する。ピーク数に基づいて、制御回路１００５は、クリアチャネル評価信号ＣＣＡを生成する。
【００４１】
式（１）から、ホッピング同期情報（チャネル切替の瞬間）が受信機に粗く入手可能である場合、シンボルすべてがＤＣ近傍に適切にダウンコンバートされることができ、ＵＷＢシンボルは、ＯＦＤＭ信号と、デューティサイクルが１２８／１６５である３．２ＭＨｚ方形波クロック信号との積と見なされることができることが分かる。図５は、マルチトーン受信機によってダウンコンバートされ、チャネルフィルタによってろ波された後の受信ＵＷＢ信号の大きさを示す。周期的なゲート効果が、プロットにおいて明白である。
【００４２】
エンベロープ検出が先ず行われ、３．２ＭＨｚシヌソイドとの相互相関がその後に続く場合、正規化された相関出力も、ＣＣＡ決定のための測定基準として使用されることができる。すなわち、ｅ（ｔ）を信号の瞬時電力とすると、
【００４３】
ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）・ｒ（ｔ）＊      （８）
である。
【００４４】
瞬時電力を計算することにより、周波数オフセットによって導かれる相回転が除去されることができる。ｅ（ｔ）は非常に強いＤＣ成分を有するため、ｅ（ｔ）は相関器出力での他の周波数成分の感度を減少させることになる。ＤＣ成分は、信号エンベロープから減じられ、したがって、３．２ＭＨｚ周波数成分を検出する感度を高める。
【００４５】
【数９】
2008511236.tif 000010
【００４６】
相関器出力は、次に、以下のように計算される：
【００４７】
【数１０】
2008511236.tif 000011
【００４８】
図６においては、ノイズがＵＷＢ信号に先行し、約４０００サンプルが続き、再び純粋なノイズが続く。ＵＷＢ信号が受信されると、相互相関出力がノイズのみを有する相互相関出力よりもはるかに高くなることが明らかである。図７および図８は、ＳＮＲがはるかに低く、またＵＷＢ信号の到着が明白でないことを除いて図６のケースと同様なケースを示すが、相関器出力は、依然として大きな差を示している。３つの図はすべて、２００ｋＨｚオフセットを有するフェージングチャネル中のＵＷＢ信号の結果であり、３次逆チェビシェフフィルタがチャネルフィルタとして使用されている。
【００４９】
結果に基づいて、以下のシンボルベースの検出スキームが提案される。所定の閾値を使用することにより、相関器出力が閾値よりも大きい場合、ビジー媒体が宣言される。詳細な検出スキームは以下のように説明される。
【００５０】
１.１６５サンプル（１シンボルデータ）を捕捉し、式（１０）のように相互相関を計算し、バッファ中に結果を格納する。
【００５１】
２.ステップ１をＮ回（Ｎシンボル）繰り返し、Ｎ個の相関器結果を平均する。
【００５２】
３.２における結果を所定の閾値と比較し、結果が閾値よりも大きい場合は、ＣＣＡビジーが報告される。
【００５３】
４.結果＜閾値の場合、このとき、ステップ１および２を繰り返すが、最新のＮ個の相関器出力のみにわたって平均する。すなわち、
【００５４】
【数１１】
2008511236.tif 000012
【００５５】
ここで、ｃｏｒｒ（ｎ）は、式（１０）を使用するｎ番目のシンボルの相互相関出力である。また、Ｘｃｏｒｒ（ｋ）は、相互相関のＮシンボルの移動平均のｋ番目の出力である。上述のアルゴリズムは、非常に簡単であり、平均のために使用されたシンボル数（パラメータＮ）が信頼性を決定する。強化されたアルゴリズムが使用され、誤警報および誤りフレームの性能を改善することができる。例えば、カウンタが使用され、２つ以上の連続した出力が閾値よりも大きいかどうかを確かめることができる。
【００５６】
図１１を参照すると、前述の方法に従ってクリアチャネル評価を行う回路のブロック図が示されている。無線フロントエンド（ＲＦＥ）回路１１０１は、信号サンプルを生成し、信号サンプルは、制御回路１１０５によって制御される相互相関回路１１０３に付与される。制御回路１１０５は、前述のアルゴリズムに従って動作し、格納回路１１０７を使用し、Ｎ個の先行する相互相関結果の平均値を記録する。平均値に基づいて、制御回路１１０５は、クリアチャネル評価信号ＣＣＡを生成する。
【００５７】
