(57)【要約】【課題】【解決手段】本発明は、チャネルにおける干渉およびノイズを測定し、制御チャネルで情報を信号伝達し、制御部からの動的なチャネル割り当てを受け取り、干渉およびノイズの存在下で信号を復調することができるデジタル無線モデムを提供する。そのモデムは、主信号よりも強いノイズおよび干渉の存在下でデータ信号から情報を再生することができる復調器（９２および９４）を用い、ノイズおよび干渉の測定値を中央ネットワークコントローラに送信するための制御部（１０２）と、中央ネットワークコントローラによってチャネル割り当てを決定すると共にモデムを正しい送受信チャネルに設定するための制御部が設けられている。【選択図】図５
2004535702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムへのユーザ追加の可否を決定するためのマルチユーザ環境における帯域幅効率の高いモデムであって、
フロントエンド部と、
ベースバンド波形プロセッサと、
デジタル・シグナル・プロセッサと、
波形生成部と、
を備え、
前記フロントエンド部は、入力受信信号をベースバンド波形に処理し、
前記ベースバンド波形プロセッサは、前記ベースバンド波形の復調およびパラメータ推定とを実行し、
前記デジタル・シグナル・プロセッサは、前記干渉信号の各々の推定値を再構成するとともにノイズパワーを算出し、
前記ノイズパワーは、前記ユーザ追加に十分なノイズマージンが存在するか否かの決定に使用され、
前記再構成は、前記パラメータ推定および復調からのデータを要求し、
前記波形生成部は、チャネル通信を処理し、
前記チャネル通信は、メッセージと信号情報とから構成されており、前記システムに伝達される、モデム。
【請求項２】
請求項１に記載の帯域幅効率の高いモデムであって、さらに、送受信のために前記フロントエンド部に結合されたダイプレクサを有する単一のアンテナを備える、モデム。
【請求項３】
請求項１に記載の帯域幅効率の高いモデムであって、さらに、前記フロントエンド部に結合された受信アンテナと送信アンテナとを備える、モデム。
【請求項４】
請求項１に記載の帯域幅効率の高いモデムであって、
前記パラメータ推定は、振幅、搬送波の位相、搬送波の周波数、符号レート、および符号の位相を、前記干渉信号の各々に対して推定するパラメータ推定部によって実行される、モデム。
【請求項５】
請求項１に記載の帯域幅効率の高いモデムであって、
前記復調は、前記ベースバンド波形プロセッサが備えるジョイント検出部によって実行され、
前記ジョイント検出部は、前記干渉信号を復調するとともに、各信号に対して１組のビット値およびビットエラー率を生成する、モデム。
【請求項６】
請求項１に記載の帯域幅効率の高いモデムであって、
前記復調は、最適最尤マルチユーザ検出（ＭＵＤ）、最尤ＭＵＤ、最尤シーケンス推定、連続干渉消去、ＴｕｒｂｏＭＵＤ、反復ＭＵＤ、および線形代数ベースのＭＵＤ、の中から選択された処理方式である、モデム。
【請求項７】
請求項１に記載の帯域幅効率の高いモデムであって、
前記復調は、情報信号よりも強いノイズおよび干渉の存在の下で前記ベースバンド波形を処理する、モデム。
【請求項８】
通信ネットワークのための帯域幅効率の高いシステムであって、
複数の帯域幅効率の高いモデムと、
中央ネットワークコントローラと、
を備え、
前記複数の帯域幅効率の高いモデムは、トラフィックチャネルおよび信号伝達チャネルによって前記ネットワークにそれぞれ相互接続されており、
前記複数のモデムは、前記トラフィックチャネルにおける干渉およびノイズのレベルを処理するとともに、前記トラフィックチャネルの情報信号を再生し、
前記中央ネットワークコントローラは、前記帯域幅効率の高いモデムに結合されており、
前記コントローラは、前記トラフィックチャネルの各々の信号品質を監視するとともに、前記干渉およびノイズのレベルに応じて前記帯域幅効率の高いモデムへの動的なチャネル割り当てを実行する、システム。
【請求項９】
請求項８に記載の帯域幅効率の高いシステムであって、
前記ネットワークは、混成であり、さらに、前記帯域幅効率の高いモデムと前記ネットワーク上で共存する１以上のレガシーモデムを備える、システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の帯域幅効率の高いシステムであって、
前記ネットワーク上の前記モデムを接続するための手段は、双方向チャネル、ハブ経由の間接的な手段、およびハードワイヤ経由の直接的な接続、の中から選択される、システム。
【請求項１１】
請求項８に記載の帯域幅効率の高いシステムであって、
前記信号伝達チャネルは、前記ネットワークコントローラからの要求、時間間隔、および測定された信号レベル、の中から選択された条件に基づいてチャネル通信を行う、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の帯域幅効率の高いシステムであって、
前記チャネル通信は、チャネル状況パラメータと、チャネルサービス要求メッセージと、ネットワークメッセージとを備える、システム。
【請求項１３】
請求項８に記載の帯域幅効率の高いシステムであって、
前記中央ネットワークは、スターネットワークとメッシュネットワークのいずれかから選択されたものとして前記モデムに結合される、システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の帯域幅効率の高いシステムであって、さらに、冗長性を備え、
前記帯域幅効率の高いモデムの各々は、ネットワークコントローラとして機能する、システム。
【請求項１５】
複数の帯域幅効率の高い端末に結合されたネットワークコントローラを有する通信ネットワークにおいて効率的にチャネルを割り当てる方法であって、
前記端末の各々において受信信号をベースバンド波形に処理する工程と、
前記ベースバンド波形のチャネルにおける干渉およびノイズのレベルを測定する工程と、
前記干渉およびノイズのレベルを、前記端末から前記ネットワークコントローラに送信する工程と、
前記ネットワークコントローラにおいて、前記干渉およびノイズのレベルに基づいてチャネル割り当てを処理する工程と、
送信および受信チャネル割り当てを、前記ネットワークコントローラから前記端末に送信する工程と、
を備える、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の効率的にチャネルを割り当てる方法であって、さらに、十分な信号対ノイズマージンが存在するときには、帯域幅効率の高いモデムを、他のモデムがすでに占めているチャネルに割り当てる工程を備える、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の効率的にチャネルを割り当てる方法であって、さらに、チャネルがレガシー端末によって占められているときには、搬送波対干渉レベル条件の範囲に収まるほど十分に低く信号レベルを設定する工程を備える、方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の効率的にチャネルを割り当てる方法であって、さらに、チャネルが帯域幅効率の高い端末に占められているときには、信号レベルを十分に高く設定する工程を備える、方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の効率的にチャネルを割り当てる方法であって、
前記測定工程は、パラメータ推定工程と復調工程とを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の効率的にチャネルを割り当てる方法であって、
