(57)【要約】  革新的な、ソフトウェア定義のバックチャンネル通信の仕組みが、超低電力装置での使用のために提供される。その技法は、いかなるハードウェア変更を行わずに現存するインフラストラクチャによって実現され得るＷｉＦｉバックチャンネルを通じて異種装置を相互に連結することを可能にする。バックチャンネル通信の仕組みはまた、セルラー４Ｇ−ＬＴＥのような、他のＯＦＤＭベースの通信システムへも拡張され得る。
2018530206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）に従って送信される信号においてメッセージを符号化するための方法であって、
自身からＯＦＤＭシンボルを作り出すためのサブキャリア・シンボルのサブセットであって、直交周波数分割多重のための有限なシンボル空間から選択され、且つＯＦＤＭに従わない受信機によって復調され得る信号を生み出すサブキャリア・シンボルのサブセットを送信機によって識別するステップと、
ＯＦＤＭに従って送信されるべきバックチャンネル・データを、前記送信機によって受信するステップと、
サブキャリア・シンボルの前記サブセットを使用して、前記バックチャンネル・データを、前記送信機によって符号化するステップと、
直交周波数分割多重を使用して、前記符号化されたバックチャンネル・データを、前記送信機によって、無線ネットワークをまたいで送信するステップと、
を備える、方法。
【請求項２】
前記データを符号化するステップは、サブキャリアにわたって実質的に一定の位相回転率でサブキャリア・シンボルの列を割り当て、それにより、ＯＦＤＭシンボルの時間領域に１つ以上のパルスを形成するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、サブキャリア・シンボルの前記列について特定の位相回転率を選択することによって、前記ＯＦＤＭシンボル内のパルスの位置を調節するステップを更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、異なる位相を有する２つ以上の開始サブキャリア・シンボルの１つを選択することによって、前記ＯＦＤＭシンボル内のパルスの位相を調節するステップを更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、異なる振幅を有する２つ以上の開始サブキャリア・シンボルの１つを選択することによって、前記ＯＦＤＭシンボル内のパルスの振幅を調節するステップを更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、サブキャリア・シンボル割り付けについて、１つ以上の位相回転値を使用することによって、前記ＯＦＤＭシンボル内のパルス周波数を調節するステップを更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、サブキャリアにわたって変化する振幅でサブキャリア・シンボルを割り当て、それにより、ＯＦＤＭシンボルのエネルギーが集中する周波数を変調するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記データを符号化するステップは、連続するＯＦＤＭシンボルと同様にサブキャリアにわたって変化する振幅、それによる連続するＯＦＤＭシンボルにわたる変調周波数チャープを伴って、サブキャリア・シンボルを割り当てるステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記サブキャリア・シンボルは、直交振幅変調（ＱＡＭ）に従って定義される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、
前記バックチャンネル・データに対応するサブキャリア・シンボルの望ましい列であって、サブキャリア・シンボルの当該望ましい列のサブキャリア・シンボルは、サブキャリア・シンボルの前記サブセットから選択される、サブキャリア・シンボルの望ましい列を生成するステップと、
サブキャリア・マッピング、インターリービング、及びパンクチャリングの逆動作を使用して、サブキャリア・シンボルの前記望ましい列を中間ビット列に変換するステップと、
スクランブリング及び畳み込み符号化を受けた後、その結果として前記中間ビット列になる入力ビット列に値を割り当てるステップと、
を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、
前記バックチャンネル・データに対応するサブキャリア・シンボルの望ましい列であって、サブキャリア・シンボルの当該望ましい列のサブキャリア・シンボルは、サブキャリア・シンボルの前記サブセットから選択される、サブキャリア・シンボルの望ましい列を生成するステップと、
各サブキャリアについて、与えられたサブキャリアに割り当てられ得るサブキャリア・シンボルの前記サブセットから、選択サブキャリア・シンボルを決定するステップと、
各サブキャリアについて、前記与えられたサブキャリアに割り当てられ得る前記選択サブキャリア・シンボルに部分的に基づいて評価されるコスト関数を、０の送信機入力ビット値及び１の送信機入力ビット値とともに評価するステップと、
前記コスト関数の前記評価に基づいて、送信機入力ビット列に値を割り当てるステップと、
を更に備える、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記符号化されたバックチャンネル・データを送信するステップは、前記符号化されたデータに対して逆フーリエ変換操作を実施するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記符号化されたバックチャンネル・データを送信するステップは、直交振幅変調又は位相シフト・キーイングの１つによって、各サブキャリアを変調するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記送信機によって送信される、前記符号化されたバックチャンネル・データを、受信機によって受信するステップと、前記符号化されたバックチャンネル・データを、前記受信機によって復号するステップと、を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）に従って送信される信号においてメッセージを符号化するための方法であって、
