(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
K個のフレーム(K≧1)で構成される送信間隔中に送信元端末から送信先端末に信号を送信するUWBパルス電気通信システムのための分散時空間符号化の方法において、各フレームが前半と後半のハーフフレームに分割され、各前半のハーフフレームの間に送信された前記信号が、前記システムのK個の中継端末の中の、別個の中継端末によって受信され、次の後半のハーフフレームの間に増幅されてから再送信される方法であって、
前記送信元端末が、複数の時間位置を含むPPM変調アルファベットまたは複合PPM-PAM変調アルファベットに属する4K個のデータシンボルを符号化し、それによってフレーム当たり4つの送信シンボルのシーケンスを提供し、前記送信シンボルが、前記データシンボルの4K個の線形の組合せから得られ、前記線形の組合せは、有理数の領域の2Kの実数の代数拡張部に属する複数の係数を使用し、各フレームの前記シーケンス内の所定のランクの前記送信シンボルの1つは、そのPPM成分の置換によってさらに得られ、
このようにして得られた前記送信シンボルがUWBパルス信号を変調することを特徴とする方法。
【請求項２】
そのPPM成分の置換を受けた各フレームの前記送信シンボルが、そのPPM成分の1つまたは複数について符号の反転も受けることを特徴とする請求項1に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項３】
前記送信間隔のk番目のフレームの前記4つの送信シンボル
【数１】
0005196877.tif 000091
が、
【数２】
0005196877.tif 000092
のように、前記4K個のデータシンボルs1,s2,...,s4Kから得られ、
ただし、
【数３】
0005196877.tif 000093
は前記係数であり、θおよびθ1は、前記有理数の領域内で既約の次数2の多項式の前記実数の共役根であり、Ωは、おそらくは1つまたは複数のPPM成分の符号の反転を伴う、PPM-PAMアルファベットの時間位置の置換演算であり、
前記k番目のフレームの間に前記送信元端末によって送信された前記シーケンスが、
【数４】
0005196877.tif 000094
または
【数５】
0005196877.tif 000095
または
【数６】
0005196877.tif 000096
または
【数７】
0005196877.tif 000097
であることを特徴とする請求項1または2に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項４】
【数８】
0005196877.tif 000098
および
【数９】
0005196877.tif 000099
、または
【数１０】
0005196877.tif 000100
および
【数１１】
0005196877.tif 000101
であることを特徴とする請求項3に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項５】
K=lおよび
【数１２】
0005196877.tif 000102
であることを特徴とする請求項4に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項６】
K=2であり、
【数１３】
0005196877.tif 000103
および
【数１４】
0005196877.tif 000104
、ただし
【数１５】
0005196877.tif 000105
および
【数１６】
0005196877.tif 000106
であり、係数
【数１７】
0005196877.tif 000107
が指数iおよび/またはkに対する置換まで定義され、それらの値が、共通増倍係数を上限として±10%の範囲内で定義されることを特徴とする請求項4に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項７】
K=3であり、
【数１８】
0005196877.tif 000108
ただし、
【数１９】
0005196877.tif 000109
であり、係数
【数２０】
0005196877.tif 000110
が、指数iおよび/またはkに対する置換まで定義され、それらの値が、共通増倍係数を上限として±10%の範囲内で定義されることを特徴とする請求項4に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項８】
K=4であり、
【数２１】
0005196877.tif 000111
ただし、
【数２２】
0005196877.tif 000112
であり、係数
【数２３】
0005196877.tif 000113
が、指数iおよび/またはkに対する置換まで定義され、それらの値が、共通増倍係数を上限として±10%の範囲内で定義されることを特徴とする請求項4に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項９】
K=5であり、
【数２４】
0005196877.tif 000114
ただし、
【数２５】
0005196877.tif 000115
であり、係数
【数２６】
0005196877.tif 000116
が、指数iおよび/またはkに対する置換まで定義され、それらの値が、共通増倍係数を上限として±10%の範囲内で定義されることを特徴とする請求項4に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項１０】
前記PPM成分の前記置換が循環置換であることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項１１】
前記送信元端末および前記中継端末の送信電力が、それぞれas Pおよび
【数２７】
0005196877.tif 000117
、k=1,..,Kに等しくなるように選択され、ただし、PはUWBスペクトルマスクに準拠する電力値であり、asおよび
【数２８】
0005196877.tif 000118
は0<as<1、
【数２９】
0005196877.tif 000119
、かつ
【数３０】
0005196877.tif 000120
であるような係数であることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項１２】
前記係数asと
【数３１】
0005196877.tif 000121
が、前記送信元端末と前記送信先端末との間の伝播チャネルおよび前記中継端末と前記送信先端末との間のそれぞれのチャネルのそれぞれの状態に従って決定されることを特徴とする請求項11に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項１３】
前記係数asおよび
【数３２】
0005196877.tif 000122