前記ネットワークコントローラは、帯域幅効率の高い端末である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、デジタル信号の復調器および変調器に関し、特に、割り当てられた周波数帯域幅を効率的に利用することが好ましいネットワーク用の復調器および変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気通信産業は、かつてない成長率で拡大してきた。特に、３Ｇ、無線ローカルエリアネットワーク、情報家電、デジタル音声エンコードの電話トラフィック、ビデオ会議、広域コンピュータネットワーク接続、インターネットサービス、およびブルートゥースデバイスを含む無線部門は、予想を大幅に上回り、固定式の電気通信に比べてはるかに速く成長している。送信されるデータが多くなるにつれ、無線部門の内容も、インターネット接続性や生放送の供給を含めて変化しつつある。無線におけるこの現象は、世界中で発展しつつあるため、地理的な境界線に制限されるものではない。無線周波数帯で用いるために生じた新しい用途によって、その内容が広がりつつある一方で、これらの用途に割り当てられた帯域幅の量は、一般的に、不変もしくは少なくとも制限された資源である。
【０００３】
無線ネットワークは、コンピュータと他の電子デバイスとの通信を容易にするために用いられる。ネットワーク管理は、そのため、与えられた帯域幅を効率的に利用して、最大限の情報を伝達することに努める制御方式である。いかなる場合でも、干渉およびノイズの存在下で、ネットワークトラフィック容量を最大化することが望ましい。
【０００４】
効率的にネットワーク構成要素を通信チャネルに分配するための様々な方式が存在する。周波数領域多元接続（ＦＤＭＡ）方式は、各端末を別個の重複しない周波数帯に割り当てる。時間領域多元接続（ＴＤＭＡ）方式は、各端末を別個の重複しないタイムスロットに割り当てる。符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）方式は、各端末の間の相互相関を無視できるように、各端末を別個の変調波形に割り当てる。
【０００５】
２位相偏移変調（ＢＰＳＫ）信号や４位相偏移変調（ＱＰＳＫ）信号のようなデジタル変調された信号は、様々なネットワークノードの間で送信される。例としては、端末が衛星トランスポンダを介して送信を行う衛星通信ネットワーク、端末が中継タワーを介して送信を行う地上波手段、および、端末が中央中継手段を介して送信を行う屋内のローカルエリアネットワークが挙げられる。各々の例において、デジタルデータは、無線送信を介して中央中継手段とやり取りされる。
【０００６】
これらの方式はすべて、十分な信号対ノイズ強度すなわち符号化冗長性が存在する場合には、過度の信号マージンを検出するための手段と、干渉の存在下で信号を復調するための手段とが準備されれば、より多くの通信手段が割り当てられた帯域幅を利用することができるという意味で、非効率的であるといえる。
【０００７】
これまで、従来技術の通信システムは、一般に、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）および時間分割多元接続（ＴＤＭＡ）を用いて、チャネルアクセスを実現していた。ＦＤＭＡは、信号の送信電力が信号無線周波数帯に集中される通信チャネルであると言える。隣接するチャネルからの干渉は、帯域通過フィルタによって制限される。しかしながら、異なる周波数を割り当てられた各チャネルに対して、システムの容量は、利用可能な周波数と、チャネルの再利用により課せられる制限とによって制限される。
【０００８】
ＴＤＭＡシステムにおいては、チャネルは、同一の周波数上の周期的な一連の時間間隔におけるタイムスロットすなわちタイムフレームで構成されており、所与の信号のエネルギは、これらタイムスロットの１つに収容される。隣接するチャネルの干渉は、適切な時間に受信した信号エネルギのみを通すタイムゲートまたはその他の同期部を用いて制限される。システムの容量は、各チャネルが、異なるタイムスロットに割り当てられるため、利用可能なタイムスロットと、チャネルの再利用により課せられる制限とによって制限される。
【０００９】
ＦＤＭＡおよびＴＤＭＡシステムの目標の１つは、潜在的に干渉しうる２つの信号が、同じ時間に同じ周波数を占めるのを防ぐことである。逆に、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）技術は、時間および周波数の両方において信号が重複することを許容する。ＣＤＭＡ信号は、同じ周波数スペクトルを共有し、その周波数すなわち時間領域において、ＣＤＭＡ信号は、互いに重複するように見える。ＣＤＭＡを用いると、アナログＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステムの容量が大幅に増大するため、高ビットレートのデコーダと共に用いれば、優れた音声送信が可能となる。ＣＤＭＡは、さらに、多くの異なるグレードの音声品質を提供可能とする可変データレートを実現する。最後に、ＣＤＭＡのスクランブル信号フォーマットは、混信を排除することで電話の盗聴すなわち傍受をより困難にするため、安全性を高める。
【００１０】
ＣＤＭＡシステムでは、各信号は、スペクトラム拡散技術を用いて送信される。送信された情報データストリームは、署名シーケンスと呼ばれる非常に高いレートのデータストリームに印加される。署名シーケンスデータのビットストリームは、通例、２値データであり、ランダムに見える擬似ノイズ（ＰＮ）処理を用いて生成可能であるが、許可されたレシーバは複製することができる。情報データストリームと高ビットレート署名シーケンスストリームは、２つのビットストリームの２値が＋１および−１で表されるとすれば、２つのビットストリームを乗算することにより合成される。比較的高いビットレートの署名信号と比較的低いビットレートのデータストリームとの、かかる合成は、情報データストリーム信号の拡散と呼ばれる。各々の情報データストリームすなわちチャネルには、独自の署名シーケンスが割り当てられる。
【００１１】
動作の際には、２位相偏移変調（ＢＰＳＫ）または４位相偏移変調（ＱＰＳＫ）などの複数の拡散情報信号が、無線周波数（ＲＦ）搬送波を変調し、レシーバで合成信号として一緒に受信される。各々の拡散信号は、周波数と時間の両方において、ノイズに関連する信号だけでなく他の拡散信号すべてと重複する。レシーバは、合成信号と独自の署名シーケンスの１つとを関連付け、対応する情報信号は、分離され、逆拡散される。
【００１２】
無線ネットワークは、例えば、コンピュータ間の接続など、様々な通信に用いられる。２位相偏移変調（ＢＰＳＫ）信号や４位相偏移変調（ＱＰＳＫ）信号のようなデジタル変調された信号は、様々なネットワークノードの間で送信される。例としては、端末が衛星トランスポンダを介して送信を行う衛星通信ネットワーク、端末が中継タワーを介して送信を行う地上波手段、および、端末が中央中継手段すなわちハブを介して送信を行う屋内のローカルエリアネットワークが挙げられる。各々の例において、デジタルデータは、いくつかの通信制御を伴う無線送信を介してやり取りされる。
【００１３】
これらのネットワークに接続されたコンピュータ要素は、様々なユーザサービスを提供する。例としては、デジタル音声エンコードの電話トラフィック、ビデオ会議、広域コンピュータネットワーク接続、およびインターネットサービスが挙げられる。各々の場合において、干渉およびノイズの存在下で、ネットワークトラフィック容量を最大化することが望ましい。
【００１４】
従来技術の方式は、十分な信号対ノイズ強度すなわち符号化冗長性が存在する場合に、過度の信号マージンを検出するための手段と干渉の存在下で信号を復調するための手段とが準備されれば、より多くの通信手段が、割り当てられた帯域幅を利用することができるという意味で、非効率的であるといえる。
【００１５】