直交周波数分割多重に従って送信されるべきバックチャンネル・データを、送信機によって受信するステップと、
ＯＦＤＭシンボルのサブキャリアにわたって実質的に一定の位相回転率で直交振幅変調（ＱＡＭ）シンボルを割り当て、それにより、前記ＯＦＤＭシンボルの時間領域に１つ以上のパルスを形成することによって、前記バックチャンネル・データを、前記送信機によって符号化するステップと、
直交周波数分割多重を使用して、前記符号化されたバックチャンネル・データを、前記送信機によって、無線ネットワークをまたいで送信するステップと、
前記送信機によって送信される、前記符号化されたバックチャンネル・データを、受信機によって受信するステップと、
前記符号化されたバックチャンネル・データを、前記受信機によって復号するステップと、
を備え、前記受信機はＯＦＤＭに従って動作しない、方法。
【請求項１６】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、ＱＡＭシンボルの前記列について特定の位相回転率を選択することによって、前記ＯＦＤＭシンボル内のパルスの位置を調節するステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、異なる位相を有する２つ以上の開始ＱＡＭシンボルの１つを選択することによって、前記ＯＦＤＭシンボル内のパルスの位相を調節するステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記バックチャンネル・データを符号化するステップは、異なる振幅を有する２つ以上の開始ＱＡＭシンボルの１つを選択することによって、前記ＯＦＤＭシンボル内のパルスの振幅を調節するステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）に従って送信される信号においてメッセージを符号化するための方法であって、
直交周波数分割多重に従って送信されるべきバックチャンネル・データを、送信機によって受信するステップと、
ＯＦＤＭシンボルのサブキャリアにわたって変化する振幅で直交振幅変調（ＱＡＭ）シンボルを割り当て、それにより、前記ＯＦＤＭシンボルの周波数を変調することによって、前記バックチャンネル・データを、前記送信機によって符号化するステップと、
直交周波数分割多重を使用して、前記符号化されたバックチャンネル・データを、前記送信機によって、無線ネットワークをまたいで送信するステップと、
前記送信機によって送信される、前記符号化されたバックチャンネル・データを、受信機によって受信するステップと、
前記符号化されたバックチャンネル・データを、前記受信機によって復号するステップと、
を備え、前記受信機はＯＦＤＭに従って動作しない、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、バックチャンネルを使用した低電力無線通信に関する。
【背景技術】
【０００２】
超低電力（ＵＬＰ）のモノのインターネット（ＩｏＴ）装置のための、革新的な、ソフトウェア定義のＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）バックチャンネル通信が開示される。この技法は、いかなるハードウェアの変更を行うことなく、現存するＷｉＦｉ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇ／ｎ）インフラストラクチャによって実現されることが可能であるＯＦＤＭベースのバックチャンネルを介して、異種のＵＬＰ−ＩｏＴ装置を相互に連結することを可能にする。ＯＦＤＭバックチャンネル信号伝送は、たった数百μＷ（マイクロワット）又はさらにそれ未満の電力しか消費しないＵＬＰ無線受信機によって容易に検出できるという、特有の特性を有する。この技法は、特別な送信機ハードウェア、又は埋め込み型バックチャンネル信号送信のための専用のチャンネル・リソースに対する必要性を排除する。その代わり、注意深く配列されたデータ・ビット・ストリームが、標準に準拠したＯＦＤＭパケットに埋め込まれたバックチャンネル・メッセージを生成する。このＯＦＤＭバックチャンネル通信は、パルス位置変調（ＰＰＭ）、パルス位相シフト・キーイング（ＰＰＳＫ）、又は周波数シフト・キーイング（ＦＳＫ）のような、異種の非ＷｉＦｉ−ＵＬＰ−ＩｏＴ装置によって容易に復調できる、様々な変調形式において実行可能である。ＯＦＤＭバックチャンネル送信は、いかなるハードウェアの変更を行うことなく、現存するレガシーＷｉＦｉ装置（例えば、スマートフォン、アクセス・ポイントなど）上で使用可能にさせることが可能である。この技法によって、ＵＬＰ−ＯＦＤＭバックチャンネル受信機は、商用の低電力ＷｉＦｉ受信機よりも１０００倍低い電力消費で、且つＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）／ＩＥＥＥ８０２．１５．４Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）受信機よりも２００倍低い電力で、動作できるようになる。ＯＦＤＭバックチャンネルは、既に配備されたレガシーＷｉＦｉ装置によって使用可能にされているＵＬＰ・ページング／ウェイクアップ／割り込み・チャンネルとして利用されることが可能である。このバックチャンネル概念は、セルラー４Ｇ−ＬＴＥ（long-term evolution）のような、他のＯＦＤＭベースの通信システムに拡張され、一般化されることが可能である。
【０００３】