が、それぞれ前記送信先端末から前記送信元端末および前記K個の中継端末へのK+1個の戻り経路により電力制御ループを用いて制御されることを特徴とする請求項11に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項１４】
前記送信元端末および前記中継端末の前記送信電力が、それぞれUWBスペクトルマスクに準拠する電力値に等しくなるように選択されることを特徴とする請求項１１に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項１５】
前記K個の中継端末が、前記送信元端末および前記送信先端末によって、
前記送信元端末と前記送信先端末との間の距離を決定するステップと、
前記送信元端末から前記距離未満の位置にある第1の端末の集合を決定するステップと、
前記送信先端末から前記距離未満の位置にある第2の端末の集合を決定するステップと、
候補端末と呼ばれる、前記第1の集合と前記第2の集合に共通する端末から、前記K個の中継端末を、前記送信元端末と前記候補端末との距離および前記候補端末と前記送信先端末との距離の和を最小化する端末として選択するステップと
により決定されることを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項１６】
前記K個の中継端末が、前記送信元端末と前記送信先端末によって、
前記送信元端末と前記送信先端末との間の距離を決定するステップと、
前記送信元端末から前記距離未満の位置にある第1の端末の集合を決定するステップと、
前記送信先端末から前記距離未満の位置にある第2の端末の集合を決定するステップと、
候補端末と呼ばれる、前記第1の集合と前記第2の集合に共通する端末を決定し、所定のシンボルのシーケンスを前記送信元端末によって前記候補端末に送信するステップと
により決定され、各候補端末が、あるエラー率を有する前記シーケンスを検出し、前記K個の中継端末が、K個の最低エラー率を有する前記シーケンスを検出する候補端末として選択されることを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載の分散時空間符号化の方法。
【請求項１７】
K個のフレーム(K≧1)で構成される送信間隔(TTI)の間に送信先端末に信号を送信するように意図されたUWBパルス電気通信端末のための符号化方法において、
M個の時間位置を含むPPM変調アルファベットまたは複合PPM-PAM変調アルファベットに属する4K個のデータシンボルをK個の符号化モジュール(510)にパラレルに提供する第1の分散手段(500)であって、各符号化モジュールが、1つのフレームに対応し、4つの送信シンボルを提供するように前記4K個のデータシンボルに作用する、第1の分散手段(500)と、
各符号化モジュール(510)に有理数の領域を含む実数の代数拡張部に属する4K個の係数(VK,V1K)を提供する第2の分散手段(505)と、
受信した前記4K個の係数を使用して前記4K個のデータシンボルの線形の組合せを実行し、組合せによって得られる前記送信シンボルのうちの1つのPPM成分の置換を実行するように適合された各符号化モジュールと、
直列で取り付けられた複数の遅延線(520)であって、それぞれが、フレーム持続時間に等しい遅延を加え、その入力で前記符号化モジュール(510)の出力を受信する遅延線(520)と
を備えることを特徴とする符号化方法。
【請求項１８】
各符号化モジュール(510)が、4つの計算サブモジュール(610)を備えており、
前記第1の分散手段(500)が、前記データシンボルの前半の部分(s1,..,sK,sK+1,..,s2K)を前記第1と第4のサブモジュールに提供し、前記データシンボルの後半の部分(s2K+1,..,s3K,s3K+1,..,s4K)を前記第2と第3のサブモジュールに提供するように適合され、
前記第2の分散手段(505)が、前記係数の前半の部分(Vk)を前記第1と第2のサブモジュールに提供し、前記係数の後半の部分
【数３３】
0005196877.tif 000123
を前記第3と第4のサブモジュールに提供するように適合され、
置換サブモジュール(630)が、前記計算サブモジュールのうちの1つの出力で前記送信シンボルの前記PPM成分の置換を実行するように適合され、
複数の遅延線(620)が直列で取り付けられ、それぞれが送信シンボル持続時間に等しい遅延を加え、その入力で前記計算サブモジュール(610)のうちの１つの出力または前記置換サブモジュール(630)の出力を受信することを特徴とする請求項17に記載の符号化デバイス。
【請求項１９】
前記置換サブモジュール(630)が、受信した前記送信シンボルのPPM成分の1つまたは複数について符号の反転を実行するようにも適していることを特徴とする請求項18に記載の符号化デバイス。
【請求項２０】
各計算サブモジュール(610)が、受信した前記2K個のデータシンボルのそれぞれに、受信した前記2K個の係数中のそれぞれの係数を乗じるための乗算手段(710)と、このようにして得られた前記2K個の送信シンボルを加えるための加算手段(720)とを備えることを特徴とする請求項18または19に記載の符号化デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超広帯域(すなわちUWB:ultra-wide band)電気通信と協調電気通信システムの両方の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
UWB電気通信システムは、近年多くの研究のテーマになっている。こうしたシステムは、いわゆる超広帯域信号のベースバンドで直接機能することを特徴とする。UWB信号という用語は、一般的には2002年2月14日に発行され、2005年3月に改訂されたFCC規制に規定されるスペクトルマスク(spectral mask)に適合する信号、すなわち本質的にはスペクトルバンド(spectral band)が3.1〜10.6GHz、帯域幅が少なくとも-10dBまでの500MHzの信号を表すために用いられる。UWB信号は、2つのカテゴリ、すなわちマルチバンドOFDM(MB-OFDM)信号とUWBパルス信号に分類される。UWBパルス信号は、数百ピコ秒からナノ秒のオーダーの非常に短いパルスによって構成される。以下の部分では、UWBパルスシステムに限定して説明する。
【０００３】
UWBシステムは、無線パーソナルエリアネットワーク(WPAN:wireless personal area network)用の好適な候補である。セルラー電気通信ネットワークなどの従来の無線ネットワークでは、送信機と受信機との間に第3の端末が関与することなく接続が確立される。無線ネットワークの空間的なカバレッジを改善するために、端末間で協調するための戦略を実装するアドホックアーキテクチャが提案されてきた。
【０００４】