マルチユーザレシーバの試みがなされ、理論的な基本原理に基づく主題に関する論文が数多く発表されているが、これらには、全体的な欠陥も含まれている。あるマルチユーザの方法は、最初のステージですべてのユーザ信号を復調し、各ユーザのための干渉レプリカを形成する。続く処理で、所望の信号を除くすべての干渉レプリカは、干渉を除去するために受信された入力信号から減算される。次のステージでは、最初のステージで取得された信号を用いることにより、所望の信号について再び復調が実行される。その結果、ユーザ信号品質は、最初のステージに比べて改善される。そのため、この処理を多段階構成で数回繰り返すことにより、干渉消去特性が次第に改善されることは容易に理解される。他のレシーバは、干渉を消去するため、直列構成をとっている。各ステージで干渉消去を実行する際、干渉レプリカはステージ間で送信され、干渉レプリカはメモリに格納される。ここでの欠陥とは、一連の消去が実現可能であるためには、信号の振幅が十分に異なっていなければならないことである。干渉する振幅は任意であるため、そのような状況は、まれにしか起こらない。さらに、連続的な干渉消去は、残差信号を歪ませる傾向があるため、ある時点において、消去処理は、対象となる信号を回復不能にする。
【００１６】
米国特許５，５９６，４３９（’４３９）は、全二重リンクが単一のチャネルに適合するように、減算されることを許容する送信デジタル変調の一形態を開示している。この方法は、二重リンク上で１対の送信を行うために用いられ、本明細書に記載された本発明の方法を補完するものである。基準信号は、減算してもよい周知の波形であるため、そこに記載されているジョイント検出法は、基準信号法と連携する。しかしながら、本発明の方法は、より一般的である。参照した‘４３９特許の方法は、信号の一方が、その方法を用いる端末によって送信される場合の二重リンク上の１対の信号に適用される。本発明の方法は、すべての信号を一緒に復調するのに十分な信号対ノイズマージンが存在することを条件として、同じチャネル上の任意の数の干渉デジタル信号に適用される。
【００１７】
別の技術では、メインパス信号以外のマルチパス信号が干渉すると見なされ、マルチパス信号は、所望の信号を得るための合成には用いられない。マルチパスは、本発明およびその他多くの方法の設計によって扱われる別の問題である。
【００１８】
限られた帯域幅の範囲で既存のインフラストラクチャに、より多くのユーザを追加する必要があることは、広く認識されている。これまでのマルチユーザシステムの試みでは、理論的なモデルから実用モデルに移行する段階において障害があった。本発明は、実用モデルを記載している。必要なものは、通信者の数とチャネルの有効帯域幅とを最大化するために、干渉およびノイズの環境を考慮することにより、割り当てられたチャネルに通信手段を動的に割り当てる通信ネットワークを提供する、より効率的な通信システムである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、ここで説明された従来技術の問題に鑑みてなされたものである。したがって、本発明の全体的な目的は、ここで説明された問題を解決することができる新規の有用な装置および技術を提供することである。
【００２０】
したがって、目的は、通信手段の数とチャネルの有効帯域幅とを最大化するために、干渉およびノイズの環境を考慮することにより、割り当てられたチャネルに通信者を動的に割り当てる無線通信ネットワークを提供することである。もう一つの目的は、干渉およびノイズの存在下でデジタル信号を復調できるモデムを提供することである。さらなる目的は、同じチャネル上の複数のデジタル信号を復調できるモデムを提供することである。
【００２１】
さらに、目的は、干渉信号のレベルよりもはるかに低い電力レベルで送信されたデジタル信号を復調することができるモデムを提供することである。また、さらなる目的は、通信チャネルの干渉およびノイズの環境を測定できるモデムを提供することである。さらなる目的は、通信手段の数とチャネルの有効帯域幅とを最大化するために、チャネル内の過度の電力マージンを完全に消費することを考慮しつつ、通信チャネルを動的に割り当てる無線制御部を提供することである。また、さらなる目的は、１つのネットワーク構成要素がネットワーク制御部として機能する用途に、この技術を応用することである。
【００２２】
別の目的は、中央ネットワーク制御部なしに動作するメッシュ無線ネットワークに、この技術を応用することである。さらなる目的は、ネットワーク内で動作する従来のモデムを交換せずに、帯域幅効率の高いモデムを既存のデジタルネットワークに追加するための手段を提供することである。本発明の装置は、チャネルにおける干渉およびノイズを測定し、制御チャネル上で情報を信号伝達し、スケジューリング部から動的チャネル割り当てを受け取り、干渉およびノイズの存在下でＱＰＳＫおよびＢＰＳＫ信号を復調することができると共に、主信号よりも強いノイズおよび干渉の存在下でＢＰＳＫおよびＱＰＳＫデータ信号から情報を再生することができる復調部と、チャネルにおけるノイズおよび干渉のレベルを測定するための検出部と、ノイズおよび干渉の測定値を中央ネットワーク制御部に送信するための制御部と、ネットワークスケジューラによってチャネル割り当てを決定すると共にモデムを正しい送受信チャネルに設定するための制御部とを備える、デジタル無線モデムを提供する。
【００２３】
本発明の一実施形態では、通信システム内の過度のマージンを取得するために、ジョイント検出およびスケジューリングが用いられる。この機能を備えるモデムは、通信チャネル内で利用可能な過度のマージンを活用する。マージンは、もとより利用可能なものであり、モデムは、ここで説明した処理機能を利用することで、衛星、ケーブル、無線ＬＡＮ、携帯電話、および移動無線通信などの用途に対して、帯域幅をより効率的に割り当てる。この変調／復調装置の原理は、与えられた帯域幅内に、より多くのユーザおよび信号を収容することが役立つ多くの用途に適用される。例えば、移動無線通信を例にとると、中央送信手段が、衛星トランスミッタと同様であり、スター構成を用いているため、与えられた帯域幅に、より多くの信号／ユーザを収容できるようになる。携帯電話システムにおいては、例えば、トラック運送会社、警察、タクシーが、独自の携帯無線通信システムを構築し、現在のシステムが所定のスペースにより多くのユーザを収容できる衛星のスペースを借りることができる場合に有用である。
【００２４】
本発明の目的は、さらなるユーザをシステムに追加することができるか否かを決定するための、マルチユーザ環境における帯域幅効率の高いモデムであって、入力受信信号をベースバンド波形に処理するためのフロントエンド部を備えたモデムである。ベースバンド波形のパラメータ推定および復調を実行するベースバンド波形プロセッサであって、各干渉信号の推定値を再構成すると共にノイズ電力を算出するためのデジタル信号プロセッサを備える、ベースバンド波形プロセッサが備えられている。なお、ノイズの電力は、追加のユーザを追加するのに十分なノイズマージンが存在するか否かを決定するために用いられ、再構成は、パラメータ推定および復調からのデータを必要とする。波形生成部は、チャネル通信を処理するために用いられる。なお、チャネル通信は、メッセージおよび信号情報からなり、システムに伝達される。
【００２５】
別の目的は、帯域幅効率の高いモデムであって、さらに、送受信のためにフロントエンド部に結合されたダイプレクサを有する一つのアンテナを備える、モデムである。あるいは、モデムは、フロントエンド部に結合された受信アンテナと送信アンテナとを用いることもできる。ハードワイヤを用いる変形例では、アンテナは必要ない。
【００２６】
さらなる目的は、帯域幅効率の高いモデムであって、パラメータ推定は、パラメータ推定器によって実行され、振幅、搬送波の位相、搬送波の周波数、符号レート、および符号の位相を、干渉信号の各々に対して推定するモデムである。さらに、復調は、ベースバンド波形プロセッサのジョイント検出部によって実行することが可能であり、ジョイント検出部は、干渉信号を復調すると共に、各信号に対して１組のビット値およびビットエラー率を生成する。また、さらなる目的において、復調は、最適最尤マルチユーザ検出（ＭＵＤ）、最尤ＭＵＤ、最尤シーケンス推定、連続干渉消去、ＴｕｒｂｏＭＵＤ、反復ＭＵＤ、および線形代数ベースのＭＵＤの中から選択された処理方式である。さらにまた、復調は、情報信号よりも強いノイズおよび干渉の存在下でベースバンド波形を処理する。
