использование псевдослучайной последовательности частот для снижения помех от пикосетей в многополосной сети ультраширокополосной связи

Формула изобретения

1. Устройство для многополосной системы ультраширокополосной связи (УШП), содержащее подсистему передатчика, содержащую (а) контроллер, сконфигурированный с возможностью разделения канала УШП на псевдослучайную последовательность N подполос частот, (b) модулятор, сконфигурированный с возможностью создания последовательности модулированных импульсов, и (с) передатчик, сконфигурированный с возможностью передачи каждого модулированного импульса в упомянутой последовательности при помощи одной из упомянутой последовательности N подполос частот, и подсистему приемника, содержащую (d) приемник, сконфигурированный с возможностью приема сигналов УШП, передаваемых в упомянутых N подполосах частот, (е) контроллер, сконфигурированный с возможностью объединения в последовательность модулированных импульсов сигналов, принимаемых в соответствии с псевдослучайной последовательностью упомянутых N подполос частот, и (f) демодулятор, сконфигурированный с возможностью демодуляции последовательности модулированных импульсов.

2. Устройство по п.1, в котором передатчик (с) дополнительно содержит средство для посылки, выбранное из группы, состоящей из антенны, кабеля и интегральной схемы (ИС), функционирующей в качестве антенны; и приемник (d) дополнительно содержит средство для приема, выбранное из группы, состоящей из антенны, кабеля и интегральной схемы (ИС), функционирующей в качестве антенны.

3. Устройство по п.1, в котором модулятор (b) дополнительно сконфигурирован с возможностью (b.1) модуляции каждого импульса, с использованием метода модуляции из группы, состоящей из фазоимпульсной модуляции, двоичной фазовой манипуляции (ДФМ), квадратурной фазовой манипуляции (КФМ), ортогонального уплотнения с частотным разделением (ОУЧР) и квадратурной амплитудной модуляции (КАМ).

4. Устройство по п.1, в котором контроллер (а) дополнительно сконфигурирован с возможностью (а.1) повторения последовательности частот в заданном периоде времени, и (а.2) деления заданного периода времени на по меньшей мере один подпериод для каждой частоты последовательности; и модулятор (b) дополнительно сконфигурирован с возможностью (b.1) модуляции каждого импульса в течение по меньшей мере одного подпериода для передачи данных.

5. Устройство по п.4, в котором модулятор (b) дополнительно сконфигурирован с возможностью (b.2) модуляции каждого импульса с использованием метода модуляции из группы, состоящей из фазоимпульсной модуляции, двоичной фазовой манипуляции (ДФМ), квадратурной фазовой манипуляции (КФМ), ортогонального уплотнения с частотным разделением (ОУЧР) и квадратурной амплитудной модуляции (КАМ).

6. Устройство по п.4, в котором упомянутый заданный период времени выбран из группы, состоящей из 20 нс, 80 нс, 300 нс, и упомянутым по меньшей мере одним подпериодом является период, деленный на N.

7. Устройство по п.1, в котором контроллер использует передатчик для передачи псевдослучайной последовательности частот в подсистему приемника, так что в любой данный момент времени в подсистеме приемника известен сигнал, подлежащий посылке в известной подполосе частот из упомянутых N подполос частот.

8. Устройство по п.7, в котором в любой данный момент времени подсистема приемника сконфигурирована с возможностью демодуляции передаваемого импульса с использованием передаваемой псевдослучайной последовательности частот, причем известен импульс, подлежащий посылке в известной подполосе частот из упомянутых N подполос.

9. Устройство по п.7, в котором подсистема приемника представляет собой инициатор другой пикосети и сконфигурирована с возможностью исключения перекрытия с пикосетью подсистемы передатчика посредством использования другой псевдослучайной последовательности частот.

10. Устройство по п.1, в котором подсистема приемника представляет собой инициатор другой пикосети и сконфигурирована с возможностью исключения перекрытия с пикосетью подсистемы передатчика посредством использования другой псевдослучайной последовательности частот.

11. Способ передачи данных с использованием методов ультраширокополосной связи (УШП), заключающийся в том, что

(а) обеспечивают подсистему передатчика, сконфигурированную с возможностью выполнения этапов, на которых (а.1) разделяют канал УШП на псевдослучайную последовательность N подполос частот, (а.2) модулируют сигнал в виде последовательности импульсов, и (а.3) передают каждый модулированный импульс в упомянутой последовательности при помощи одной из упомянутой последовательности N подполос частот; и (b) обеспечивают подсистему приемника, сконфигурированную с возможностью выполнения этапов, на которых (b.1) принимают сигнал УШП, передаваемый в упомянутых N подполосах частот, (b.2) объединяют принимаемые N подполос частот в соответствии с псевдослучайной последовательностью, и (b.3) демодулируют последовательность импульсов УШП от объединенных N подполос частот.

12. Способ по п.11, в котором подсистему передатчика дополнительно конфигурируют с возможностью выполнения этапов, на которых (а.4) повторяют последовательность частот в течение заданного периода времени; (а.5) разделяют заданный период времени на по меньшей мере один подпериод для каждой частоты последовательности; и этап (а.2) модуляции дополнительно содержит этап, на котором (а.2.1) модулируют каждый импульс в течение подпериода для передачи данных.