図1は、こうしたネットワークにおける協調のための戦略を極めて概略的に示している。送信元端末sは、送信先端末dにデータストリームを送信する。また、端末rもsから送信されたデータストリームを受信し、これを送信先端末dに中継する。このように、端末rはsとdの間のデータ送信時に協調する。たとえば、チャネルs-dの品質が低い場合、特にsとdの間にある障害物が原因となっている場合は、チャネルs-r-dを使用することによって障害物を迂回し、十分な品質を得ることができる。データストリームを複数の端末で中継すれば、送信経路の空間ダイバシティをさらに向上できる。さらに、データストリームを唯一のホップ(シングルホップsingle-hop)または連続する複数のホップ(マルチホップmultiple-hop)で中継することもできる。
【０００５】
周知のように、TDMA無線ネットワークでは、各端末が専用の送信間隔を有する。このように、2つの協調モード、すなわちパラレル協調とシリアル協調が区別される。
【０００６】
パラレル協調モードの場合、中継端末は送信元端末に割り当てられた送信間隔中に送信元端末からデータを受信し、中継端末はそれ自体の送信間隔中に送信先端末にデータを再送信する。したがって、送信先端末は異なるルーティング経路で、1度目は送信元端末の送信間隔中に、2度目は中継端末の送信間隔中に同じデータを受信する。データは送信先端末でシーケンシャルに受信されることから、「パラレル」という用語はふさわしくないようにも思われるが、実際には送信元端末と中継端末は送信間隔が異なるため、2つのルーティング経路間に干渉がないという意味である。パラレル協調モードの動作では、中継端末はその送信間隔中に特定のデータを送信しないことが仮定されている。このことによって、協調の構成は大幅に削減される。
【０００７】
シリアル協調モードの場合、中継端末は、送信元端末に割り当てられた送信間隔中に、送信元端末からのデータを受信／再送信する。このためには、中継端末は受信した信号を単に増幅して再送信してもよい(いわゆるAF(Amplify and Forward)プロトコル)。あるいは、中継端末は信号をまず復号化してから再送信してもよい(いわゆるDF(Decode and Forward)プロトコル)。送信先端末は、送信元端末からのデータを、送信元端末に割り当てられた送信間隔中に異なるルーティング経路を介して受信する。
【０００８】
特に、AFプロトコルを使用した協調システムについては、論文K.Azariamらの「On the achievable diversity-multiplexing tradeoff in half-duplex cooperative channels」という名称の論文、IEEE Trans.on Information Theory,Vol.51,N° 12,2005年12月、4152〜4172頁で説明されている。
【０００９】
送信元端末から送信されたデータとこの同じ送信元端末から中継端末を経由して中継されたデータとを同時に送信するため、データはその直交性(orthogonality)を保証するように符号化される必要がある。この符号化は、時空間符号(DSTC:distributed space-time code)と呼ばれている。
【００１０】
協調電気通信システムは、いわゆるMIMO(Multiple In Multiple Out)方式のマルチアンテナシステムのように、送信の空間ダイバシティを備えるシステムである。受信機で使用される検出のタイプは、チャネル上で入手できる情報によって異なっており、次のように識別される。
【００１１】
-いわゆるコヒーレントシステム。受信機は、送信チャネルの特性を認識しており、通常は送信機から送信されたパイロットシンボル(Pilot symbols)を使用して実行するチャネルの評価によって送信チャネルの特性を認識する。次に、このチャネルの評価を使用してデータシンボルを検出する。コヒーレントシステムは、一般に高速用途向けに設計されている。
【００１２】
-ノンコヒーレントシステム。受信機は、送信チャネルの特性に関して事前の知識がない状態でデータシンボルのブラインド検出を実行する。
【００１３】
-差分システム(differential systems)。データシンボルは2つの連続する送信シンボルの位相差または振幅差の形で符号化される。こうしたシステムでは、受信機側のチャネルに関する知識は不要である。
【００１４】
AFプロトコルを使用したコヒーレント協調システムの第1の例については、S.Yang、J-C Belfioreの「Optimal space-time codes for the MIMO amplify-and-forward cooperative channel」という名称の論文(www.comelec.enst.frから入手できる)から知られている。この論文には、K.Azariamの論文で説明する協調システムを、送信元端末、中継端末、及び送信先端末がマルチアンテナタイプの場合に一般化した場合についても提案されている。説明されるシステムは、高い符号化利得(coding gain)を示し、したがって優れたBER性能を達成する。
【００１５】
ただし、これはUWB信号には適用できない。実際に、当該システムでは複雑な係数付きの位相データを伴うDSTC符号化が使用されている。しかし、使用するパルスの持続時間、したがってUWB信号の帯域幅が非常に短い場合は、位相データを抽出するのはきわめて困難である。
【００１６】
AFプロトコルを使用したコヒーレント協調システムの第2の例については、論文C.Abou-Rjeilyらの「Distributed algebraic space time codes for ultra wideband communications」という名称の論文、Kluwer publicationsから知られている。第1の例とは異なり、このシステムでは実際のDSTC符号の係数とUWB信号が使用されている。しかし、BER性能は前述のシステムのBER性能より劣っている。
【非特許文献１】K.Azariam et al.、「On the achievable diversity-multiplexing tradeoff in half-duplex cooperative channels」、IEEE Trans.on Information Theory,Vol.51,N° 12,Dec.2005,4152〜4172頁
【非特許文献２】S.Yang、J-C Belfiore、「Optimal space-time codes for the MIMO amplify-and-forward cooperative channel」(www.comelec.enst.frから入手できる)
【非特許文献３】C.Abou-Rjeily et al.、「Distributed algebraic space time codes for ultra wideband communications」、Kluwer publications