【００２７】
本発明の目的は、通信ネットワークのための帯域幅効率の高いシステムであって、トラフィックチャネルおよび信号伝達チャネルによってネットワークにそれぞれ相互接続された複数の帯域幅効率の高いモデムを備え、モデムは、トラフィックチャネルにおける干渉およびノイズのレベルを処理して、トラフィックチャネルの情報信号を再生すると共に、信号伝達チャネルを介してネットワークと通信するシステムである。中央ネットワークコントローラが、帯域幅効率の高いモデムに結合されており、そのコントローラは、各トラフィックチャネルの信号品質を監視すると共に、干渉およびノイズのレベルに応じて、帯域幅効率の高いモデムへの動的なチャネル割り当てを実行する。
【００２８】
さらに別の目的は、帯域幅効率の高いシステムであって、ネットワークは、混成であり、さらに、帯域幅効率の高いモデムとネットワーク上で共存する１以上の既存モデムを備える、システムである。さらに、ネットワーク上のモデムを接続するための手段は、双方向チャネル、ハブ経由の間接的な手段、およびハードワイヤ経由の直接的な相互接続、の中から選択される。また、チャネル通信のやり取りは、ネットワークコントローラからの要求、時間間隔、および測定された信号レベル、の中から選択された条件に基づく。さらに、帯域幅効率の高いシステムにおいて、チャネル通信は、チャネル状況パラメータと、チャネルサービス要求メッセージと、ネットワークメッセージとを備える。帯域幅効率の高いシステムは、帯域幅効率の高いモデムの各々がネットワークコントローラとして機能する場合には、冗長性を提供するスターネットワークまたはメッシュネットワークとして、モデムに結合されることができる。
【００２９】
本発明の目的は、複数の帯域幅効率の高い端末に結合されたネットワークコントローラを有する通信ネットワーク上でチャネルを効率的に割り当てる方法であって、各端末において受信信号をベースバンド波形に処理する工程と、ベースバンド波形のチャネルにおける干渉およびノイズのレベルを測定する工程と、干渉およびノイズのレベルを端末からネットワークコントローラに送信する工程と、干渉およびノイズのレベルに基づいてネットワークコントローラにおいてチャネル割り当てを処理する工程と、送信および受信チャネル割り当てをネットワークコントローラから端末に送信する工程とを備える方法である。
【００３０】
さらなる目的は、チャネルを効率的に割り当てる方法であって、さらに、十分な信号対ノイズマージンがある場合に、帯域幅効率の高いモデムを、他のモデムがすでに占めているチャネルに割り当てる工程か、チャネルがレガシー端末によって占められているときには、搬送波対干渉レベル条件の範囲に収まるほど十分に低く信号レベルを設定する工程、もしくは、チャネルが帯域幅効率の高い端末に占められているときには、十分に高く信号レベルを設定する工程のいずれかを備える方法である。最後の目的は、効率的にチャネルを割り当てる方法であって、測定工程は、パラメータ推定工程と復調工程とを備える方法である。
【００３１】
本発明のその他の目的および利点は、本発明を実施するに当たって考慮される最良の形態を例として、本発明の好ましい実施形態のみを示して説明した以下の詳細な説明から、当業者にとって明らかとなる。明らかに、本発明は、本発明から逸脱しない範囲で、様々な自明の点で、その他の様々な実施形態をとることが可能であると共に、その詳細の一部においては、変形例が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本明細書で開示されているネットワークモデムの方法および実施形態は、干渉者による高性能リアルタイム処理を提供する先進的な通信の実施を可能とする。好ましい実施形態は、本発明の範囲内の数多くの変形例および応用例に適用可能な装置および処理の例示にすぎない。
【００３３】
図１は、衛星トランスポンダ１６を通して通信する端末１２ないし１５のネットワーク１０の一例を示す。衛星トランスポンダ１６は、信号中継手段の一実施形態であり、同様の機能を実行するその他の手段としては、地上２地点間無線マイクロ波通信のための中継タワーやローカルエリアネットワークのための固定式トランスポンダが挙げられる。物理的手段は異なるものの、本発明を用いるために必要なネットワークアーキテクチャは同一である。さらに、端末が、中継手段を介しての送信を行わずに直接通信する場合も、本発明の範囲に含まれる。
【００３４】
各々の場合において、ユーザ端末１２ないし１５は、図１に示すように、中継手段を通して放射される双方向トラフィックチャネル２０ないし２３を用いて、他の端末とペアワイズを通信する。これらのチャネル２０ないし２３は、周波数分割多元接続方式（ＦＤＭＡ）の別々の周波数、時間分割多元接続方式（ＴＤＭＡ）のタイムスロット、符号分割多元接続方式（ＣＤＭＡ）の符号、または、複合型の形式を含む任意の他の信号分配手段に従って割り当てられてよい
【００３５】
帯域幅および伝播状況は両方とも、ネットワーク１０内の個々の端末１２ないし１５によって異なっている。図１の例では、端末１２は、雲２５の存在により伝播状況が悪くなっているが、その他の端末は、視界方向がクリアな伝播状況により過度の信号マージンを有することができる。当業者に周知のように、信号の通信に影響しうる要因は数多く存在し、雲２５は、１つの要因に過ぎない。
【００３６】
ネットワーク制御端末１５は、トラフィック通信チャネルを他の端末１２ないし１４に割り当てる。ネットワーク制御端末１５は、信号伝達チャネルを用いてチャネル割り当てを通信する。本実施形態における信号伝達チャネルは、双方向トラフィックチャネル２３に含まれる。双方向トラフィックチャネル２３の信号伝達チャネルは、トラフィックチャネルにおける端末間の通信を維持するために必要なチャネル割り当て、状況メッセージ、およびその他のアクティビティを信号伝達するために用いられる。この信号伝達チャネル２３は、制御部と各ユーザ端末との間の専用リンクであってもよいし、共有チャネルであってもよい。信号伝達は、データトラフィックに比べて頻度が低く、スループットが小さいため、専用リンクである場合には、信号伝達チャネル２３の帯域幅は、一般に、トラフィックチャネルの帯域幅よりもはるかに小さい。また、ＡＬＯＨＡプロトコル、キャリア検知多重アクセスプロトコル、もしくはその他の共有チャネルプロトコルを用いて、信号伝達チャネルを共有チャネルとして実施することも可能である。
【００３７】
ネットワーク１０は、ネットワーク内の端末の一部が従来のレガシーモデムを用いている一方で、その他の端末が本明細書に記載された帯域幅効率の高いモデムを用いているという意味で、混成のネットワークである。チャネル通信は、図１に示すように、双方向チャネル２０ないし２３を介して端末間で直接的にやり取りされてよい。また、ハブを介して間接的にやり取りされてもよいし、ハードワイヤ相互接続を介して直接的にやり取りされてもよい。ネットワークチャネルの通信容量は重要であるが、その実施手段は、多くの形態で実現される。
【００３８】
一実施形態において、帯域幅効率のよいモデムの各々は、ネットワーク制御端末として動作することができる。任意の端末の内部ハードウェア構成要素およびマイクロプロセッサが、通信を調整するための主ネットワークコントローラとして機能することができる。ネットワーク制御端末の選択は、端末が、他のトランスポンダすなわち他の端末に対して、最高の信号出力と最高の通信能力とを有するか否かに基づいて行うことができる。現在のネットワーク端末において遮断や故障が起こった場合には、別の端末が制御を実行することが可能である。
【００３９】