ＯＦＤＭ変調されたＷｉＦｉ信号を復調することは、厳密なＲＦ／アナログ・フロントエンド仕様及び精巧なデジタル・ベースバンド処理のため、非常に電力を要求するタスク（通常、≧２００ｍＷ）である。電力が逼迫している多くのＷｉＦｉ装置は、常にＷｉＦｉアクセス・ポイント（ＡＰ）の電波を捉えるＷｉＦｉ接続を維持するだけのために、その待機電力のかなりの部分を消費する。ＷｉＦｉ信号は、都市環境ではいたるところで利用可能ではある（例えば、マウンテンビュー市におけるＧｏｏｇｌｅ−ＷｉＦｉ−ＡＰ）が、ＵＬＰ−ＩｏＴ装置の大多数は、それらの極めて限られた電力及び／又は複雑な予算のために、ＷｉＦｉ接続を利用できない。この開示は、この障壁を破り、異種のＵＬＰ−ＩｏＴ装置が、最小の電力消費で、現存するＷｉＦｉインフラストラクチャと共に相互運用されることを可能にするであろう。
【０００４】
この節は、本開示に関連する、必ずしも先行技術ではない背景情報を提供する。
【発明の概要】
【０００５】
この節は、本開示の一般的な要約を提供するものであり、且つその完全な範囲又はその特徴の全てを包括的に開示するものではない。
【０００６】
直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）に従って送信される信号においてメッセージを符号化するための方法が提供される。その方法は、自身からＯＦＤＭシンボルを作り出すためのサブキャリア・シンボルのサブセットであって、直交周波数分割多重のための有限なシンボル空間から選択され、且つＯＦＤＭに従わない受信機によって復調され得る信号を生み出すサブキャリア・シンボルのサブセットを送信機によって識別するステップと、ＯＦＤＭに従って送信されるべきバックチャンネル・データを、送信機によって受信するステップと、サブキャリア・シンボルのサブセットを使用して、バックチャンネル・データを、送信機によって符号化するステップと、直交周波数分割多重を使用して、符号化されたバックチャンネル・データを、送信機によって、無線ネットワークをまたいで送信するステップと、を含む。
【０００７】
バックチャンネル・データは、サブキャリアにわたって一定の（又は実質的に一定の）位相回転率でサブキャリア・シンボルの列を割り当て、それにより、ＯＦＤＭシンボルの時間領域に１つ以上のパルスを形成することによって、符号化されることが可能である。一例において、バックチャンネル・データは、サブキャリア・シンボルの列について特定の位相回転率を選択することによって、ＯＦＤＭシンボル内のパルスの位置を調節することによって符号化される。
【０００８】
別の例において、バックチャンネル・データは、異なる位相を有する２つ以上の開始サブキャリア・シンボルの１つを選択することによって、ＯＦＤＭシンボル内のパルスの位相を調節することによって符号化される。
【０００９】
更に別の例において、バックチャンネル・データは、異なる振幅を有する２つ以上の開始サブキャリア・シンボルの１つを選択することによって、ＯＦＤＭシンボル内のパルスの振幅を調節することによって符号化される。あるいは、バックチャンネル・データは、サブキャリア・シンボル割り付けについて、１つ以上の位相回転値を使用することによって、ＯＦＤＭシンボル内のパルス周波数を調節することによって符号化され得る。
【００１０】
一態様において、バックチャンネル・データを符号化するするステップは、バックチャンネル・データに対応するサブキャリア・シンボルの望ましい列であって、サブキャリア・シンボルの望ましい列のためのサブキャリア・シンボルは、サブキャリア・シンボルのサブセットから選択される、サブキャリア・シンボルの望ましい列を生成するステップと、サブキャリア・マッピング、インターリービング、及びパンクチャリングの逆動作を使用して、サブキャリア・シンボルの望ましい列を中間ビット列に変換するステップと、スクランブリング及び畳み込み符号化を受けた後、その結果として中間ビット列になる入力ビット列に値を割り当てるステップと、を更に備える。
【００１１】
異なる変形例において、バックチャンネル・データは、サブキャリアにわたって変化する振幅でサブキャリア・シンボルを割り当て、それにより、ＯＦＤＭシンボルのエネルギーが集中する周波数を変調することによって、符号化されることが可能である。同様に、バックチャンネル・データは、連続するＯＦＤＭシンボルと同様にサブキャリアにわたって変化する振幅、それによる連続するＯＦＤＭシンボルにわたる変調周波数チャープを伴って、サブキャリア・シンボルを割り当てることによって、符号化されることが可能である。
【００１２】
この変形例では、バックチャンネル・データを符号化するステップは、バックチャンネル・データに対応するサブキャリア・シンボルの望ましい列であって、サブキャリア・シンボルの望ましい列のサブキャリア・シンボルは、サブキャリア・シンボルのサブセットから選択される、サブキャリア・シンボルの望ましい列を生成するステップと、各サブキャリアについて、与えられたサブキャリアに割り当てられ得るサブキャリア・シンボルのサブセットから、選択サブキャリア・シンボルを決定するステップと、各サブキャリアについて、与えられたサブキャリアに割り当てられ得る選択サブキャリア・シンボルに部分的に基づいて評価されるコスト関数を、０の送信機入力ビット値及び１の送信機入力ビット値とともに評価するステップと、コスト関数の評価に基づいて、送信機入力ビット列に値を割り当てるステップと、を更に備える。
【００１３】
受信側では、符号化されたバックチャンネル・データは、受信機によって受信され、復調され、そこでは受信機は、ＯＦＤＭに従わない。
【００１４】
適用範囲の更なる領域は、本明細書で提供される説明から、明らかになるであろう。この要約における説明及び特定の例は、例証目的のためだけを意図されており、且つ本開示の範囲を制限することを意図するものではない。
【００１５】
本明細書で説明される図面は、選択された実施形態、及び全てではない可能な実装例を例証するという目的のためだけのものであり、且つ本開示の範囲を制限することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ＷｉＦｉバックチャンネル通信を描く図である。
【図２】ＯＦＤＭに従って送信される信号を符号化するための例示的な方法を描くフローチャートである。
【図３Ａ】二値パルス位置バックチャンネル変調の仕組みを描く図である。
【図３Ｂ】二値パルス位置バックチャンネル変調の仕組みを描く図である。