13. Способ по п.12, в котором этап (а.2) модуляции дополнительно содержит этап (а.2.2), на котором выбирают метод модуляции из группы, состоящей из фазоимпульсной модуляции, двоичной фазовой манипуляции (ДФМ), квадратурной фазовой манипуляции (КФМ), ортогонального уплотнения с частотным разделением (ОУЧР) и квадратурной амплитудной модуляции (КАМ).

14. Способ по п.12, в котором упомянутый заданный период времени выбирают из группы, состоящей из 20 нс, 80 нс, 300 нс, и упомянутым по меньшей мере одним подпериодом является период, деленный на N.

15. Способ по п.11, в котором дополнительно (а.6) передают псевдослучайную последовательность частот в подсистему приемника, так что в любой данный момент времени для подсистемы приемника известен сигнал, подлежащий посылке в известной подполосе частот.

16. Способ по п.15, в котором дополнительно (с) в любой данный момент времени демодулируют посредством подсистемы приемника передаваемый импульс, используя передаваемую случайную последовательность частот, причем известен импульс, подлежащий посылке в известной подполосе частот.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к многополосным системам связи. В частности, настоящее изобретение относится к системе и способу снижения помех от пикосетей в многополосной сети ультраширокополосной связи. В частности, настоящее изобретение относится к использованию псевдослучайной последовательности частот для снижения помех от пикосетей в многополосной сети ультраширокополосной связи (УШП, UWB).

Системы ультраширокополосной связи (УШП) используют методы импульсных передатчиков, или передатчиков ударного возбуждения, в которых импульс очень малой длительности, обычно от десятков пикосекунд до нескольких наносекунд по длительности, подается непосредственно в выходное средство, которое затем посылает свою характеристическую реакцию на импульсное возмущение. По этой причине УШП иногда называется как импульсная радиосвязь. Далее, так как импульс возбуждения не модулируется, системы УШП также называются технологией с нулевой несущей. Системы УШП связи работают в широком диапазоне спектра относительно средней частоты, которая обычно достигается посредством передачи импульсов малой длительности, обычно 10-1000 пикосекунд. Средние частоты занимают полосу частот между 50 МГц и 10 ГГц. Энергия излучения, занимающая ультраширокую полосу частот 100+% от средней частоты (обычно измеряемой в ГГц), часто делается настолько достаточно малой, что она может сосуществовать с другими устройствами без создания для них недопустимых помех.

Преимущества современных УШП реализаций включают в себя малую стоимость, малую потребляемую мощность и устойчивость к помехам, обусловленным многолучевым распространением. Устойчивость УШП к эффекту многолучевого распространения происходит из того факта, что импульсные радиосигналы разделяются по времени, а не по частоте и могут быть разделены на связанные со временем эффекты, такие как помехи, обусловленные многолучевым распространением, приводя к меньшей средней мощности и более высокой надежности для данного уровня мощности. Такие преимущества обычно действительны для существующих применений с относительно низкой скоростью передачи данных, где передаваемые короткие импульсы достаточно разделены во времени.

С принятием Федеральной комиссией по связи (ФКС, FCC) полосы частот 3,1-10,6 ГГц для УШП связи исследователи и специалисты-практики начали изучать УШП для применения в беспроводных персональных сетях (БПС, WPAN) с высокими скоростями передачи данных (>100 Мбит/с) и применения внутри зданий. Специалисты по прогнозированию рынка также предсказывают миллионы основанных на УШП систем в ближайшие несколько лет.

Большинство относящихся к УШП реализаций известного уровня техники и отчетов об исследованиях были нацелены на применения с низкой скоростью передачи данных. Такие системы с низкой скоростью передачи данных обычно разрабатываются с низкой частотой повторения импульсов. В результате, можно сделать большой амплитуду импульсов и промежуток между импульсами. Это приводит к справедливо заслуживающему цитирования преимуществу УШП, а именно, устойчивости к помехам, таким как помехи, обусловленные многолучевым распространением. Новые применения, такие как мультимедийные сети распределения видео, требуют систему с высокой скоростью передачи данных, например, 100 Мбит/с -500 Мбит/с. Обычные методы для такой системы требуют высокой скорости повторения импульсов, снижая расстояние между последовательными импульсами. Это делает системы УШП склонными к помехам, обусловленным многолучевым распространением. Системы УШП также требуют того, чтобы они имели малую стоимость, если им приходится сильно конкурировать с другими узкополосными системами. Метод известного уровня техники использования корректоров для ослабления помех, обусловленных многолучевым распространением, повышает стоимость системы УШП.

Одним предложенным подходом для систем УШП является многополосная схема модуляции, где общая полоса частот делится на многочисленные полосы частот. Соответствующий импульс тогда передается в каждой полосе частот. Так как УШП в настоящее время рассматривается для использования в окружении БПС, непосредственный многополосный подход приводит к помехам от одной пикосети для другой.