ネットワーク制御端末１５は、ネットワーク内の各端末１２ないし１４の状況を監視することにより、各ユーザが、所望のデータスループット率にできる限り近い動作を実現できることを可能にする。ネットワーク制御端末１５は、ネットワーク１０のすべての端末によって通信されるビットエラー率で表される各端末１２ないし１４の信号品質を監視する。端末１２ないし１４のうち１以上の端末は、信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）および信号対干渉（Ｓ／Ｉ）のレベルも報告する帯域幅効率の高いモデムであってよい。ネットワーク制御端末１５は、強い干渉の存在下で信号を復調するために、帯域幅効率の高いモデムの能力を引き出すように、トラフィックチャネルを割り当てる。
【００４０】
具体的には、十分な信号対ノイズマージンが存在する場合、ネットワーク制御端末１５は、帯域幅効率の高いモデムを備える端末を、他の端末によってすでに占められているチャネルに割り当てる。チャネルがレガシー端末によって占められている場合には、信号レベルは、レガシー端末に対する搬送波対干渉レベル条件の範囲内に収まるほど十分に低いレベルに設定される。チャネルが帯域幅効率の高い端末によって占められている場合には、信号レベルは、より高く設定されるが、他のモデムが同一チャネルを占めている状態でも、両方の端末が信号を復調するのに十分なほど低く設定される。
【００４１】
図２は、帯域幅効率の高いモデム５０の全体のアーキテクチャを示す。信号は、受信アンテナ５２を通してフロントエンド５４に入る。アンテナ５２、７４に到達する信号は、複数ユーザと、マルチパスと、その他の干渉信号とを含む。別個の受信アンテナ５２および送信アンテナ７４を備えてもよいし、受信と送信とを切り換えるダイプレクサを備える単一のアンテナを用いてもよい。一部の例では、アンテナ５２、７２は、ネットワークモデムアセンブリの一体部分であるが、他の例では、外部アンテナを用いてもよいし、ケーブルモデムなど無線ではない用途で信号が送信される場合にはアンテナが無くてもよい。
【００４２】
フロントエンド５４は、一般に、増幅およびダウンコンバートを実行する機能を有するものであり、通例、アンプ、フィルタ、ミキサを備え、波形をデジタル化するためのデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータによって、ＲＦ信号をベースバンド信号にダウンコンバートする。ダウンコンバートにより、搬送波成分の一部または全部が除去され、ベースバンド信号が残される。あるいは、コンピュータの処理速度が速い場合には、Ａ／Ｄコンバータを介してＲＦ成分なしに、受信信号を簡単に処理することができる。フロントエンド部の機能および設計は、当業者にとって周知のものである。
【００４３】
このフロントエンドレシーバ５４の出力は、ベースバンド波形５６であり、ベースバンドプロセッサ５８への入力となる。それは、デジタルサンプリングによって生成されたＲＦ信号のビット波形での表現である。
【００４４】
ベースバンドプロセッサ５８は、本明細書に記載されたようにデジタル信号処理を用いることにより、異なるトランスミッタによって同一の通信チャネルで同時に送信される信号を分離する。ベースバンドプロセッサの出力６０は、干渉するチャネル上の対象トランスミッタからのデータと、信号伝達チャネル２３からの信号伝達データと、各トラフィックチャネル上の干渉信号に関する情報とを生成する。メッセージおよび信号伝達データは、干渉の存在下で動作するよう設計されていない従来のレガシーモデムと同様、モデムの動作のために要求される。干渉信号に関するデータも、複数の通信者が同一チャネルで同時に送信する飽和または過負荷の環境で動作するために要求される。本発明と組み合わせて実施可能な作業は、信号消去の方法を含めて数多く存在する。
【００４５】
具体的には、ベースバンドプロセッサ５８は、チャネル上のすべての干渉信号の電力レベルと、チャネル熱雑音レベルと、チャネルの各信号に対する推定ビットエラー率とを算出する。定期的に、このデータは、図１に示すように信号伝達チャネル２３を介してネットワークコントローラ１５に送信される。
【００４６】
ネットワークコントローラ１５への定期的な送信は、要求、時間、その他の信号の発生に基づいて実行できる。例えば、要求は、コントローラ１５から帯域幅効率の高いモデムの各々に、すなわち、放送メッセージを介して送信される。モデムデータの定期的な送信のための時間間隔は、固定された所定の時間間隔でもよいし、ランダムな時間間隔であってもよい。最後に、定期的な送信は、データ送信のトリガーとなる特定の測定値に基づいてもよい。ネットワークコントローラ１５は、この情報を用いて、割り当てられた帯域幅を効率的に利用しつつチャネル割り当てを実行する。この図に示すビット処理コンピュータ７０は、従来のモデムで実行するのと同様に、エラー訂正と、デスクランブルと、パケットフォーマットとを実行する。
【００４７】
図２は、さらに、データブロックをネットワークに送るためのモデム用データ送信パスを示している。このデータは、メッセージ情報および信号情報からなり、そのデータのビットは、波形生成部７２への入力として、ビットプロセッサ７０においてフォーマット、スクランブル、およびエンコードされる。波形生成部７２は、当業者に周知の方法でベースバンド変調デジタル信号を生成する。変調は、２位相偏移変調、４位相偏移変調、ガウス最小偏移変調、直交振幅変調、または、その他の周知のデジタル変調であってよい。このベースバンド波形は、フロントエンド５４において搬送波周波数にアップコンバートされて増幅され、送信アンテナ７４を通して送信される。チャネルを介しての情報の送受信を時間多重化することにより、単一のアンテナを送信および受信に用いることは、本発明の範囲内である。
【００４８】
図３は、ベースバンド波形プロセッサ５８を、より詳細に示している。このプロセッサ５８は、チャネルのデータレートの必要に応じてＡＳＩＣ、ＦＰＧＡのプログラム可能デジタル信号処理チップまたはマイクロプロセッサを用いてデジタル信号処理を実行する。なお、いかなる処理形式を言及する場合にも、デジタル信号プロセッサという、より一般的な用語を用いることとする。入力として、チャネル上の干渉信号が、同期部８０に送られる。この同期モジュール８０は、パラメータ推定部とも呼ばれ、通例、通信リンクの各干渉信号に対する振幅、搬送波の位相、搬送波の周波数、符号レート、および符号の位相を推定する。同期モジュールは、モデムがデータを受信している間、連続的にこれらのパラメータを推定および追跡し、フェーズロックループと同様のトレーニングおよび取得フェーズが存在する。多数のパラメータ推定部が存在するが、一実施形態が、公開米国特許ＵＳ  ２００２／００３７０６１  Ａ１「Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒ  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇ  Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ  Ｍｄｕｌａｔｅｄ  Ｓｉｇｎａｌｓ」に記載されており、本文献は、引用として本明細書に組み込まれる。
【００４９】
すべての干渉信号パラメータの正確な推定を維持するために、同期部８０は、ジョイント検出部８２からの復調出力を用いる。ジョイント検出部８２は、同期部８０によって推定されたパラメータと、入力干渉信号とを用いて、チャネルを介して各干渉信号によって送信されるビットの値を推定することにより干渉信号を復調する。ジョイント検出部８２は、様々なパラメータを追跡すると共に、各干渉信号に対して符号を推定する信号コンスタレーションを生成する。
【００５０】