【図４Ａ】二値パルス位相シフト・キーイング・バックチャンネル変調の仕組みを描く図である。
【図４Ｂ】二値パルス位相シフト・キーイング・バックチャンネル変調の仕組みを描く図である。
【図５Ａ】二値パルス振幅バックチャンネル変調の仕組みを描く図である。
【図５Ｂ】二値パルス振幅バックチャンネル変調の仕組みを描く図である。
【図６】ＷｉＦｉ互換の送信機における例示的なデータパスを描くブロック図である。
【図７】ＯＦＤＭシンボルにおいて望ましいパルス属性を作り出す、有効なＷｉＦｉに準拠したサブキャリア・シンボル列を識別するための方法を描くフローチャートである。
【図８】例示的な信号点配置図におけるサブキャリア・シンボルの、望ましい及び代替的な列を示す。
【図９Ａ】ＰＰＭバックチャンネル変調を有する、シミュレートされたＷｉＦｉパケットを描くグラフである。
【図９Ｂ】ＰＰＭバックチャンネル変調を有しない、シミュレートされたＷｉＦｉパケットを描くグラフである。
【図１０Ａ】バックチャンネル受信機のための例示的な配置のブロック図である。
【図１０Ｂ】バックチャンネル受信機のための例示的な配置のブロック図である。
【図１１】周波数シフト・キーイング・バックチャンネル変調の仕組みを描くグラフである。
【図１２】ＯＦＤＭシンボルにおいて望ましい周波数変調を作り出す、有効なＷｉＦｉに準拠したサブキャリア・シンボル列を識別するための方法を描くフローチャートである。
【図１３】ＷｉＦｉデータパスに従う、周波数領域におけるＦＳＫ変調されたバックチャンネル信号を描くグラフである。
【図１４Ａ】バックチャンネル受信機のための例示的な配置のブロック図である。
【図１４Ｂ】バックチャンネル受信機のための例示的な配置のブロック図である。
【００１７】
図面の幾つかの図を通じて、対応する参照符号は、対応する部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付の図面を参照しながら、例示的な実施形態を次により十分に説明する。
【００１９】
埋め込み型バックチャンネル信号は、標準のＷｉＦｉパケット構造（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇ／ｎ）の境界内で巧みに作られたビット列の組によって、生成されることが可能である。その概念が図１に描かれている。望ましいバックチャンネル信号をＷｉＦｉパケットに埋め込む、独特なビット列のサブセットを生成するための、体系的な方法が開示されている。これらの方法は、ＷｉＦｉパケット構造及びそのＯＦＤＭ変調パラメータの厳しい制約に従う。
【００２０】
ＯＦＤＭでは、情報ビットは、等しい平均電力を備えた各サブキャリア上で、直交振幅変調（ＱＡＭ）のような直線変調の仕組みを使用して変調され、結果、周波数スペクトルにおいてチャンネル帯域幅にわたって平坦（即ち、白色スペクトル）である電力スペクトル密度（ＰＳＤ）になる。この「白色の」ＰＳＤ特性によって、ＯＦＤＭ時間領域信号は、比較的高いピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を備えた、白色ノイズのような信号として現れる。実際に、高いＰＡＰＲは、広いダイナミック・レンジにわたって高度に線形なＲＦ回路を要求するため、ＯＦＤＭベースのシステムの大きな欠点の１つである。この開示は、注意深く巧妙に作られたビット列を供給すると共に、特定の位置で「意図的な」パルスを生成すること（即ち、パルス位置変調又はＰＰＭ）によって、この特性を、制御された変調の仕組みに変えるものである。
【００２１】
ＯＦＤＭに従って送信される信号において、メッセージを符号化するための例示的な方法を、図２に関連して説明する。先ず、２１で示されるように、送信されるべきバックチャンネル・データが、送信機によって受信される。２２において、バックチャンネル・データを伝達するＯＦＤＭシンボルを自身から作り出すサブキャリア・シンボル（例えば、ＱＡＭシンボル）のサブセットが識別されるが、ここで、サブキャリア・シンボルのサブセットは、直交周波数分割多重のための有限なシンボル空間から選択される。サブキャリア・シンボルのサブセットは、ＯＦＤＭに従う送信機によって送信され得る信号を生み出すが、ＯＦＤＭに従わない受信機によって復調され得る、ということに留意されたい。
【００２２】
２３において、バックチャンネル・データは、今度は、ＯＦＤＭシンボルのサブセットから選択されるサブキャリア・シンボルを使用して符号化される。データを符号化するための様々な技法が、以下で更に説明される。２４において、符号化されたバックチャンネル・データは、その後、直交周波数分割多重化を使用して、無線ネットワークを越えて、送信機によって送信される。この開示を通してＱＡＭシンボルに対する参照が行われる一方で、この開示の教示は、直線変調の仕組みの他のタイプにまで広がる、ということは容易に理解されよう。
【００２３】
図３Ａ及び図３Ｂを参照して、受信機によって容易に復調される、時間領域におけるある特定の信号を生成するための第１の技法を説明する。より具体的には、ある特定の信号は、データ・ビットの特別な列を送るようにＷｉＦｉ送信機に指示することによって、生み出されることが可能である。
【００２４】
ＯＦＤＭ時間領域信号のピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）は、以下の（１）におけるように、全てのサブキャリアにわたって一定の位相回転率を備えたＯＦＤＭサブキャリアに対して、直線変調シンボルを割り当てることによって、最大化される。
Ｘｋ＝Ｘｋ−１ｅｊφ、  Ｑｋ＝ｑ（Ｘｋ）、  ｋ＝１，２，…，Ｋ      （１）
（１）において、φは一定の位相回転率、ｋはサブキャリアの指数、Ｋは全サブキャリアの数、Ｑｋは、サブキャリアｋに関する直線変調シンボル、ｑ（Ｘ）は複素数Ｘから最も近い有効な直線変調シンボルまでのマッピング、そしてＸ１は有効な直線変調シンボルのセットから選ばれた開始シンボルである。Ｑｋ（ｋ＝０，１，２，…）のセットに対する逆離散/高速フーリエ変換（ＩＤＦＴ又はＩＦＦＴ）動作は、パルスを含む時間領域ＯＦＤＭシンボルに帰着する。
