(57)【要約】      （修正有）【課題】方法は、時間−周波数ホッピング式の超広帯域システムにおいて干渉を抑圧する。【解決手段】送信されたシンボルに対応する信号を受信する。受信された信号を周波数復調し、受信された信号のための相関行列と相互相関の推定値を用いて係数値を算出する。この係数値を用いて受信された信号を合成する。【選択図】図２
2005341592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信されたシンボルに対応する信号を受信することと、
受信された信号を周波数復調することと、
コスト関数
【数１】
2005341592.tif 000025
を最小限に抑える係数ベクトルｗを推定することと、
ここで、λは０ないし１の重み係数であり、ｘは前記受信された信号を表すベクトルであり、Ｈは前記シンボルを送信するために用いられるチャネルの周波数応答であり、ｃは既知のトレーニングシンボルであり、
係数ベクトル
【数２】
2005341592.tif 000026
を決定することと、
ここで、前記受信された信号の相関行列は、
【数３】
2005341592.tif 000027
であり、かつ、相互相関の推定値は、
【数４】
2005341592.tif 000028
であり、
【数５】
2005341592.tif 000029
に従って前記受信された信号を合成することと
を含む、時間−周波数ホッピング式の超広帯域システムにおいて干渉を抑圧する方法。
【請求項２】
前記受信された信号は、前記送信されたシンボルの複数のコピーを含み、前記複数のコピーは、異なる瞬間に送信される
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記送信されたシンボルの前記複数のコピーは、それぞれ異なる受信アンテナによって得られる
請求項２記載の方法。
【請求項４】
特定のシンボルの場合に一定の周波数を有し、異なるシンボルの場合に異なる周波数を有するパイロットトーンを送信することをさらに含む
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記異なるシンボルのための前記異なる周波数は、周期的に変化する
請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記チャネルの周波数応答は、前記パイロットトーンから推定される
請求項４記載の方法。
【請求項７】
合成された信号を位相復調することと、
位相復調された信号を復号化して、干渉が抑圧された、前記送信されたシンボルを再生することとをさらに含む
請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には無線通信システムに関し、より詳細には、時間−周波数ホッピング式の超広帯域（ＵＷＢ）システムにおいて干渉を抑圧することに関する。
【背景技術】
【０００２】
超広帯域（ＵＷＢ）システムは最近、無線通信システムにおいて大きな注目を集めている。米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）は、U. S. A、Federal Communications Commission「第１次報告及び指令０２−４８（First report and order 02-48）」（２００２年２月）において、限定された屋内および屋外通信に適用する場合にＵＷＢシステムを許可している。
【０００３】
１つの利点として、ＵＷＢは短距離において高い伝送速度でデータを送信することができる。これにより、ＵＷＢは、包括的にはパーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、特にホームネットワークのための有望な候補になる。この可能性を認めて、ＩＥＥＥは８０２．１５．３ａ標準化作業班を組織しており、その作業班は、１００Ｍｂｉｔ／ｓよりも高いデータ速度のＵＷＢ通信のための物理層標準規格を作成する役割を担っている。R. Roberts （Ed.）、ＩＥＥＥ  Ｐ８０２．１５代替ＰＨＹの提案募集（IEEE P802.15 Alternate PHY Call For Proposals）、Document IEEE P802.15-02/372r8、2002を参照されたい。
【０００４】
ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａ標準化作業班は、短距離屋内通信システムにおいてＵＷＢを利用するための性能要件を規定している。１０メートルにおいて少なくとも１１０Ｍｂｐｓのスループットが要求される。これは、送信側データ速度がさらに高くなければならないことを意味する。さらに、４メートルにおいては少なくとも２００Ｍｂｐｓのビット速度が要求される。さらに短い距離においてしか達成できない場合であっても、４８０Ｍｂｐｓよりも高い速度への拡張性があることが望ましい。
【０００５】
ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａ標準化作業班によって超広帯域（ＵＷＢ）通信システムの物理層のために多数の可能性がある変調／多元接続方式が検討されている。１つの方式は、時間−周波数インターリーブと組み合わせた、マルチバンド直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）である。A. Batra等著「マルチバンドＯＦＤＭ物理層の提案（Multiband-OFDM physical layer proposal）」（IEEE P802.15-03/268r2, November 2003）を参照されたい。８０２．１５．３ａ時間−空間インターリーブＯＦＤＭ方式は、たとえば非同期デジタル加入者線（ＡＤＳＬ）およびＩＥＥＥ８０２．１１ａ無線ＬＡＮにおいて用いられるような従来のＯＦＤＭとは重大な違いがあることに留意されたい。
【０００６】
実際には、ＯＦＤＭ信号は、ＯＦＤＭ受信機内のダウンコンバージョンのための多数の並列局部発振器によっては復調されない。むしろ、受信された信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が個々のトーンにおいて受信される信号に等価である。実際の実施態様では、ＦＦＴは、受信された信号のサンプルのブロックに対して作用する。たとえば、May等著「直交周波数分割多重方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）」（Part IV, Molisch (Ed.), Wideband Wireless Digital Communications, Prentice-Hall, pp. 309-385, 2001）を参照されたい。ＦＦＴは典型的には「バタフライ」構造として実装される。van Nee等著「無線マルチメディア通信のためのＯＦＤＭ（OFDM for Wireless Multimedia Communications）」（Artech House, pp. 46-51, January 2000）を参照されたい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
干渉を抑圧することによってシステムの全性能を改善することができるので、そのような変調方式のための干渉抑圧を改善することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
方法は、時間−周波数ホッピング式の超広帯域システムにおいて干渉を抑圧する。送信されたシンボルに対応する信号を受信する。受信された信号を周波数復調し、コスト関数
【０００９】
【数１】
2005341592.tif 000003
【００１０】
を最小限に抑える係数ベクトルｗを推定する。ただし、λは０ないし１の重み係数であり、ｘは受信された信号を表すベクトルであり、Ｈはシンボルを送信するために用いられるチャネルの周波数応答であり、ｃは既知のトレーニングシンボルである。
【００１１】
係数ベクトル
【００１２】
【数２】
2005341592.tif 000004
【００１３】
を決定する。ただし、受信された信号のための相関行列は、
【００１４】
【数３】
2005341592.tif 000005
【００１５】
であり、相互相関の推定値は、
【００１６】
【数４】
2005341592.tif 000006
【００１７】
である。
【００１８】
その後、
【００１９】
【数５】
2005341592.tif 000007
【００２０】
に従って受信された信号を合成する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、ＯＦＤＭ方式ＵＷＢシステムのためのチャネル推定および干渉抑圧を提供する。本発明は、高いデータ速度のＵＷＢ通信ネットワークのために用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
信号構造
図１に包括的に示されるように、ＯＦＤＭ送信機（図２を参照されたい）が、Ｋ個の搬送波周波数帯（「トーン」）１０２において同時にデータ（ＯＦＤＭシンボルあるいは「ブロック」）１０１を送信する。マルチバンドＯＦＤＭの場合、全ての搬送波周波数が１つの帯域内にあることに留意されたい。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１５標準規格作業班への１つの提案では、１２８個のトーンが約４ＭＨｚだけ離隔して配置され、約３００ｎｓの持続時間を有する。各トーンは４相位相（ＱＰＳＫ）変調される。
【００２３】
システム構造
図２は、本発明による直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）を利用するＵＷＢシステム２００を示す。システム２００は、送信機２０１および受信機２０２を備える。送信機２０１では、送信されることになる｛ｂｎ｝の２値データストリームが最初に符号化され、インターリーブされる２１０。その後、符号化されたストリームは複素ＱＰＳＫシンボル｛ｃｎ｝に変調される２２０。