ＭＢ−ＯＦＤＭ信号エンベロープの周期性を利用し、クリアチャネル評価を行うために、２つの方法が提案された。２つの方法の詳細なシミュレーションが行われた。これらの結果は、移動平均および相互相関アルゴリズムが、いずれもマルチパスチャネル条件にロバストであり、かつＳＮＲ  −２ｄＢについて高い検出（＞９０％）性能を示すことを示した。誤警報率および検出率は、さらに最適化され、適用要件に従って良好なバランスを有することができる。両方のアルゴリズムは非完全ホッピング同期にロバストである。ＭＡはピコネット識別の能力に関して、より乏しく、ＣＣはＳＯＰ（同時動作ピコネット）許容がより低い。ＣＣアルゴリズムは、通常のＳＯＨＯ／ＣＥ環境において好まれるが、この環境では、適切なプロトコル定義によってＳＯＰの問題が軽減されることができる。
【００５８】
本発明は、知られている周期的な信号エンベロープを特徴とする任意の無線通信システムにおいて用途を有し、そこでは、周期的な間隔が、所要の検出時間よりもはるかに短い。
【００５９】
ＭＢ−ＯＦＤＭ  ＵＷＢを使用する高速データ通信のスループット効率は、かかるＣＣＡ機構体を提供することによって大幅に高められることになる。
【００６０】
他の非ＵＷＢ用途は、将来見つかることがあり、そこでは、ゼロプレフィックスを使用してＯＦＤＭが用いられる。例は、ＯＦＤＭを用いる将来の認識無線システムと４Ｇセルラーシステムとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】固定局部発振器周波数を用いて受信したＵＷＢ信号を示す信号図である。
【図２】１０ｄＢ  ＳＮＲシステムにおける正規化された受信電力の移動平均を示す信号図である。
【図３】０ｄＢ  ＳＮＲシステムにおける正規化された受信電力の移動平均を示す信号図である。
【図４】−６ｄＢ  ＳＮＲシステムにおける正規化された受信電力の移動平均を示す信号図である。
【図５】マルチトーン受信機によってダウンコンバートされ、チャネルフィルタによってろ波された後の受信ＵＷＢ信号の大きさを示す信号図である。
【図６】１０ｄＢ  ＳＮＲシステムにおける受信ＵＷＢ信号ならびに受信ＵＷＢ信号と局部発生信号（例えば、シヌソイド）との相互相関を示す信号図である。
【図７】０ｄＢ  ＳＮＲシステムにおける受信ＵＷＢ信号ならびに受信ＵＷＢ信号と局部発生信号（例えば、シヌソイド）との相互相関を示す信号図である。
【図８】−６ｄＢ  ＳＮＲシステムにおける受信ＵＷＢ信号ならびに受信ＵＷＢ信号と局部発生信号（例えば、シヌソイド）との相互相関を示す信号図である。
【図９】ＵＷＢ信号の構造を例示する図である。
【図１０】第１のクリアチャネル評価回路を例示するブロック図である。
【図１１】第２のクリアチャネル評価回路を例示するブロック図である。
【図１】
2008511236.tif 000013
【図２】
2008511236.tif 000014
【図３】
2008511236.tif 000015
【図４】
2008511236.tif 000016
【図５】
2008511236.tif 000017
【図６】
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【図７】
2008511236.tif 000019
【図８】
2008511236.tif 000020
【図９】
2008511236.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成19年7月12日(2007.7.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図１０】
2008511236.tif 000022
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図１１】
2008511236.tif 000023
【国際調査報告】
2008511236.tif 000024
2008511236.tif 000025
2008511236.tif 000026
2008511236.tif 000027
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