【００２５】
式（１）において特定のφを選択することによって、時間領域でＯＦＤＭシンボル内のパルスの位置を調節することが可能である。一実施形態において、ＯＦＤＭシンボルに埋め込まれた二値パルス位置変調（ＰＰＭ）は、２つのパルス位置、即ち、パルス０又はパルス１を使用することによって、及びバックチャンネル変調において伝達されるべきメッセージに依存して、２つのパルスの１つを選択することによって、実現される。例えば、２つの異なるパルス位置、即ち、パルス０及びパルス１は、両方のパルス位置に対して、共通の開始シンボルＸ１＝３＋３ｊを割り当てる一方で、パルス０に対してφ＝０、及びパルス１に対してφ＝−π／２を使用することによって生成され得る。この例では、パルス０は、シンボル持続期間の最初の半分に入り、パルス１は、シンボル持続期間の次の半分に入る。各サブキャリアに関する直線変調について、１６−ＱＡＭは、図３Ａに示されるような例として仮定される。この方法は、より大きな又はより小さな信号点配置図に対しても同様に適用される、ということが理解されよう。
【００２６】
パルス０及びパルス１に対する直線変調シンボルの割り当ての例が、表１に与えられ、これによれば、図３Ｂに示されるように２つの異なるパルス位置に帰着する。
【表１】
2018530206.tif 000003
二値ＰＰＭ形式において、バックチャンネルのシンボル・ビット＝０はパルス０によって送信され得るが、シンボル・ビット＝１はパルス１によって表される。バックチャンネルＰＰＭのパルス速度は、ＯＦＤＭのシンボル速度と同じであろう。即ち、２０ＭＨｚ帯域幅のＩＥＥＥ８０２．１１ａ  ＷｉＦｉ動作に対して、１秒あたり２５０ｋパルスである。この仕組みの主たる利点は、低電力の非コヒーレント受信機は、これらのＰＰＭ変調されたシンボルを容易に検出し復調することが可能であり、従って、これにより、ＷｉＦｉ送信機と、エネルギーが制約されたＩｏＴ装置上での非ＷｉＦｉ低電力受信機との間の通信が可能になる、ということである。
【００２７】
パルス位相シフト・キーイング（ＰＰＳＫ）は、一定の位相回転でサブキャリア・シンボルの列を割り当てることで、データを符号化するための別の技法である。式（１）において特定の開始シンボルＸ１を選択することによって、時間領域で、ＯＦＤＭシンボルにおけるパルスの位相を調整することが可能である。図４Ａを参照すると、二値パルス位相シフト・キーイング・バックチャンネル・シンボルは、２つのパルス、即ち、同じパルス位置（即ち、共通のφ）だが、しかし、バックチャンネル変調において伝達されるべきメッセージに依存して、反対極性（例えば、パルス０に対してＸ１＝３＋３ｊ、及びパルス１に対してＸ１＝−３−３ｊ）を備えた異なる開始シンボルを有する、パルス０又はパルス１を使用することによって実現されている。例えば、１８０度の位相差がある（即ち、反対極性の）パルス０及びパルス１は、両方のパルスに対して共通の位相回転率φ＝−π／２（即ち、同一のパルス位置）を割り当てながら、パルス０に対してＸ１＝３＋３ｊ、及びパルス１に対してＸ１＝−３−３ｊを使用することによって、生成されることが可能である。二値ＰＰＳＫに対する、１６−ＱＡＭベースの直線変調シンボル割り当ての例が、表２に与えられており、図４Ｂに示されるように、１８０度のパルス位相差（又はベースバンドにおける反対信号極性）に帰着する。
【表２】
2018530206.tif 000004
【００２８】
パルス振幅変調（ＰＡＭ）は、一定の位相回転でサブキャリア・シンボルの列を割り当てることで符号化するための、更に別の技法である。式（１）において特定の開始シンボルＸ１を選択することによって、時間領域で、ＯＦＤＭシンボルにおけるパルスの振幅を調節することが可能である。図５Ａを参照すると、ＯＦＤＭに埋め込まれた二値パルス位相振幅変調（ＰＡＭ）は、２つのパルス、即ち、同じパルス位置（即ち、共通のφ）だが、しかし、異なる振幅（例えば、パルス０に対してＸ１＝３＋３ｊ、及びパルス１に対してＸ１＝１＋１ｊ）を備えた異なる開始シンボルＸ１を有する、パルス０又はパルス１を使用することによって、実現することが可能である。例えば、異なる振幅レベルを備えたパルス０及びパルス１は、両方のパルスに対して共通の位相回転率φ＝−π／２（即ち、同一のパルス位置）を割り当てながら、パルス０に対してＸ１＝３＋３ｊ、及びパルス１に対してＸ１＝１＋１ｊを使用することによって、生成されることが可能である。パルス０及びパルス１に対する、１６−ＱＡＭベースの直線変調シンボル割り当ての例が、表３に与えられており、図５Ｂに示されるように、２つの異なるパルス振幅レベルに帰着する。
【表３】
2018530206.tif 000005
【００２９】
パルス周波数変調（ＰＦＭ）は、（１）において１つ以上の一定の位相回転値でサブキャリア・シンボルの列を割り当てることで符号化するための、更に別の技法である。ｋ＝（ａ−１）Ｐ／Ｋ＋１，…，ａＰ／Ｋに対してφ＝φａとなるように、Ｐ個の値φ１，…，φＰの中から、（１）における位相回転値φを変化させることによって、ＯＦＤＭシンボル内にＰ個のパルスを生成することが可能である。例えば、バックチャンネル・データ・ビット０は、ＯＦＤＭシンボルごとに１つのパルスを使用することによって送信され得るが、バックチャンネル・データ・ビット１は、パルス周波数を、ＯＦＤＭシンボルごとに２つのパルスへ増加させることによって送信され得る。この例についての１６−ＱＡＭベースの直線変調シンボル割り当てが、結果としてバックチャンネル・データ・ビット０及び１に対する２つの異なるパルス周波数になる、表４に与えられている。この例では、バックチャンネル・データ・ビット０を送信するための全てのサブキャリアに対してφ＝０が使用される。バックチャンネル・データ・ビット１については、サブキャリア１，２，…，Ｋ／２に対してφ＝０が使用され、サブキャリアＫ／２＋１，Ｋ／２＋２，…，Ｋに対してφ＝−π／２が使用される。
【表４】
2018530206.tif 000006
【００３０】