【非特許文献４】Neiyer S.Correal et al.、「An UWB relative location system」(www.ee.vt.eduから入手できる)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、先行技術の符号化利得より高い符号化利得を示すUWB信号を使用したコヒーレント協調システムを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、K個のフレーム(K≧1)で構成され、各フレームは前半と後半のハーフフレームに分割される送信間隔中に、送信元端末が送信先端末に信号を送信し、前記システムが備えるK個の中継端末の中の、別個の中継端末によって、各前半のハーフフレームに送信された信号が受信され、次の後半のハーフフレームに増幅されてから再送信されるUWBパルス電気通信システムの分散時空間符号化の方法によって定義される。前記送信元端末は、複数の時間位置(time positions)を含むPPM変調アルファベット(modulation alphabet)または複合PPM-PAM変調アルファベットに属する4K個のデータシンボルを符号化し、それによって、フレーム当たり4つの送信シンボルのシーケンスを提供する。前記送信シンボルは、有理数の領域の2Kの実数の代数拡張部(real algebraic extension)に属する複数の係数と、各フレームの前記シーケンス内の所定のランクの前記送信シンボルの1つについて、そのPPM成分の置換とを使用して、前記データシンボルの4K個の線形の組合せから得られる。このようにして得られた送信シンボルは、UWBパルス信号を変調する。
【００１９】
本発明は、さらに、K個のフレーム(K≧1)で構成される送信間隔(TTI)の間に送信先端末に信号を送信するように意図されたUWBパルス電気通信端末用の符号化デバイスによっても定義される。前記符号化デバイスは、以下を備えている。
【００２０】
-M個の時間位置(time positions)を含む複合PPM-PAM変調アルファベットに属する4K個のデータシンボルをK個のパラレル符号化モジュールに提供する第1の分散手段であって、各符号化モジュールが、1つのフレームに対応し、4つの送信シンボルを提供するように前記4K個のデータシンボルに作用する、第1の分散手段。
【００２１】
-有理数の領域の実数の代数拡張部に属する4K個の係数(VK,V1K)の集合を各符号化モジュールに提供する第2の分散手段。
【００２２】
-受信した前記4K個の係数を使用して前記4K個のデータシンボルに対する線形の組合せを実行し、この組合せによって得られるシンボルの1つのPPM成分に対する置換を実行するのに適した各符号化モジュール。
【００２３】
-それぞれが、フレーム持続時間に等しい遅延を加え、その入力で符号化モジュールの出力を受信する直列に取り付けられた複数の遅延線。
【００２４】
本発明のその他の特徴と利点は、本発明の好ましい実施形態の説明を読み、以下に示す添付の図面を参照することで明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の基本概念は、位置変調および振幅変調またはPPM-PAM(Pulse Position Modulation & Pulse Amplitude Modulation:パルス位置変調およびパルス振幅変調)によって変調されたUWBパルス信号を使用する、協調の戦略を使用すること、ならびに、中継される信号と特定のタイプの符号化によって中継された信号との直交性の維持を保証することである。
【００２６】
使用する協調の戦略は、図2に示すようにAFタイプである。この場合は、送信元端末s、K個の中継端末r1,r2,...,rK(K≧l)、および送信先端末dについて考察する。送信間隔はTTIで表されており、送信元端末sに割り当てられている。換言すれば、この時間窓中は、送信元端末sのみが送信でき、中継端末rl,r2,...,rKは送信元端末から送信された信号を中継することに制限される。
【００２７】
TTIの窓内で送信元端末から送信された信号は、K個のフレームのシーケンスで構成され、各フレームは、持続時間がTfであり、2つのハーフフレーム(half-frames)で構成される。たとえば、シーケンス内のk番目のフレームについて考察すると、送信元端末が後半のハーフフレームを送信する間に前半のハーフフレームが中継端末rkによって中継される。このように、シーケンスを構成する各フレームの前半のハーフフレームは、異なる中継端末によって中継される。
【００２８】
送信間隔TTIによって、4K個のデータシンボルの送信が可能になり、K個のフレームのそれぞれが2(送信元端末と中継端末)の空間ダイバシティを提供する。より具体的には、4K個のデータシンボル(s1,s2,...,s4Kで表される)は4K個の送信シンボル
【００２９】
【数１】
0005196877.tif 000002
【００３０】
(k=1,..,K)として符号化される。ただし、符号は劣化せず、そのランクは4Kである。
【００３１】
データシンボルsl,s2,...,s4Kは、M-PPM-M'-PAM変調アルファベットまたはM-PPM変調アルファベットの要素であり、後者のアルファベットは説明を目的とした前者の特定のケース(M'=1)と考えられる。この基数変調(cardinal modulation)M.M'のアルファベットは、図3に概略的に示されている。M個の時間位置のそれぞれについて、M'変調の振幅(modulation amplitudes)が可能である。アルファベットシンボルは、次元Mのベクトルa=(a1,...,aM)T、am=δ(m-d)a表すことができる。ただし、dはPPM変調の位置であり、aはPAM変調の振幅であり、δ(.)はDirac分布である。このように、本明細書の以下の部分では、データシンボルはM個のPPM成分のベクトルとみなし、その1つのコンポーネントは非ゼロであり、PAMアルファベットの要素に等しい。
【００３２】
図2に戻り、送信元端末はk番目のフレームの前半のハーフフレームの間にシンボル
【００３３】
【数２】
0005196877.tif 000003
【００３４】
を送信し、後半のハーフフレームの間にシンボル
【００３５】
【数３】
0005196877.tif 000004
【００３６】
を送信することに留意されたい。中継端末rkは前半のハーフフレームの間にシンボル
【００３７】
【数４】
0005196877.tif 000005
【００３８】
を受信し、後半のハーフフレームの間にこれらのシンボルを再送信する。したがって、伝播時間を無視して、後半のハーフフレームの間は、送信先端末は以下のように次元2Mx2の時空間符号行列Ckの形で表すことができる4つの送信シンボルを受信する。
【００３９】
【数３４】
0005196877.tif 000006
【００４０】
時間の次元は行列の各行(縦方向)で表され、空間の次元(送信元端末と中継端末)は各列(横方向)で表される。
【００４１】
本発明により、時空間符号行列Ckは以下のようにデータシンボルs1,s2,...,s4Kから求められる。
【００４２】
【数３５】
0005196877.tif 000007
【００４３】
ただし、係数
【００４４】
【数７】
0005196877.tif 000008
【００４５】