ジョイント検出部８２の復調は、マルチユーザ検出（ＭＵＤ）技術、または、その他任意の適した形態の復調を用いて、信号を分離することができる。マルチユーザ検出（ＭＵＤ）とは、非直交の多重化におけるデータの検出である。ＭＵＤレシーバは、共通チャネルの干渉デジタル信号を一緒に復調するものであり、従来技術においては、最適または最尤ＭＵＤ、複数の干渉ユーザのための最尤シーケンス推定器、連続干渉消去、ＴｕｒｂｏＭＵＤまたは反復ＭＵＤ、および、Ｓｅｒｇｉｏ  Ｖｅｒｄｕによる有名な教科書「Ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」に詳説されているような、様々な線形代数ベースのマルチユーザ検出器を含む、様々なマルチユーザ検出器が存在する。
【００５１】
これらの復調された値は、図２のビット処理コンピュータ７０に出力される。ビット値の推定値を生成することに加え、ジョイント検出部８２は、さらに、チャネルの各信号に対するビットエラー率の推定値を生成する。ビット値およびビットエラー率の決定方法を、さらに詳しく説明する。ビットの推定値は、さらに、同期部に送り戻される。
【００５２】
図４は、ビット処理コンピュータ７０が、チャネルにおける各干渉信号の電力レベルと、残りのランダムな熱雑音電力とを推定する様子を示している。ジョイント検出部８０からのビット推定値と同期部８２からのパラメータ推定値とを用いて、ビット処理コンピュータ７０は、各干渉信号の推定値を再構成する。この処理は、衛星端末や無線ＬＡＮ端末などにおいて制御端末のスケジューラが、各要素の経験するサービス品質に依存することから、信号であれノイズであれ、チャネルにおけるすべての干渉信号の電力を知ることを要求する。ビットプロセッサ７０は、チャネル内のすべての通信手段に対する信号対ノイズ比（ＳＮＲ）および搬送波対干渉比（ＣＩＲ）を算出する。
【００５３】
かかる算出には、すべての信号モデルを加算する工程と、チャネル内の合計信号電力とチャネル内の合計電力とを比較する工程と、信号ノイズを算出する工程が必要である。ノイズ電力は、互いに信号を加算するのに十分なマージンがチャネル内に存在するか否かを決定するために必要とされる。
【００５４】
信号の再構成は、パラメータ推定による振幅および位相と、ベースバンド波形プロセッサからのビットとを用いて、信号モデルを生成することにより実行される。信号モデルは、以下の式に従って生成される。
【００５５】
【数１】
2004535702.tif 000003
【００５６】
ここで、
Ａは、信号の振幅、
ｐｈｉは、搬送波の位相および周波数のオフセット、
ｂは、推定されたビットストリーム、
Ｓｐｈｉは、符号の位相であり、
ｍは、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、またはその他のデジタル変調といった変調機能を表す。
【００５７】
この機能は、システム内のすべてのモデムにとってシステムの設計仕様の一部として知られる符号パルス波形も含んでいる。これらのモデル信号は、再変調信号とも呼ばれる。
【００５８】
図４によると、線形代数処理は、以下のように実行される。
【００５９】
【数２】
2004535702.tif 000004
【００６０】
ここで、
Ｘ＝受信信号、
Ｓ＝送信情報信号
ｎ＝熱雑音
【００６１】
【数３】
2004535702.tif 000005
【００６２】
【数４】
2004535702.tif 000006
【００６３】
ここで、ＰsはベクトルＳの平均を示し、Ｎはサンプル数を示す。これは、受信信号電力の合計であり、全受信信号Ｘの信号成分である。個々の信号８０は、Ｎ個の信号サンプルの各々に対して加算器８５によって加算され、Ｐsを生成するために処理される。
【００６４】
【数５】
2004535702.tif 000007
【００６５】
ここで、Ｐnは、ベクトルｎの平均を示しており、図４に従って、加算された信号から全受信信号Ｘを減算８７してＰnを生成することにより計算される。ＳＮＲは、Ｐs／Ｐnの比である。
【００６６】
熱雑音は、環境やレシーバ（例えば、レシーバ内の抵抗器）からのノイズのランダムな成分である。いくつかの予測可能な特性を有するいくつかの形態のノイズを含む他の構成要素が存在するため、ある程度構造化された形態を有する任意の受信成分が、処理可能である。
【００６７】
同期部８０からの各特性の推定値から、以下の式に従って、搬送波対干渉比（ＣＩＲ）の推定値が得られる。
【００６８】
【数６】
2004535702.tif 000008
【００６９】
ここで、Ａkは、信号Ｋの振幅の推定値であり、Ｓは、全受信信号の平均振幅である。
【００７０】
残差ノイズ信号は、ベースバンド波形から各干渉信号モデルを順次減算することにより得られる。モデル信号がベースバンド波形から減算されると、以下の式から、チャネルＳＮＲが求められる。
【００７１】
【数７】
2004535702.tif 000009
【００７２】
ここで、Ｐkは、残差信号の平均振幅である。ＳＮＲは、信号ｋに利用可能なチャネル能力を決定するための重要な基準となる。
【００７３】
干渉信号は、決定論的な変調構造を有するため除去可能であるが、ホワイトガウスノイズなど、残差熱雑音の一部の要素は、ランダムかつ予測不能であるため、推定不可能でありチャネルから除去できない。しかしながら、統計的に推定または決定できる任意のノイズ要素はフィルタリング可能であり、その結果、性能の向上が可能である。
【００７４】
表Ａは、モデムビット処理コンピュータ７０内に設けられた制御チャネル信号伝達インターフェースコントローラを動作させるために必要なメッセージおよびパラメータの一覧である。そのコントローラは、ネットワークコントローラと通信して、最適な方法で通信手段にチャネルを割り当てる。メッセージは、３つのカテゴリに分けられる。チャネル状況パラメータは、チャネルの現在の過度の容量を推定するために用いられる。これらのパラメータは、チャネルにおける搬送波対干渉レベルと、信号対熱雑音レベルと、実際のビットエラー率とを含む。チャネルサービス要求メッセージは、割り当てを実行するために用いられると共に、ユーザ端末にチャネルを開放するために用いられる。これらのメッセージは、ユーザ端末によって開始され、ネットワークコントローラに送られる。端末に送られたネットワークメッセージは、状況クエリと、チャネル再割り当てと、電力とを含む。
【００７５】
【表Ａ】
2004535702.tif 000010
【００７６】
図５は、モデムコントローラ９０を示す。その機能は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡのマイクロプロセッサ、ＤＳＰ、プログラム可能なプロセッサのソフトウェアモジュール、または、これらの要素の組み合わせ、として実現されてよい。好ましい実施形態は、実施の時点における、チャネルメッセージレートと、構成要素の技術水準とに依存する。入力ビットストリームは、モデムコントローラ９０に送信される前に、ジョイント検出部８２においてエラー訂正される。エラー訂正されたビットシーケンスは、デスクランブラ９２においてデスクランブルされる。デスクランブルされたデータは、次いで、フレームプロセッサ９４においてフレームフォーマットされ、逆多重化されて、ユーザ端末からのメッセージビットを生成する。
【００７７】
インターフェースプロセッサ１０は、入力データストリームから制御信号を抽出し、制御メッセージをデコードする。それらのメッセージは、表Ａに示されている。インターフェースプロセッサ１００は、図に示すように、受信されたメッセージに応じて複数のメッセージを送信してもよい。制御信号インターフェース１０２は、インターフェースプロセッサの入力に基づいてデータチャネルを選択する。
【００７８】
制御信号インターフェースプロセッサ１０２は、信号伝達チャネルを介してネットワーク制御部に干渉データを送信する。そのプロセッサは、モデムの送信および受信チャネルを設定する。
【００７９】