今までは、ＯＦＤＭパケットに埋め込まれた、望ましいバックチャンネル変調された信号を生成するために、（１）を満足する直線変調シンボル（例えば、１６−ＱＡＭ）の任意の列が、ＯＦＤＭサブキャリアに割り付けられ得る、と仮定されていた。しかしながら、図６を参照すると、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇ／ｎ  ＷｉＦｉ標準のデータパスでは、直線変調シンボルの任意の列が各サブキャリアに割り付けられることは許されていない。入力データ・ビット・ストリームは、スクランブラ６１によってスクランブルされ、その後、畳み込み符号で畳み込み符号器６２によって符号化される。符号化されたビット列はＷｉＦｉ標準では、パンクチャ６３によってパンクチャリングされ、インターリーバ６４によってインターリーブされ、最後に、マッパー６６によって直線変調シンボルにマップされる。ＷｉＦｉでは、Ｍ−ａｒｙ  ＱＡＭが、各サブキャリア上の直線変調に対して使用される。幾つかのサブキャリアは、予め定義された変調シンボルを備えたパイロット及びゼロ・サブキャリアとして、割り当てられる。それ故に、全ての可能なＱＡＭシンボル列のサブセットたけが、ＷｉＦｉに準拠している。この開示は、ＷｉＦｉ標準にあるスクランブラ６１、インターリーバ６４、及びＱＡＭマッパー６５が、全て１対１にマッピングする可逆関数であるという事実を使用して、この問題を巧みに回避する。幾つかのＷｉＦｉモードにおいて、パンクチャリング動作は、ビット列に影響を与えることなく、無効化されることが可能である。実際、ＱＡＭシンボルの任意の列が作り出されることを妨げるのは、畳み込み符号器６２及び決定論的なゼロ／パイロット・サブキャリア・マッピンングだけである。畳み込み符号器６２の出力は、全ての可能なビット列のサブセットである、有効な符号語でなければならない。
【００３１】
ＷｉＦｉ−ＯＦＤＭパケットに埋め込まれたパルスベースのバックチャンネル・シンボルを生成するために、各ＯＦＤＭシンボルにとって望ましい特性（位置、振幅、又は位相など）を備えたバックチャンネル・パルスを作り出すための系統的な方法が、図７に関連して説明される。ＯＦＤＭシンボル内のバックチャンネル・パルスの特性は、（１）における一定の（又は実質的に一定の）位相回転率φ及び最初のシンボルＸ１によって決定される。一旦、パルスベースのバックチャンネル変調に対して、特定のφ及びＸ１でＯＦＤＭシンボルが割り当てられると、全てのサブキャリアに対する「望ましい」ＱＡＭシンボル列、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，…，Ｑｋ）が（１）によって得られる。一般に、この「望ましい」ＱＡＭシンボル列は、ＷｉＦｉ標準データパスにおいて実現されることは、畳み込み符号化及びゼロ／パイロット・サブキャリアマッピングのため、実行不可能である。よって、その特性が、位置、振幅、又は位相などの望ましいバックチャンネル・パルス特性に近いバックチャンネル・パルスを作り出す、有効なＷｉＦｉに準拠したＱＡＭシンボル列を識別するために、系統的な方法が以下で説明される。
【００３２】
最初に、７１において、全てのサブキャリア指数ｋ＝０，１，２，…，Ｋに対して一定のφを使用して、ＱＡＭシンボルの「望ましい」列が生成される。望ましい列は、標準のＷｉＦｉパケット構造において、必ずしも実行可能ではない。それ故に、７２において、ＱＡＭシンボルの代替的な列もまた生成される。例えば、図８で見られるように、φは同じであるが、異なる開始シンボルＸ１によって、複数の代替的なＱＡＭ列が生成され得る。この例では、同じφ＝−π／２を備えた、３つの代替的な列が示されている。代替的な列の数は変化できるが、しかし信号点配置のマップによって制約されることが理解されよう。
【００３３】
望ましい及び代替的な列の両方について、パイロット／ゼロ・サブキャリアに属するＱＡＭシンボルは、ＷｉＦｉ標準の定義されたパイロット／ゼロ・シンボルによって置き換えられる。次に、７３において、望ましい及び代替的な列は、畳み込み符号器によって、対応するビット列出力に変換される。一実施形態において、望ましい及び代替的なビット列は、ＱＡＭマッピング、インターリービング、及びパンクチャリングの逆動作を使用して変換される。これらの変換されたビット列は、望ましい符号化されたビット列及び代替的な符号化されたビット列として、表される。
【００３４】
最後に、７２において、スクランブラへの入力ビット列が決定される。スクランブラ入力におけるＮＳＩ個のビットが、Ｋ個のサブキャリアを備えたＯＦＤＭシンボルを形成するために、必要とされる。例示の実施形態において、これらのデータ・ビットｂｊ（ｊ＝０，…，ＮＳＩ−１）は、最も低い指数ｊ＝０から順次決定される。より具体的には、各ｂｊは、２つの可能な値、０又は１を有する。最良の値を決定するために、もしスクランブラ入力におけるｂｊ＝０又は１が、スクランブリング及び畳み込み符号化の後で、「望ましい」符号化されたビット列に帰着する場合、ｂｊには、その値が割り当てられる。例えば、もしｂｊ＝０が、０という望ましいビット値に帰着する場合、その時は、ｂｊには、０の値が割り当てられる。一方で、もしｂｊ＝１が、０という望ましいビット値に帰着する場合、その時は、ｂｊには、１の値が割り当てられる。もしｂｊ＝０、１のどちらも、「望ましい」符号化されたビット列に帰着しない場合、ｂｊには、代替的な符号化されたビット列にマップする値が割り当てられる。もし複数の代替的な符号化されたビット列が実行可能である場合、その開始シンボルＸ１が、望ましい列の開始シンボルＸ１に最も近い代替的な列が、ｂｊの割り当てのために選択される。もし代替的な符号化されたビット列の全てが実行不可能である場合、ｂｊにはランダムな値が割り当てられる。全てのＮＳＩ個のビットが割り当てられるまで、入力ビット列における各ビットに対して、このプロセスが繰り返される。
【００３５】
このアプローチは、ＭＡＴＬＡＢシミュレーション及び商用のＷｉＦｉトランシーバ・チップによって検証され、上の手続きから得られたデータ・ビット列は、図９Ａ及び図９Ｂに示されるように、ＯＦＤＭパケットに埋め込まれたパルスベースのバックチャンネル信号を実際に生成する。二値ＰＰＭ変調されたバックチャンネルのデータ速度は、２５０ｋビット／秒である。パケットあたりの、バックチャンネル変調されたデータ・ビットの最大数は、パケット内のＯＦＤＭシンボルの最大数と同じである（例えば、１６ＱＡＭ変調された８０２．１１ｇ  ＷｉＦｉに対して、最大３４０ビット）。