、i=1,..,Kはスカラーであり、プロパティは以下に示されている。θおよびθ1は次数2の多項式P(X)の共役根(conjugated roots)であり、有理数の領域Qで既約、かつ判別式が強正(strictly positive)である。したがって、根θおよびθ1は実数であり、特異(distinct)である。有利には、多項式としてP(X)=X2-X-1を採用する。この場合は、θが黄金数(golden number)
【００４６】
【数８】
0005196877.tif 000009
【００４７】
および
【００４８】
【数９】
0005196877.tif 000010
【００４９】
である。
【００５０】
式(4)で、Ωは次元MxMの置換行列(permutation matrix)(循環または非循環)であり、単純な転置には換算されない。置換は、単位行列(identity)を除いて、順序集合(ordered set){1,..,M}のそれ自体に全単射を適用したものである。循環置換ωは、関係ω(m)=m+q(mod M)で定義される。ただし、qはO<q≦M-1となるような整数である。たとえば、M≧3の場合は、Ωは単純な循環シフトでもよい。
【００５１】
【数３６】
0005196877.tif 000011
【００５２】
ただし、IM-1xM-1はサイズM-1の単位行列、01xM-1はサイズM-1のゼロの行ベクトル、0M-1x1はサイズM-1のゼロの列ベクトルである。より一般的に、行列Ωはその1つまたは複数の要素の符号の変更を伴う置換の行列でもよい。このように、(6)に示す例では、次の行列、
【００５３】
【数３７】
0005196877.tif 000012
【００５４】
(χi=±1)を式(4)で使用することもできる。M=2の場合は、
【００５５】
【数１２】
0005196877.tif 000013
【００５６】
または
【００５７】
【数１３】
0005196877.tif 000014
【００５８】
が使用される。
【００５９】
式(2)〜(5)から、送信シンボル
【００６０】
【数１４】
0005196877.tif 000015
【００６１】
は、データシンボルs1,s2,...,s4Kと同様に、各コンポーネントが変調位置に対応する次元Mのベクトルであることがわかる。実際に、送信シンボルはデータシンボルの単純な線形の組合せによって得られる。
【００６２】
【数１５】
0005196877.tif 000016
【００６３】
の場合は追加の演算、すなわちPPM成分の置換によって得られ、場合によってはその一部の符号の反転と組み合わされる。
【００６４】
一般に、スカラーの係数
【００６５】
【数１６】
0005196877.tif 000017
【００６６】
、i=1,..,Kは、有理数の領域Qの次数Kの実数の(複素数でない)代数拡張部(real algebraic extension)の要素である。換言すると、スカラーの係数
【００６７】
【数１７】
0005196877.tif 000018
【００６８】
は、係数がQに属し、Q上で既約である次数Kの多項式Qk[χ]の実数根である。多項式Qk[χ]はP[χ]と素(prime with)になるように選択され、式(2)〜(5)に入るスカラーの係数
【００６９】
【数１８】
0005196877.tif 000019
【００７０】
は、同様に実数のQ[θ]上の次数2、したがって、Q上では次数2Kの反復代数拡張部F:Q[θ]の要素である。ただし、Q[θ]はP[χ]の根θを導入することによって得られるQの代数拡張部である。式(2)〜(5)により、ベクトル
【００７１】
【数１９】
0005196877.tif 000020
【００７２】
の成分はまた、代数拡張部Fに属する。
【００７３】
式(2)〜(5)は、次のようにより簡単な行列の形で記述することもできる。
【００７４】
【数３８】
0005196877.tif 000021
【００７５】
ただし、
【００７６】
【数２１】
0005196877.tif 000022
【００７７】
ただし、
【００７８】
【数２２】
0005196877.tif 000023
【００７９】
はスカラーの係数の行ベクトルとして定義され、
σ12=(s1,..,sK,sK+1,..,s2K)T;σ34=(s2K+1,..,s3K,s3K+1,..,s4K)T
つまり、σ12は最初の2K個のデータシンボルを組み合わせた次元2KxMの行列であり、σ34は次の2K個のシンボルを組み合わせた同じ次元2KxMの行列である。データシンボルが次元Mの列ベクトルであることに留意されたい。
【００８０】
時空間符号の送信シンボル
【００８１】
【数２３】
0005196877.tif 000024
【００８２】
k=1,..,Kは、UWB信号の位置と振幅を変調する役割を果たす。より具体的には、ハーフフレームのそれぞれは2つのシンボル持続時間TS=Tf/4に分割され、送信シンボルはシンボル時間ごとに送信される。各シンボル時間は有利にはM個の変調位置τ1,τ2,...,τMを提供するが、後者内で同等に分散するとは限らない。c=(c(1),c(2),...,c(m))Tが送信シンボルの場合は、対応するシンボル時間の間に送信元端末から送信された信号は、簡単に次の式で表される。
【００８３】
【数３９】
0005196877.tif 000025
【００８４】
ただし、w(t)はUWBパルスの基本形である。その時間のサポートは、連続する変調位置間の間隔|τm+1-τm|よりかなり低く選択される。
【００８５】
変調位置は、同じフレームのシンボルについては同一である。しかし、別のフレームのシンボルの場合は変調位置は異なってもよい。変調位置は、すべての送信元端末について同じでもよいことに留意されたい。この場合は、TDMA多重化(multiplexing)によって直交性が保証される。したがって、従来のTH-UWB(時間ホッピング(Time-Hopping)UWB)シーケンスのように時間ホッピングシーケンスによって分割したり、あるいはDS-UWB(Direct Spread UWB)システムのように直交シーケンスを乗じることによって変調位置を分割したりする必要はない。しかし、複数の送信元端末が同じ間隔TTIの間の同時アクセスを許可されている場合でも、位置変調はTH-UWB、DS-UWB、さらにTH-DS-UWBの信号を変調する役割を果たす。したがって、シンボル時間の間に送信された信号は、一般に次の形で表すことができる。
【００８６】
【数４０】
0005196877.tif 000026
【００８７】
ただし、u(t)はUWBパルス信号(たとえばTH-UWB、DS-UWB、またはTH-DS-UWB)である。以下の部分では、簡単にするためであるが、一般性を損なわないように、送信元からの信号が式(9)の形をとる場合に限定して説明する。
【００８８】
送信元端末sは、k番目のフレームの後半のハーフフレームで、第1のシンボル時間に以下の信号、
【００８９】
【数２６】
0005196877.tif 000027
【００９０】
を送信し、第2のシンボル時間の間に以下の信号、
【００９１】
【数２７】
0005196877.tif 000028