モデムコントローラ９０は、さらに、正しい入力チャネルを選択すると共に正しい出力チャネルに対して送信ビットを多重化するためのチャネル選択部９６、１０４を備える。モデムコントローラ９０は、適切なヘッダビットおよびテールビットを備える正しいフレームすなわちパケット構造にデータをフォーマットする。モデムコントローラ９０は、次いで、通信プロトコルに適合するように、随意的にエラーエンコードおよびスクランブルを実行する。フォーマットされたビットシーケンスは、デジタル変調のために、図２に示した波形生成部に入力される。
【００８０】
表Ｂは、ネットワーク制御部の動作をまとめた表である。制御部は、４つのネットワークモードに従ってチャネルを割り当てる。「アップリケ」無線機は、図３に示した改良復調部を備える。「レガシー」無線機は、改良していないネットワーク無線機である。本発明では、改良された帯域幅効率の高い無線機がネットワークに追加されているため、ネットワークの性能が改善されている。帯域幅の利用を改善するために、レガシー無線機すべてを置き換える必要はない。多くのレガシー無線機を置き換えるほど、ネットワーク全体の能力は向上する。
【００８１】
【表Ｂ】
2004535702.tif 000011
【００８２】
モードは、計算された干渉パラメータについてネットワーク要素を定期的にポーリングすることにより決定される。干渉パラメータは、チャネルで提供されるサービス品質の尺度を与える。異なるレベルのネットワークサービスに対する総需要に対応する４つのモードがある。
【００８３】
１．「クリア」モードでは、各端末は、専用のチャネルを有し、良好な伝播を享受して、エンコードが軽く全容量で通信している。このモードは、従来の無線ネットワークによって用いられる。
【００８４】
２．「デンス」モードでは、クリアなチャネル能力が許容するよりも多くの要求が存在する。ネットワークコントローラは、ネットワーク内で動作する帯域幅効率の高いモデムを識別して、同一チャネルに帯域幅効率の高いモデムをペアで割り当てることにより、さらなる帯域幅を割り当てる。例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤが帯域幅効率の高いモデムを用いるユーザ端末である場合に、「ＡがＢに送信するための」通信チャネルおよび「ＢがＡに送信するための」通信チャネルが、同時に、「ＣがＤに送信するための」通信チャネルおよび「ＤがＣに送信するための」通信チャネルとして、それぞれ割り当てられる。
【００８５】
３．「飽和」モードでは、すべての帯域幅効率の高いモデムは、２、３、またはそれ以上のモデムが、伝播およびＳＮＲの状況が許容する範囲で、同一チャネル上で同時に送信を行うように、通信チャネルにパッキングされている。したがって、ネットワークコントローラは、強い干渉の存在下では信号を復調できないレガシーモデムによって占められたチャネルに、帯域幅効率の高いモデムを割り当て始める。これらの割り当ては、レガシー無線機が、良好な配置場所および伝播のために十分なダウンリンクマージンを有する場合に実行可能であり、ノイズ電力よりも十分に高い帯域幅効率の高いモデムの動作を可能とし、さらに、レガシー復調器と干渉しないように十分に低い電力での信号の再生を可能とする。電力レベルの例が、表Ｄに示されている。
【００８６】
４．「劣化」モードでは、ネットワークコントローラは、帯域幅効率の高いモデムに信号を送り、符号化の冗長性を増大させる。このモードは、あまりに多くの端末が、利用可能なチャネル帯域幅および伝播に対して通信を試みた場合に起きる。リンクは、将来の特許に記載される技術を用いて、より低いスループットで全チャネルに対して維持される。
【００８７】
表Ｃは、ネットワークコントローラが用いるチャネル割り当てアルゴリズムをまとめたものである。このアルゴリズムは、チャネルスケジューラによって定期的に実行される。一実施例では、各端末が、通信状況、チャネルスケジューリングおよび制御を通信するための１つの制御スロットを有するように、スーパーフレーム当たり、すなわち、フレームのセット当たり１回の走査を実行する。
【００８８】
【表Ｃ】
2004535702.tif 000012
【００８９】
ネットワークスケジューラは、ビットエラー率の形態の信号伝達チャネルに関するサービス品質報告、搬送波対干渉レベル、および信号対熱雑音レベルを監視することにより、絶えずチャネルを走査する。サービス品質のマージンの高いチャネルは、帯域幅効率の高いモデムにとって利用可能である。低いサービス品質が存在する場合には、モデムは、よりクリアなチャネルに再割り当てされる。どちらかと言えば、レガシーモデムは、よりクリアなチャネルを用いることになる。ネットワークに追加された帯域幅効率の高いモデムは、かなりの干渉、特に、他の帯域幅効率の高いモデムからの干渉が存在するチャネルでも動作可能である。
【００９０】
表Ｄは、チャネル割り当て行列を示す表である。すでに、他のモデムが、強い干渉の存在下でデジタル信号を復調する能力なしに動作する無線ネットワークに、帯域幅効率の高いモデムが追加された状況に対応するために、モデムは、２つのクラスに分けられている。
【００９１】
【表Ｄ】
2004535702.tif 000013
【００９２】
チャネル上における送信モデムおよび受信モデムの可能な組み合わせには、４つの場合がある。各モデムは、リンクの良好な動作に必要な共通の最小信号対熱雑音条件を有する。このＳＮＲ値は、デジタル通信理論でよく知られており、統計的な推定理論からクレーマー・ラオ限界を用いて導くことができる。示されている値は、ある特定の変調およびエンコード方式を代表する値である。したがって、実際の値は様々である。最小搬送波対干渉の値は、レガシーモデムと帯域幅効率の高いモデムとの間で異なる値である。レガシーモデムは、干渉をランダムな熱雑音として扱い、最大許容熱雑音に匹敵する干渉の存在下では、その対象となるトランスミッタを復調することができない。
【００９３】
逆に、帯域幅効率の高いモデムは、両方の信号のレベルが、熱雑音の電力レベルを超える最小値に近い場合に、その対象となる送信と任意の干渉送信とを一緒に復調するよう設計されている。したがって、帯域幅効率の高いモデムは、その搬送波対干渉の比が、１よりもはるかに小さい環境で動作できる。但し、実際の値は、実施の詳細によって決まる。
【００９４】
図６は、６つの衛星端末２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、および２１２が、トランスポンダ２００を介して通信を共有している例を示す。３つのレガシー端末２０２、２０４、２０６と、３つの帯域幅効率の高い端末２０８、２１０、２１２が存在する。すべての通信が全２重であるため、各リンクは、２つのチャネル割り当てを必要とする。チャネルおよび端末の割り当ては、表Ｅに示された規則に従って実行される。結果として、６つの通信リンクを提供するために必要な物理通信チャネルは、４つだけになる。さらに、チャネル１ないし３に十分な信号マージンが存在する場合には、さらなるモデムを追加してもよい。
【００９５】
【表Ｅ】
2004535702.tif 000014
【００９６】
各レガシー端末は、専用の受信チャネルを確保する。干渉の存在下でチャネルを復調することができるため、各アップリケモデム２０８、２１０、２１２はチャネルを共有する。レガシー受信チャネルに十分なＳＮＲマージンが存在する場合には、アップリケモデムの信号を、レガシーチャネルよりも低い電力で送ることにより、さらなるチャネルを共有することもできる。表Ｄによると、ＳＮＲが９ｄＢであるアップリケモデムが、レガシーモデムのＣＩＲ条件９ｄＢと、アップリケモデムのＳＮＲ条件９ｄＢとを満たすには、１８ｄＢのＳＮＲマージンが必要となる。他の復調およびエンコード方式では、ＳＮＲおよびＣＩＲの閾値パラメータが異なる。
【００９７】