【００３６】
そのような符号化の仕組みが与えられれば、従来のＯＦＤＭ受信機と比べて劇的に低減された電力消費を備えた、バックチャンネル受信機を実現することが実行可能である。電力を要求する直交復調、高精度のクロック基準、高いダイナミック・レンジのＡＤＣ、及びＤＦＴ処理は、全て、ＰＰＭバックチャンネル復調にとって不必要である。図１０Ａは、電力制限のある、ＷｉＦｉに準拠しないＵＬＰ装置が、ＯＦＤＭパケットに埋め込まれたパルスベースのバックチャンネル信号を復調するのに適した受信器についての例示的なアーキテクチャを描く。簡単には、受信機１００は、アンテナ１０１、バンドパス・フィルタ１０２、増幅器１０３、包絡線検出器１０４、アナログ−デジタル変換器１０５、及びデジタル・ベースバンド・プロセッサ１０６を含む。従って、アーキテクチャは、高価なＲＦ周波数シンセサイザ又はミキサを要求しない、非コヒーレントの信号包絡線検出に基づいている。動作においては、信号の包絡線は、デジタル・ベースバンドにおいて処理されるよう、デジタル的に量子化されたレベルに変換される。ＲＦバンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）１０２及び増幅器１０３は、より良い干渉除去及び受信機の感度改善のために、データパスの初めに、任意選択で使用されることが可能である。
【００３７】
受信機に対する代替的な配置が、図１０Ｂに示される。この配置では、信号包絡線検出器１０４及びアナログ−デジタル変換器１０５は、更なる電力節約のために、整流器１０７及び二値信号レベル・コンパレータ１０８によって置き換えられ、その他の点では、残りの構成要素は、図１０Ａに関連して、上で説明される通りである。バックチャンネル受信機に対する他の配置もまた、この開示のより広い態様の範囲内に入る。
【００３８】
この開示の別の態様において、バックチャンネル・データは、周波数シフト・キーイングを使用して、信号上で符号化されることが可能である。特定の時間領域のパルス信号を生み出すことのように、この節は、１）ＯＦＤＭに従わない受信機によって復調されることが可能であり、且つ、２）送信機が送信しているデータ・ビット・ストリームを単に修正するだけで、ＯＦＤＭ送信機によって生み出されることが可能である、特定の周波数領域の信号を生み出すことを議論する。
【００３９】
幾つかの実施形態において、ＯＦＤＭバックチャンネルは、周波数シフト・キーイング（ＦＳＫ)変調形式において、実現されることが可能である。ＯＦＤＭサブキャリアをまたぐ、意図的で不均一な直線変調シンボル電力割り付けが、ＦＳＫ変調されたバックチャンネルを生成するために提案される。二値のＦＳＫバックチャンネル通信については、バックチャンネル変調されたビット＝１は、全てのＯＦＤＭサブキャリアの最初の半分（ｋ＝１，２，…，Ｋ／２）に対して高電力直線変調シンボルを、及び第２の半分のサブキャリア（ｋ＝Ｋ／２＋１，Ｋ／２＋２，…，Ｋ）に対して低電力直線変調シンボルを割り付けることによって、伝達されることが可能である。バックチャンネル変調されたビット＝０は、反対のマッピング（即ち、全てのサブキャリアの最初の半分に対しては低電力シンボル、及び全てのサブキャリアの第２の半分に対しては高電力シンボル）によって伝達される。２つのバックチャンネル・ビットに対する、例示的な直線変調シンボル割り当てが、以下の表５に示されている。
【表５】
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【００４０】
図１１は、周波数領域において二値ＦＳＫ変調されたバックチャンネル信号の例を示す。示された例では、２つのビットは、最初のＯＦＤＭシンボル（例えば、０〜４μｓ、最初のバックチャンネル・メッセージ・ビット）について、最初の半分のサブキャリア（ｋ＝１，…，Ｋ／２）に高電力を割り付け、且つ、第２のＯＦＤＭシンボル（例えば、４〜８μｓ、第２のバックチャンネル・メッセージ・ビット）について、第２の半分のサブキャリア（ｋ＝Ｋ／２＋１，Ｋ／２＋２，…，Ｋ）に高電力を割り付けることによって、二値ＦＳＫバックチャンネルにおいて変調される。２５０ｋｂｐｓの二値ＦＳＫ変調されたバックチャンネルは、このようにして実現され得る。結果として生じるＦＳＫは、変調する上で、元のＯＦＤＭよりも大幅に簡単である。
【００４１】
幾つかの実施形態において、ＯＦＤＭバックチャンネルは、周波数チャープ変調形式において、実現されることが可能である。二値周波数チャープ変調は、高電力サブキャリア・シンボルを、ＯＦＤＭシンボルにわたって増加する又は減少するサブキャリア指数と割り付ける。周波数チャープにおいて変調された２つのバックチャンネル・ビットについての、例示的な直線変調サブキャリア・シンボル割り当てが、以下の表６に示される。
【表６】
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【００４２】
ＯＦＤＭに関する、理想的なＦＳＫ又はチャープ・バックチャンネル変調は、表５又は表６の例によって示されるように、各ＯＦＤＭサブキャリアに対して、ＱＡＭシンボル電力を制御することを必要とする。しかしながら、各サブキャリアに対する任意のＱＡＭシンボル電力の印加は、図６に示されるデータパスが、ＱＡＭシンボルのマッピングの前に、スクランブルされ、畳み込み符号化され、パンクチャリングされ、及びインターリーブされることを含むから、ＷｉＦｉに対しては実行不可能である。この問題に対処するために、ＷｉＦｉ標準について、近似されたＦＳＫ又はチャープ・バックチャンネル変調を作り出すための、系統的なアルゴリズムが提供される。
【００４３】