【００９２】
(ただし、ωは、順序集合{1,2,..,M}の置換、χm=±1、Asは送信元端末の送信電力の係数関数(coefficient function))を送信する。
【００９３】
同時に、中継端末rkは、k番目のフレームの後半のハーフフレームで、第1のシンボル時間に以下の信号、
【００９４】
【数２８】
0005196877.tif 000029
【００９５】
(ただし、
【００９６】
【数２９】
0005196877.tif 000030
【００９７】
は送信元端末と中継端末rkとの間の伝播経路の減衰係数、akは中継端末rkの増幅利得)を再送信し、さらに第2のシンボル時間に、以下の信号、
【００９８】
【数３０】
0005196877.tif 000031
【００９９】
を再送信する。
【０１００】
以下の部分では、Kの値が小さい場合は
【０１０１】
【数３１】
0005196877.tif 000032
【０１０２】
の最適な符号化利得に対応するベクトルvkを導入する。
【０１０３】
中継端末が1台の場合は、ベクトルvkは単純にスカラー値V=lに換算される。
【０１０４】
中継端末が2台の場合は、ベクトルvkの成分は、有利には、以下に等しくなるように選択される。
【０１０５】
【数３２】
0005196877.tif 000033
【０１０６】
および
【０１０７】
【数３３】
0005196877.tif 000034
【０１０８】
、ただし
【０１０９】
【数３４】
0005196877.tif 000035
【０１１０】
および
【０１１１】
【数３５】
0005196877.tif 000036
【０１１２】
中継端末が3台の場合は、ベクトルvkの成分は、有利には、以下に等しくなるように選択される。
【０１１３】
【数３６】
0005196877.tif 000037
【０１１４】
、ただし
【０１１５】
【数３７】
0005196877.tif 000038
【０１１６】
中継端末が4台の場合は、ベクトルvkの成分は、有利には、以下に等しくなるように選択される。
【０１１７】
【数３８】
0005196877.tif 000039
【０１１８】
、ただし
【０１１９】
【数３９】
0005196877.tif 000040
【０１２０】
最後に、中継端末が5台の場合は、ベクトルvkの成分は、有利には、以下に等しくなるように選択される。
【０１２１】
【数４０】
0005196877.tif 000041
【０１２２】
、ただし
【０１２３】
【数４１】
0005196877.tif 000042
【０１２４】
係数
【０１２５】
【数４２】
0005196877.tif 000043
【０１２６】
は、共通増倍係数(common multiplication coefficient)を上限として定義される。こうした係数に比例する値では、符号の同等の性能が得られる。比例関係のこの制約を逸脱すると、符号化利得が劣化する可能性がある。比例関係が±10%損なわれても、時空間符号の性能はそれほど変化しないことが実証されている。こうした許容範囲により、符号は特に8ビットバイトなどの定量化された係数
【０１２７】
【数４３】
0005196877.tif 000044
【０１２８】
を処理できるようになる。本発明による時空間符号の性能は、指数iおよび/またはkに作用する係数
【０１２９】
【数４４】
0005196877.tif 000045
【０１３０】
の置換によって、つまりベクトルvk,k=1,..,Kとこうしたベクトルの可能な置換を組み合わせて同じ成分を同時に処理する置換によっては変化しない。このことは、最初の置換が式(2),(3),(4),(5)でデータシンボルs1,..,s2Kおよびs2K+1,..,s4Kの順での置換と同等であることを確認すると容易に理解できる。第2の置換では、フレームの送信順が変更されるにすぎない。
【０１３１】
さらに、この符号の性能も行列Ckの対角要素および/または非対角(anti-diagonal)要素の交換、すなわち送信フレーム内のシンボル
【０１３２】
【数４５】
0005196877.tif 000046
【０１３３】
と
【０１３４】
【数４６】
0005196877.tif 000047
【０１３５】
および/またはシンボル
【０１３６】
【数４７】
0005196877.tif 000048
【０１３７】
と
【０１３８】
【数４８】
0005196877.tif 000049
【０１３９】
の反転(inversion)によっては変化しない。換言すれば、k番目のフレーム内で送信されたシンボルのシーケンスは、
【０１４０】
【数４９】
0005196877.tif 000050
【０１４１】
または
【０１４２】
【数５０】
0005196877.tif 000051
【０１４３】
または
【０１４４】
【数５１】
0005196877.tif 000052
【０１４５】
または
【０１４６】
【数５２】
0005196877.tif 000053
【０１４７】
が考えられる。
【０１４８】
最終的に、共役根θとθ1を反転しても、符号の性能は変化しない。
【０１４９】
以下の部分では、送信元端末と中継端末の電力制御について考察する。係数Asとakとの選択、すなわち送信元端末の送信電力Psとさまざまな中継端末の増幅利得との選択は、2つの異なるモードで実行できる。最初に、各中継端末は、一定の送信電力Prに対応して、中継端末によらず、積
【０１５０】
【数５３】
0005196877.tif 000054
【０１５１】
を一定の電力に維持する開ループ電力制御を備えていることが仮定される。
【０１５２】
第1のモードによれば、中継端末によって送信される電力は、それらの和が前述のFCCスペクトルマスクに準拠するように選択される。換言すると、PがFCCスペクトルマスクへの準拠を可能にする電力値である場合は、送信元端末と中継端末のそれぞれの電力は、送信元端末と中継端末合計の電力を間隔TTIにわたって平均したものがPに等しくなるように、すなわち以下の式が成り立つように選択される。
【０１５３】
【数５４】
0005196877.tif 000055
【０１５４】
このように、第1のモードは、BERが同じ場合は、送信元端末の電力を送信元端末と中継端末とで分散することによって、送信元端末の電力を節約できることが理解される。
【０１５５】
第2のモードによれば、送信元端末の電力と中継端末の電力は、それぞれがFCCスペクトルマスクに準拠する。この場合は、送信電力の合計は送信元端末の単独での送信電力の(1+K/2)倍になる。換言すると、信号対雑音比が第1の動作モードまたは（複数の）中継端末のない動作より(1+K/2)倍低い場合に同じBERを得ることができる。
【０１５６】
チャネルの状態s-dおよびrk-d、たとえばこうした各チャネルの減衰係数が既知の場合は、第1のモードによる送信元端末と中継端末との間の電力の分散では、減衰の状態を考慮してもよい。ここで、端末s及びrkの各送信電力Psと
【０１５７】
【数５５】
0005196877.tif 000056
【０１５８】