【００２４】
本発明による干渉抑圧は、以下のようにモデル化することができる任意のＯＦＤＭシステムにおいて用いることができる。
【００２５】
【数６】
2005341592.tif 000008
【００２６】
あるいは
【００２７】
【数７】
2005341592.tif 000009
【００２８】
ただし、ｎ＝１，２，・・・，Ｋであり、ｉｌ，ｎは干渉である。種々のｎに対応する干渉統計値には相関がある。
【００２９】
本発明による干渉抑圧は、式（１）あるいは（２）によってモデル化することができる全てのシステムにおいて用いることができる。これらのシステムには、帯域内拡散、繰返しおよび受信機アンテナアレイを用いるＯＦＤＭ方式ＵＷＢが含まれる。
【００３０】
帯域内拡散を用いるＯＦＤＭ方式ＵＷＢ
ＵＷＢチャネルの周波数ダイバーシティを利用するために、それらのシンボルは、同じＯＦＤＭブロック内で２倍だけ拡散されることができ２３０、その後、変調される２４０。結果として、１つのＯＦＤＭブロックのためのシンボルｓｎは以下のように表すことができる。
【００３１】
【数８】
2005341592.tif 000010
【００３２】
ただし、ｊ＝√−１である。それゆえ、対応する時間領域ＯＦＤＭ信号は以下のように表すことができる。
【００３３】
【数９】
2005341592.tif 000011
【００３４】
ただし、ｆｋ＝ｆＤ＋ｋΔｆであり、Δｆはトーン間隔であり、それはＴ＝１／ΔｆによってＯＦＤＭシンボル持続時間に関係する。この信号は時間−周波数インターリーブされる。言い換えると、局部発振器の搬送波周波数が、送信されるＯＦＤＭシンボル毎に変化する。図１および図３を参照されたい。
【００３５】
簡単にするために、この効果は、信号が送信されるときの伝搬チャネル２５０に吸収される。言い換えると、そのチャネルは周期的に時間変動する。
【００３６】
受信機２０２において、その信号はチャネル２５０から受信される。受信された信号は種々の瞬間に送信された、各送信ＯＦＤＭシンボルの複数のコピーを含む。その複数のコピーは異なる受信アンテナから得ることができる。
【００３７】
受信された信号はＯＦＤＭ復調され２６０、後に説明されるように、干渉が抑圧される。干渉を抑圧された信号はＱＰＳＫ復調され２８０、その後、復号化される２９０。
【００３８】
チャネル２５０内のマルチパスおよび干渉に起因して、受信機２０２において復調された（２６０）ＯＦＤＭ信号は以下のように表すことができる。
【００３９】
【数１０】
2005341592.tif 000012
【００４０】
ただし、Ｈｎは考慮中のＯＦＤＭシンボルのためのｎ番目のトーンにおけるＵＷＢチャネルの周波数応答であり、ｉｎは干渉であり、ｎは付加白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）であり、その平均は０で、分散はＮ０である。
【００４１】
式（３）から、式（４）は以下のように表すこともできる。
【００４２】
【数１１】
2005341592.tif 000013
【００４３】
あるいは
【００４４】
【数１２】
2005341592.tif 000014
【００４５】
ただし、ｎ＝０，１，・・・，Ｎ／２−１であり、以下の式が成り立つ。
【００４６】
【数１３】
2005341592.tif 000015
【００４７】
繰返しダイバーシティを用いるＯＦＤＭ方式ＵＷＢシステム
繰返しダイバーシティを用いるＯＦＤＭ方式ＵＷＢシステムの場合、異なる時刻および／または周波数帯において同じＯＦＤＭブロックが送信される。結果として、以下の式が成り立つ。
【００４８】
【数１４】
2005341592.tif 000016
【００４９】
ただし、ｘｌ，ｎ、Ｈｌ，ｎおよびｉｌ，ｎは、受信された信号、チャネルの周波数応答、およびｌ番目の時刻および／または周波数繰返しのｎ番目のトーンにおける干渉であり、ｃｎはｎ番目のトーンにおいて送信されたシンボルである。上記の式は、式（１）あるいは（２）と同じように行列の形で書き表すことができることは明らかである。
【００５０】
受信アンテナアレイを用いるＯＦＤＭ方式ＵＷＢシステム
受信アンテナアレイを用いるＯＦＤＭ方式ＵＷＢシステムも式（１）あるいは（２）によって説明することができる。そのシナリオでは、ｃｎはｎ番目のトーンにおいて送信されたシンボルであり、式（１）あるいは（２）中のｘｌ，ｎはｌ番目のアンテナのｎ番目のトーンから受信された信号を表し、Ｈｌ，ｋはｌ番目の受信アンテナのｎ番目のトーンにおけるチャネルの周波数応答を表し、Ｉｌ，ｎは、同一チャネル間干渉および雑音を含む干渉を表す。
【００５１】
干渉抑圧手法
ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａ標準規格によるシステムのような、いくつかのＵＷＢシステムは２つのタイプの多元接続を有する。１つのピコネット内の装置の場合、ＴＤＭＡが用いられ、干渉は生じない。しかしながら、同じエリアにおいて動作することができる異なるピコネットは、異なる時間−周波数インターリーブ符号を用いるが、送信のタイミングを調整していない。すなわち、それらのピコネットは「協調しない」ピコネットである。したがって、干渉は避けられない。
【００５２】
帯域内シンボル拡散、時間および／または周波数帯繰返し、あるいは受信アンテナアレイを用いるＯＦＤＭ方式ＵＷＢシステムの場合、干渉を引き起こすユーザも同じ方式を利用している場合には、干渉を抑圧することができる。J. H. Winters著「フラットフェージングを用いたデジタル移動無線システムＩＳ１３６内の適応アンテナアレイを用いた信号の捕捉および追尾（Signal acquisition and tracking with adaptive antenna arrays in the digital mobile radio system IS-136 with flat fading）」（IEEE Trans. on Veh. Technol., Vol. 42, pp. 377-384, Nov. 1993）を参照されたい。その場合、コンバイナ出力
【００５３】
【数１５】
2005341592.tif 000017
【００５４】
のＭＳＥを最小限に抑える最適な係数ベクトルｗは、以下の式によって決定される。
【００５５】
【数１６】
2005341592.tif 000018
【００５６】
ただし、Ｒｎおよびｄｎはそれぞれ以下のように定義される。
【００５７】
【数１７】
2005341592.tif 000019
【００５８】
ＭＭＳＥ合成のための係数ベクトルｗｎは、受信された信号の相関行列Ｒｎとともに式（８）を用いて計算することができ、ベクトルｄは、送信されたシンボルと受信された信号ベクトルとの間の相互相関の推定値である。
【００５９】
この相関行列の推定は、フラットフェージングチャネルの場合のものである。周波数選択性チャネルの場合のＯＦＤＭの相関行列も知られている。Y. (G.) LiおよびN. R. Sollenberger著「同一チャネル間干渉を有するＯＦＤＭシステムのための適応アンテナアレイ（Adaptive antenna arrays for OFDM systems with co-channel interference）」（IEEE Transaction on Communications, Vol. 47, pp. 217-229, February 1999）を参照されたい。
【００６０】
しかしながら、その技法がＯＦＤＭ方式ＵＷＢシステムに適用される場合には、推定される相関行列の各要素が個別に推定されるときに、その行列は正定値でない場合もある。
【００６１】
それゆえ、係数ベクトルを推定するための新規の手法が提供される。
【００６２】
｛ｃｎ｝をトレーニングシンボルとする。トレーニングシンボルは、チャネル推定を達成するために規則的な間隔で送信される。その際、以下のコスト関数を最小限に抑える係数ベクトルｗｉを見つけることができる。
【００６３】
【数１８】
2005341592.tif 000020
【００６４】
ただし、λは０〜１の重み係数である。重み係数は、小さな｜ｎ−ｋ｜を有する項を強調する。直に計算することにより、以下の係数ベクトルが生成される。
【００６５】
【数１９】
2005341592.tif 000021
【００６６】
ただし、受信された信号の相関行列は以下のとおりである。
【００６７】
【数２０】
2005341592.tif 000022
【００６８】
相互相関の推定値は以下のとおりである。
【００６９】
【数２１】
2005341592.tif 000023
【００７０】
推定された係数ベクトルを用いて、受信された信号を以下の式によって合成することができる。
【００７１】
【数２２】
2005341592.tif 000024
【００７２】
性能比較
最大比（ＭＲ）および最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）ダイバーシティコンバイナの性能を比較するために、上記のモデルに従って、ＯＦＤＭ方式ＵＷＢシステム２００をシミュレートする。そのシミュレーションでは、システム２００はパケット伝送を利用し、各パケットは８０９６（２１３）ビットを含む。発生器系列１３３、１４５および１７１を用いる速度１／３畳み込み符号が用いられる。結果として、各コードワードの長さは約２４，３００ビットである。符号化された系列はその後、１２１５０複素ＱＰＳＫシンボルに変換される。各ＯＦＤＭブロックは５０シンボルを送信する。それゆえ、各タイムスロット内に２４３個のＯＦＤＭデータブロックが存在する。３つの小帯域毎に１つずつのさらに３つのＯＦＤＭブロックが、トレーニングシンボルのために用いられる。それゆえ、全部で２４６個のＯＦＤＭブロックが存在する。それぞれが１２８トーンからなり、トーンのうちの１００が情報トーン、１２がパイロットトーン、そして残りがヌルトーンである。すなわち、ピーク−平均電力比（ＰＡＰＲ）を低減するために、信号は送信されない。