ＦＳＫ又はチャープ・バックチャンネル・データを伝達する各ＯＦＤＭシンボルについては、高電力サブキャリア指数の組（ＩＨ）、及び低電力サブキャリア指数の組（ＩＬ）が、バックチャンネルを介して送信されるべきデータ・ビットによって決定される。例えば、もしＦＳＫバックチャンネル・データ・ビット＝１ならば、ＩＨ＝｛１，２，…，Ｋ／２｝及びＩＬ＝｛Ｋ／２＋１，Ｋ／２＋２，…，Ｋ｝であり、もしＦＳＫバックチャンネル・データ・ビット＝０ならば、ＩＨ＝｛Ｋ／２＋１，Ｋ／２＋２，…，Ｋ｝及びＩＬ＝｛１，２，…，Ｋ／２｝である。サブキャリアｋに割り当てられ得る全ての可能なＱＡＭの集合としてＲｋを示すとすると、Ｒｋは、最初は全ての有効なＭ−ａｒｙ  ＱＡＭシンボル（６４−ＱＡＭに対してＭ＝６４）を含む。バックチャンネル変調手続きに続いて、ＱＡＭマッピング入力ビットを順次指定する結果として、Ｒｋのエントリ数は減少する。サブキャリアｋに対する各ＱＡＭマッピング入力割り当ては、Ｒｋのサイズを１／２の係数だけ減少させる。一旦サブキャリアｋに対する全てのＱＡＭマッピング入力ビットが指定されると、Ｒｋのサイズは１になる。
【００４４】
図１２を参照すると、バックチャンネル変調は、各ＯＦＤＭシンボルについて、ＮＳＩ個の入力ビット、ｂ０，…，ｂＮＳＩ−１を、スクランブラの中に決定するプロセスである。これらのビットは、以下のように順次割り当てられる。先ず、９１において、高電力シンボルを、指数の組ＩＨに属するサブキャリアに割り付け、且つ低電力シンボルを、指数セットＩＬに属するサブキャリアに割り付ける、ＱＡＭシンボルの「望ましい」列が決定される。
【００４５】
次に、９２において、サブキャリアｋに割り当てられ得る可能なＱＡＭシンボルの組を構成する。サブキャリア１から始めて、Ｒｋ（１）は、ｂｊ＝１の場合にサブキャリアｋに割り当てられ得るＱＡＭシンボルの組であり、Ｒｋ（０）は、ｂｊ＝０の場合にサブキャリアｋに割り当てられ得るＱＡＭシンボルの組であり、ｂ０，…，ｂｊ−１は、以前のステップの結果として、既に固定値に割り当てられている。１又は０のいずれかのビット値を仮定すると、９３において、ｂｊ＝１又は０の両方の値に対して、コスト（又はペナルティ）関数が評価される。実施例において、コスト関数は、
【数１】
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であり、ここで、ＰＭＡＸは、Ｍ−ａｒｙ  ＱＡＭシンボルの中の最大のＱＡＭシンボル電力であり、ＰＭＩＮは、最小のＱＡＭシンボル電力であり、｜Ｒ｜２は、集合Ｒに関する要素的ＱＡＭシンボル電力算定値であり、ＭＡＸ（Ｒ）（又はＭＩＮ（Ｒ））は、集合Ｒにおける最大（又は最小）を選択する操作である。もしＣ０＞Ｃ１の場合、ｂｊには０が割り当てられ、そうでない場合、ｂｊには１が割り当てられる。このようにして、入力ビット列のｂｊに、値が割り当てられる。ｊは１だけ増加し、そのプロセスは、ｊ＝ＮＳＩ−１まで、ステップ９２から繰り返され、その結果として、ＯＦＤＭシンボルに対するバックチャンネル変調が完成する。即ち、９５で示されるように、ＯＦＤＭシンボルにおける全てのビットが割り当てられるまで、ステップは、ステップ９２から繰り返される。
【００４６】
図１３は、（近似された）二値ＦＳＫ変調されたバックチャンネルを作り出すための、上の手続きの結果を示す。この図における平坦でない電力割り付けは、ＷｉＦｉデータパスで要求される、畳み込み符号化及びパイロット／ゼロ・サブキャリア・マッピングによるものである。
【００４７】
幾つかの実施形態において、従来のＯＦＤＭ受信機に比べて劇的に電力消費が低減された、ＦＳＫ−ＯＦＤＭバックチャンネル受信機を実現することが実行可能である。提案される受信機アーキテクチャは、ＷｉＦｉパケットに埋め込まれたＦＳＫバックチャンネル信号を復調するための、電力が制限された、ＷｉＦｉに準拠しない低電力装置に適したものである。
【００４８】
図１４Ａは、ＦＳＫ変調されたバックチャンネルを復調できる低電力受信機のための、例示的なアーキテクチャを描いている。受信機の配置は、アンテナ１１１、バンドパス・フィルタ１１２、増幅器１１３、ＲＦミキサ１１４、包絡線検出器１１６と直列にあるハイ・パス・フィルタ１１５、第２の包絡線検出器１１８と直列にあるロー・パス・フィルタ１１７、コンパレータ１１９、及びデジタル・ベースバンド・プロセッサ１２０を含む。非コヒーレントのハイ／ロー・パス・フィルタ、包絡線検出器、及びコンパレータは、ハイ／ロー・パス・フィルタ出力からの電力差を検出するように機能する。動作において、受信されたＲＦ信号は、任意選択でバンドパス・フィルタでフィルタ処理され、その後、ＲＦミキサによって、低い中間周波数（ＩＦ）へと混合される。ミキサ出力は、ハイ／ロー・パス・フィルタでフィルタ処理され、ハイ／ロー・パス・フィルタ出力の包絡線信号が生み出される。デジタル・コンパレータは、２つの包絡線検出器のレベルを比較する、１ビットレベルの比較出力を生み出す。デジタル・ベースバンド処理は、最終的な復調されたビットを生み出す。
【００４９】
受信機についての代替的な配置１３０が図１４Ｂに示されている。この配置では、異なる中心周波数を備えた２つのＲＦバンドパス・フィルタ１３１、１３２が、より高い及びより低い周波数の調子における電力差を検出するために使用され、その他の点では、残りの構成要素は、図１４Ａに関連して、上で説明される通りである。バックチャンネル受信機についての他の配置もまた、この開示のより広い態様の範囲内に入る。
【００５０】
実施形態の前述の説明は、例証及び説明を目的として、提供されてきた。それは、網羅的であること、又は開示を制限することを意図したものではない。特定の実施形態の個々の要素又は特徴は、一般にその特定の実施形態に限定されず、しかし、該当する場合には、具体的に示されない又は説明されない場合でさえも、取り替えることが可能であり、且つ、選択された実施形態において使用されることが可能である。同じものは、また、いろいろと変えられるかもしれない。そのような変形例は、本開示から逸脱したものと見なされるべきではなく、且つそのような全ての変更は、本開示の範囲の中に含まれることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【国際調査報告】
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