図７Ａおよび７ｂには、無線ＬＡＮが示されている。衛星トランスポンダは、一般に、バランスの取れた電力を受信端末に送信するが、無線リンク上の端末が、等しい電力を受信することはない。基本的に、２つの基本型のＬＡＮネットワーク、すなわち、スターネットワークおよびメッシュネットワークがある。図７Ａのスターネットワークでは、すべての通信は、中央ハブ２５０を通過する。図７Ｂのメッシュネットワークでは、様々な端末３１０、３２０、３３０、３４０が、リンクを割り当てるコントローラ３００で相互接続されている。いずれの場合でも、ハブが、通信処理を監視および管理しなければならない。そうでなければ、例えば、ＴＤＭＡシステムでは、１つの端末が通信のためにタイムスロットを取得する場合に、ハブは、重複をスケジューリングすべきではない。
【００９８】
メッシュネットワークでは、制御部３００は、端末の１つが、１以上の他の端末の視界から消えることがある「隠された端末」問題を回避するように選択される。この条件は、制御部が、すべての他の端末によって送信されるサービス品質報告を監視できることを定期的に確認することにより実現される。
【００９９】
本システムの利点は、任意の帯域幅効率の高い端末が、制御部として機能できる点である。帯域幅効率の高い端末が、故障した場合、すなわち、もはや良好な視界を持たなくなった場合には、より良好な動作特性を有する他の端末が、制御を引き継ぐことができる。
【０１００】
ハブの１つは、主要な役割、すなわち、チャネルの管理、リスニング、およびスケジューリングを担う。例えば、ＴＤＭＡシステムでは、すべてのフレームは、制御セクションおよびデータセクションからなる。本発明は、主に、データ転送を改善するよう意図されたものであるが、制御セクションにおける非効率が許容されることで、通信の壊滅的な障害が防止される。ある端末が、ネットワークコントローラを引き継ぎ、様々な同期信号を送信して、他の端末からのブックキーピング要求を処理する。メッシュネットワークでは、任意の端末がネットワークコントローラになりうる。ハブネットワークでは、すべての通信が中央ネットワーク要素を通過するため、すべてのネットワーク要素へのアクセスが確保されている。
【０１０１】
衛星システムでは、トランスポンダは、バランスの取れた安定した電力を送信する。すべての信号は、様々な端末によって受信される際に、同じに見える。これにより、ネットワークコントローラの１つが機能しなくなった場合に、代わりの端末が引き継いで、自動的にブートストラップを起こすことができるように、冗長性が組み込まれる。
【０１０２】
無線システムでは、送信信号のバランスを取り安定化する特異点がない。システムは、１つのＬＡＮ要素をコントローラとして選択し、信号品質を監視することができる。すべての端末が経験するサービス品質を測定することが困難であることは、容易に理解できる。本発明の処理は、マルチユーザ機能を有するすべての端末上でそのアルゴリズムを実行することを必要とし、すべての端末からのデータを評価する制御部に対して折り返し報告させるようにしてもよい。そうでなければ、過度のＳＮＲマージンが十分にある同一チャネル上で端末をスケジューリングする能力は、すでに説明したものと同じである。
【０１０３】
さらなる用途は、ケーブルモデム分野におけるものであり、ケーブルネットワークは、過度の線形的な電力マージンを有する。ケーブルモデムは、例えば、個々の家に相互接続され、テレビやインターネットの配信を提供することができる。ケーブルモデムはチャネルを共有し、一般に、ケーブルは飽和しないため、さらなる信号を追加する余地は十分にあり、なお、レシーバ部が飽和しない線形状態にある。
【０１０４】
すべてのモデムが、あるレベルの干渉を許容するシステムでは、ジョイント検出機能を備えるモデムのネットワークを組み込むことにより、これらのモデムは、図６に示したように、より多くの信号を抽出できるようになる。ケーブルのノードまたはヘッドエンドが、複数のケーブルモデムのためのコントローラ／スケジューラとなる。さらなるユーザにとって利用可能な電力は、既存の送信によって消費される電力と、チャネルの電力が非線形になり、線形的な電力限界を規定する点との差である。チャネルは、ネットワークの線形電力領域が消費されるまで、利用可能な帯域幅に追加されることが可能である。この結果として、同一のチャネル帯域幅に多数の搬送波を追加することにより、チャネルスループットが増大する。異なる符号化方式や変調方式を用いて、チャネル上にデータを配置することにより、さらなる容量が得られ、したがって、処理を逆転し、最初のチャネルが消費する帯域幅の有効スループットを増大させることによりチャネルからデータを抽出することができる。例えば、線形電力限界が確立されており、１つの送信が消費するチャネル電力マージンが既知である場合には、さらなるユーザにとって利用可能な電力は、直ちに利用できる。
【０１０５】
本発明は、周波数再利用技術に含まれる多数のプロトコルを対象としている。本発明におけるマルチユーザおよびマルチユーザ環境への言及は、複数のユーザのみに言及することに限定されない。マルチユーザという用語は、携帯電話を用いる個々のユーザや、所定数のユーザのための塚の情報信号など、任意の種類の追加ユーザまたは信号に言及する広い意味で用いられる。
【０１０６】
以上、本発明の構造および機能の詳細と併せて、数々の特徴および利点を説明したが、本発明における新規の特徴の一部は、添付の特許請求の範囲において示される。しかしながら、この開示は、例示的なものに過ぎず、添付の請求項で用いられている用語の広義の一般的な意味によって示唆される限りにおいて、本発明の原理の範囲内で、構成や細部が変更されてもよい。
【０１０７】
本発明の目的および利点は、特に添付の請求項に示された手段および組み合わせを用いて、さらなる実現と達成が可能である。したがって、図面および説明は、本質的に例示的なものであり、限定的なものではないと見なされる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】端末が、端末を認識するための中央中継手段、トランスポンダ、制御部、および信号伝達チャネルを通して通信する無線ネットワークの概要を示す図。
【図２】帯域幅効率の高い無線ネットワークモデムの主な構成要素を示す図。
【図３】無線ネットワークモデムのベースバンド波形プロセッサを示す図。
【図４】無線ネットワークモデムの干渉およびノイズ検出部の処理を示す図。
【図５】無線ネットワークモデムコントローラおよび相互接続を示す図。
【図６】レガシー端末と帯域幅効率の高い端末とを併せて用いる衛星トランスポンダの一例を示す図。
【図７Ａ】ネットワークコントローラと帯域幅効率の高いモデムとを相互接続したスターネットワーク型ローカルエリアネットワークを示す図。
【図７Ｂ】ネットワークコントローラと帯域幅効率の高いモデムとを相互接続したメッシュ型ネットワークを示す図。
【符号の説明】
【０１０９】
１０…ネットワーク
１２…端末
１３…端末
１４…端末
１５…ネットワーク制御端末
１６…衛星トランスポンダ
２０-２３…双方向トラフィックチャネル
５０…帯域幅効率の高いモデム
５２…受信アンテナ
５４…フロントエンド
５６…ベースバンド波形
５８…ベースバンドプロセッサ
６０…ベースバンドプロセッサの出力
７０…ビット処理コンピュータ
７２…波形生成部
７４…送信アンテナ
８０…同期部
８２…ジョイント検出部
８５…加算器
８７…減算器
９０…モデムコントローラ
９２…デスクランブラ
９４…フレームプロセッサ
９６…チャネル選択部
１００…インターフェースプロセッサ
１０２…制御信号インターフェース
１０４…チャネル選択部
２０２-２０６…レガシー端末
２０８-２１２…帯域幅効率の高い端末
２００…トランスポンダ
２５０…ハブ
２６０-２９０…端末
３００…コントローラ
３１０-３４０…端末
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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