とは次の式が成り立つように選択される。
【０１５９】
Ps=asPかつ
【０１６０】
【数５６】
0005196877.tif 000057
【０１６１】
ただし、係数asと
【０１６２】
【数５７】
0005196877.tif 000058
【０１６３】
は以下であることが確認され、
【０１６４】
【数５８】
0005196877.tif 000059
【０１６５】
たとえば、各伝播経路s-d及びrk-dに関連する相対減衰係数hsdと
【０１６６】
【数５９】
0005196877.tif 000060
【０１６７】
とによって決定される。
【０１６８】
係数asと
【０１６９】
【数６０】
0005196877.tif 000061
【０１７０】
は、閉ループ送信電力制御(CL-PC:Closed-Loop Power Control)によって代替的に指定できる。このために、電力制御指標TPCsと
【０１７１】
【数６１】
0005196877.tif 000062
【０１７２】
(Transmission Power Control)は、K+1個の戻り経路を経由して端末sとrkに送信される。ここで、送信元端末から送信された直接信号と端末rkで中継された信号との定期的な分離検出が行われることが仮定されている。指標TPCSと
【０１７３】
【数６２】
0005196877.tif 000063
【０１７４】
により、端末sはasを減分/増分し、端末は
【０１７５】
【数６３】
0005196877.tif 000064
【０１７６】
を増分/減分する。この指標は、合計推定値(total budget)
【０１７７】
【数６４】
0005196877.tif 000065
【０１７８】
が1に維持されるように、連携して決定される。
【０１７９】
第2のモードによる動作に対応する代替形態では、独立した指標TPCSと
【０１８０】
【数６５】
0005196877.tif 000066
【０１８１】
とを採用でき、ただし係数asと
【０１８２】
【数６６】
0005196877.tif 000067
【０１８３】
とは関連がなくなるが、それぞれがスペクトルマスクに準拠するように1未満に維持される。
【０１８４】
前述の協調の戦略には、複数の(K個の)所与の中継端末r1,r2,..,rKが含まれている。ただし、一般的な規則として中継機能には複数の端末が適しているので、送信元端末と送信先端末との通信を確立する前に、こうした適切な端末からK個の端末を選択する必要がある。
【０１８５】
本発明の第1の代替的な実施形態により、中継端末の選択は近接性の基準に基づいて、送信元端末sと送信先端末dとの合意によって決定される。端末は、従来の疑似距離または2方向の伝播時間計算の手段により、端末間を隔てている距離を求めることができることが仮定されている(ピアツーピア範囲)。UWB信号は、その性質(パルス時間が短い)から、ローカライズアプリケーションに最適である。たとえば、Neiyer S.Correalらの「An UWB relative location system」という名称の論文(www.ee.vt.eduから入手できる)にUWB端末間の距離を計算する方法に関する説明がある。
【０１８６】
図4は、中継端末を選択するための手順を体系的に示している。端末sとdは、まず互いを隔てている距離Ds-dを決定する。次いで、端末sはその近傍の集合Ssを決定する。このために、端末sはsと周辺の端末との距離を計算し、sからDS_d未満にある端末を選択する。端末dは、同様にしてその近傍の集合Sdを決定する。中継端末rl,r2,..,rkは、集合Ss∩Sd内で和
【０１８７】
【数６７】
0005196877.tif 000068
【０１８８】
を最小にするものとして選択される。ただし、
【０１８９】
【数６８】
0005196877.tif 000069
【０１９０】
はsとrkとの距離、
【０１９１】
【数６９】
0005196877.tif 000070
【０１９２】
はrkとdとの距離である。集合Ss∩Sdが空の場合は、協調の手順が破棄される。集合Ss∩SdにK'<K個の端末が含まれる場合は、送信元端末と送信先端末との合意が得られた後に、K'個の中継端末による協調の戦略を採用できる。
【０１９３】
第2の代替的な実施形態により、中継端末はエラー率(BER)の基準に基づいて選択される。このために、送信元端末は周辺の端末に制御シンボルの所定のシーケンスを送信する。このシーケンスはすべての端末に知られているので、これを受信する各端末はそのBERを決定できる。ここで、BERがしきい値を下回る端末は、送信元端末に肯定応答メッセージを送信し、場合によっては測定されたエラー率の範囲および/または端末の負荷を指定する。送信元端末は、最小のBERを報告した中継端末rkを選択する。
【０１９４】
図5は、本発明の1つの実施形態による送信元端末の一般的な構造を示している。
【０１９５】
参照番号500は、4K個のデータシンボルs1,s2,...,s4Kを搬送するバスを表しており、各シンボルはM個のコンポーネントに対応するM本のワイヤーを使用して搬送される。送信元端末には、4K個のデータシンボルに対してパラレルに動作するK個のモジュール510が含まれており、各モジュール510は特定のベクトルの対Vk,
【０１９６】
【数７０】
0005196877.tif 000071
【０１９７】
、すなわち以前に第2のバス505(詳述せず)を経由してメモリに格納された4K個の係数を受信する。モジュール510はベクトルVk,
【０１９８】
【数７１】
0005196877.tif 000072
【０１９９】
のコンポーネントをシーケンシャルに受信し、k番目のフレームの送信シンボルを
【０２００】
【数７２】
0005196877.tif 000073
【０２０１】
の順序で出力として提供する。モジュール510の出力は、k=1に対応するものを除き、直列に配置され、遅延の値がフレーム持続時間Tf=4Tsに等しいK-1本の遅延線520に適用される。各遅延線は、たとえば、パラレルに動作するM個のシフトレジスタによって生成され、クロック周波数が1/Ts、長さが4である。このように、第1のフレームの送信シンボル
【０２０２】
【数７３】
0005196877.tif 000074
【０２０３】
、次いで第2のフレームの送信シンボル
【０２０４】
【数７４】
0005196877.tif 000075
【０２０５】
、以下同様にして、送信間隔TTIの最終フレームの
【０２０６】
【数７５】
0005196877.tif 000076
【０２０７】
までが出力530に正常に提供される。
【０２０８】
出力530に正常に提供された送信シンボルは、式(9)と(9')に関連して説明するように、さらにUWB信号を変調する役割を果たす。
【０２０９】
図6は、図5のモジュール510の一般的な構造を示しており、より具体的にはモジュール510がk番目のフレームの送信シンボルを生成する様子を示している。前述のように、このモジュールはバス530からデータシンボルs1,s2,..,s4Kを受信する。便宜上、バスは2本のサブバス631と632で表されており、631がシンボルs1,..,sK,sK+1,..,s2Kすなわちσ12を搬送し、632がs2K+1,..,s3K,s3K+1,..,s4Kすなわちσ34を搬送する。