【００７３】
干渉がないときには、ＭＲコンバイナの性能はＭＭＳＥコンバイナの性能よりも良好である。干渉がないときに、ダイバーシティ合成のための正確な係数が用いられる場合には、ＭＲおよびＭＭＳＥコンバイナは同等でなければならない。ＭＲコンバイナの係数をより正確に推定することができるので、ＭＲコンバイナはＭＭＳＥコンバイナよりも性能が良い。しかしながら、干渉が現われるとき、ＭＭＳＥコンバイナは非常に良好な性能を有するが、ＭＲコンバイナは機能しない。
【００７４】
ランダム干渉抑圧
図３は、干渉３００を伴う時間−周波数ホッピングを示す。図３では、周波数３１１は３つの帯域３０１〜３０３にあり、時間は横軸３１２上にある。所望の信号３１０のホッピングパターン（丸で囲んだ数字１、２、３）は帯域３０１、帯域３０２および帯域３０３であり、一方、干渉信号３２０のホッピングパターン（丸で囲んだ文字Ａ、Ｂ、Ｃ）は帯域３０３、帯域３０２および帯域３０１である。
【００７５】
図３から、干渉信号３２０と所望の信号３１０との間のタイミングによって、或る特定の送信機に対して常に１つの干渉のない帯域が存在し、他の２つの帯域にはいくらかの干渉があることを確認することができる。
【００７６】
干渉している送信機に対する特定の送信機の電力比はＳＩＲと定義される。時間−周波数ホッピングに起因して、所望のユーザおよび実効的な干渉の電力比、すなわち図３において重なり合うエリアは、以下の値まで低減される。
ＳＩＲｅ＝（１／３）ＳＩＲ、あるいはＳＩＲｅ（ｄＢ）＝ＳＩＲ−４.８（ｄＢ）
【００７７】
ＵＷＢシステムでは、各スロット／パッケージは約１００個のＯＦＤＭブロックを含む。異なるピコネット、すなわち異なる時間−周波数符号を用いる送信機は調整されないため、１つのパケットの伝送中に、干渉の状況が変化する可能性がある。この場合、本発明によれば、干渉環境に応じてＭＭＳＥコンバイナの係数が変更される。
【００７８】
「Strawman」提案によれば、ＯＦＤＭブロック毎に１２のパイロットトーンが存在する。A. Batra等著「マルチバンドＯＦＤＭ物理層の提案（Multiband-OFDM physical layer proposal）」（IEEE P802.15-03/268r2, Nov. 2003）を参照されたい。それらのパイロットトーンは、全ての送信シンボルの場合に「固定された」周波数に配置される。
【００７９】
しかしながら、本発明によれば、パイロットトーンは全ての取り得る副搬送波を通して周期的に「循環させる（rotate）」。このパイロットトーン方式を用いて、干渉環境に応じて、ＭＭＳＥコンバイナのための係数を適応的に推定し、更新することができる。
【００８０】
すなわち、伝搬するパイロットトーンは特定のシンボルの場合に一定の周波数を有するが、異なるシンボルの場合には異なる周波数を有し、異なるシンボルのための異なる周波数が周期的に変化する。このようにして、パイロットトーンから、そのチャネルの周波数応答も推定することができる。
【００８１】
本発明が好ましい実施形態の例として説明されてきたが、本発明の精神および範囲内で種々の他の改変および変更がなされることができることは理解されたい。それゆえ、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入るような、全てのそのような変形および変更を網羅することである。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明による干渉抑圧が適用される、マルチバンドＯＦＤＭ信号の時間−周波数表現１００の図である。
【図２】本発明によるＯＦＤＭシステムのブロック図である。
【図３】本発明に従って干渉を抑圧された、時間−周波数ホッピングの時間−周波数表現の図である。
【図１】
2005341592.tif 000030
【図２】
2005341592.tif 000031
【図３】
2005341592.tif 000032
【外国語明細書】
2005341592.tif 000033
2005341592.tif 000034
2005341592.tif 000035
2005341592.tif 000036
2005341592.tif 000037
2005341592.tif 000038
2005341592.tif 000039
2005341592.tif 000040
2005341592.tif 000041
2005341592.tif 000042
2005341592.tif 000043
2005341592.tif 000044
2005341592.tif 000045
2005341592.tif 000046
2005341592.tif 000047
2005341592.tif 000048
2005341592.tif 000049
2005341592.tif 000050
2005341592.tif 000051
2005341592.tif 000052