【０２１０】
モジュール510には構造が同じ4つのサブモジュール610が含まれている。これらのサブモジュールの2つは入力でシンボルs1,..,sK,sK+1,..,s2Kを受信し、残りの2つはシンボルs2K+1,..,s3K,s3K+1,..,s4Kを受信する。シンボルs1,..,sK,sK+1,..,s2Kを受信する2つのサブモジュール610のうち、1つはベクトルVkを受信してシンボル
【０２１１】
【数７６】
0005196877.tif 000077
【０２１２】
を生成し、もう1つはベクトル
【０２１３】
【数７７】
0005196877.tif 000078
【０２１４】
を受信してシンボル
【０２１５】
【数７８】
0005196877.tif 000079
【０２１６】
を生成する。同様に、シンボルs2K+1,..,s3K,s3K+1,..,s4Kを受信する2つのサブモジュール610のうち、1つはベクトルVkを受信し、もう1つはベクトル
【０２１７】
【数７９】
0005196877.tif 000080
【０２１８】
を受信する。ベクトル
【０２１９】
【数８０】
0005196877.tif 000081
【０２２０】
を受信したサブモジュールはシンボル
【０２２１】
【数８１】
0005196877.tif 000082
【０２２２】
を生成する。ベクトルVkを受信したサブモジュールは、PPM成分の置換を実行したシンボルを生成し、場合によってはサブモジュール630でさらに符号が変更される。サブモジュール630は、シンボル
【０２２３】
【数８２】
0005196877.tif 000083
【０２２４】
を生成する。
【０２２５】
シンボル
【０２２６】
【数８３】
0005196877.tif 000084
【０２２７】
を提供するサブモジュール610は、出力640に直接接続されており、その他のサブモジュールの出力は、直列で取り付けられる3本の遅延線620の各入力に接続され、それぞれシンボル時間TSに等しい遅延が適用される。
【０２２８】
このように、送信シンボル
【０２２９】
【数８４】
0005196877.tif 000085
【０２３０】
は図2に示すシンボルのシーケンスに対応して出力640に正常に提供される。
【０２３１】
図7は、モジュール610の構造を体系的に示している。モジュール610は、入力で次元2KのベクトルV(たとえば、Vkまたは
【０２３２】
【数８５】
0005196877.tif 000086
【０２３３】
)と次元Mの2K個のベクトルel,...,eK,eK+1,..,e2K(たとえば、s1,..,sK,sK+1,..,s2Kまたはs2K+1,..,s3K,s3K+1,..,s4K)を受信する。Vの2K個のスカラー成分は、それぞれ乗算器710によってベクトルe1,...,eK,eK+1,..,e2Kに乗じられる。こうして得られたベクトルは、次いで加算器720によって加算される。
【０２３４】
図8は、1つの実施形態によるモジュール510のサブモジュール630の構造を体系的に示している。このサブモジュールは、行列Ωとの乗算を実行するが、これはM個の入力コンポーネントの置換であり、場合によってはこれらのコンポーネントの1つまたは複数に対する符号の変更と組み合わされる。図8に示す例は、コンポーネントの単純な循環シフトに対応する。
【０２３５】
送信元端末のアーキテクチャは多くの代替形態が可能である。特に、モジュール510内で時空間符号の送信シンボル
【０２３６】
【数８６】
0005196877.tif 000087
【０２３７】
と
【０２３８】
【数８７】
0005196877.tif 000088
【０２３９】
および/または送信シンボル
【０２４０】
【数８８】
0005196877.tif 000089
【０２４１】
と
【０２４２】
【数８９】
0005196877.tif 000090
【０２４３】
のように交換してもよい。代替形態には、分岐の交換や遅延線620の入力での分岐の交換も含まれる。
【０２４４】
さらに、当業者なら、モジュール510とサブモジュール610の動作は同一であるので、パラレル処理とシリアル処理の間で、提案されているもの以外の兼ね合いを選択することが可能であると考える。特に、1つのモジュール610および/またはサブモジュール610当たり1つのモジュール510を使用した大規模なシーケンシャル処理を、入力でのデータの多重化と出力でのデータの逆多重化とを犠牲にして、当業者には周知の方法によって選択できる。
【０２４５】
前半のハーフフレームの間に送信元端末から送信されたUWB信号は、従来のAFプロトコルに従って、後半のハーフフレームの間に中継端末で反復される。この点について、本発明は中継端末の変更を必要としない。
【０２４６】
最後に、送信元端末から送信されたUWB信号は、中継端末によって再送信され、送信先端末でMIMO受信機を使用した従来の方法で処理できる。たとえば、受信機にはRake相関段階と、これに続く決定段階(たとえば当業者には周知の球内復号器(sphere decoder)を使用)を含めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２４７】
【図１】無線ネットワークにおける協調のための戦略を体系的に示す図である。
【図２】複数の中継端末を使用した好ましい実施形態による協調のためのプロトコルを体系的に示す図である。
【図３】PPM-PAM変調アルファベットの例を示す図である。
【図４】送信元端末と送信先端末との合意によって決定される中継端末の選択を示す図である。
【図５】本発明の1つの実施形態による送信元端末の一般的な構造を体系的に示す図である。
【図６】図5に示す送信元端末のモジュールを体系的に示す図である。
【図７】図6に示すモジュールの第1のサブモジュールを体系的に示す図である。
【図８】図6に示すモジュールの第2のサブモジュールを体系的に示す図である。
【符号の説明】
【０２４８】
s  送信元端末、
r1,r2,...,rK  中継端末
d  送信先端末
Tf  フレーム持続時間
sl,s2,...,s4K  データシンボル
Ck  時空間符号行列
TTI  送信間隔
Ts  シンボル持続時間
P  送信電力
Ss  近傍の集合(送信元)
Sd  近傍の集合(送信先)
500  第1の分散手段バス
505  第2の分散手段
510  符号化モジュール
Vk  ベクトル
520  遅延線
530  出力
631と632  サブバス
610  計算サブモジュール
630  置換サブモジュール
640  出力
620  遅延線
710  乗算器
720  加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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