Таким образом, существует потребность в подходе для систем связи УШП, который исключают помехи от многочисленных пикосетей.

Система и способ настоящего изобретения обеспечивают систему УШП связи, которая использует псевдослучайную последовательность частот для снижения помех от пикосетей в многополосной сети УШП от одной пикосети для другой. Импульсы передаются в случайной последовательности, так что очень мала вероятность перекрытия (конфликта) между соседними сетями.

На фиг.1а изображена беспроводная сеть станций УШП связи, которые устанавливают связь только между равноправными узлами;

на фиг.1b изображена беспроводная сеть, установленная и управляемая точкой управления, в которой станции связи устанавливают связь через точку управления, а также на основе равноправных узлов.

На фиг.2а представлена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая архитектуру станции УШП связи, иллюстрирующая примерную часть передатчика, к которой следует применять варианты осуществления настоящего изобретения;

на фиг.2b представлена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая архитектуру станций УШП связи, иллюстрирующая примерную часть приемника, к которой следует применять варианты осуществления настоящего изобретения; и

на фиг.3 изображена многополосная модуляция УШП псевдослучайной последовательности частот согласно настоящему изобретению.

В нижеследующем описании в качестве примера и неограничения излагаются специфические подробности, такие как конкретная архитектура, интерфейсы, методы и т.д., чтобы обеспечить полное понимание настоящего изобретения. Однако для специалиста в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение может осуществляться на практике в других вариантах осуществления, которые отходят от этих специфических подробностей.

Для установления связи системы УШП используют серии импульсов в противоположность одиночному импульсу. Серия (или последовательность) импульсов выводится для каждого бита информации, и серия импульсов модулируется, так что система УШП может передавать данные. Фазоимпульсная модуляция является подходящей и изменяет период повторения импульсов посредством сдвига во времени позиции импульса, вперед или назад или вовсе без сдвига. Другие схемы модуляции включают в себя цифровую фазовую модуляцию, при которой фаза передаваемой формы волны изменяется с этими конечными изменениями фазы, представляющими цифровые данные. При двоичной фазовой манипуляции (ДФМ, CBPSK) генерируется фазомодулированная форма волны, имеющая два изменения фазы, которые могут представлять два двоичных бита информации. При квадратурной фазовой манипуляции (КФМ, QSPK) существует четыре изменения фазы, которые могут представлять четыре двоичных бита данных, таким образом эффективно удваивая полосу частот. Другие методы модуляции включают в себя ортогональное уплотнение с частотным разделением (ОУЧР, OFDM) и квадратурную амплитудную модуляцию (КАМ, QAM).

В качестве иллюстрации и неограничения на фиг.1а изображена показательная беспроводная сеть, к которой следует применять варианты осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1а, блоки 100 связи устанавливают связь только на основе равноправных узлов по беспроводным линиям 110 связи. На фиг.1b изображена показательная сеть, к которой также следует применять варианты осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1b, блоки 100 связи устанавливают связь не только на основе равноправных узлов по беспроводным линиям 110 связи, но по беспроводным линиям 120 связи на точку 130 управления и с нее, которая первоначально установила пикосеть. Ключевой принцип настоящего изобретения заключается в обеспечении механизма, посредством которого оба типа пикосетей УШП блоков 100 связи создают минимальные помехи друг другу, когда они находятся в непосредственной близости друг от друга.

На фиг.2a-b представлена примерная архитектура передатчика и приемника, причем каждый использует антенну. Антенна включена только в качестве иллюстрации и ни в каком-либо ограничительном смысле. Сигналы могут посылаться и приниматься любым средством, например, при помощи кабеля или интегральной схемы, которая может функционировать в качестве антенны. Архитектуры по фиг.2a-b включены для оказания помощи при обсуждении и описании настоящего изобретения.

Обращаясь теперь к подсистеме (235) передатчика по фиг.2а, блок 100 беспроводной связи сети УШП по фиг.1а или 1b может включать в себя подсистему (235) передатчика с архитектурой передатчика, как изображено на блок-схеме по фиг.2а, к которой следует применять варианты осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.2а, блок связи может включать в себя интерфейс 200, буфер 210, модулятор 220, беспроводной передатчик 230 УШП, контроллер 240, память 250 данных, антенну 260 и источник 270 псевдослучайного шума. Контроллер 240 обнаруживает поступление информационного сигнала в буфер 210 и затем, на основании состояний канала подполосы частот, определяет подлежащие использованию модуляции момента времени, амплитуды и фазы и указывает определенные модуляции модулятору 220. Примерная система по фиг.2а предназначена для описания. Беспроводной передатчик 230 УШП соединен с антенной 260 для передачи требуемых данных.

Обращаясь теперь к подсистеме (295) приемника по фиг.2b, блок 100 беспроводной связи сети УШП по фиг.1a-b может включать в себя подсистему (295) приемника с архитектурой приемника, изображенной на блок-схеме по фиг.2b, к которой следует применять варианты осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.2b, блок связи может включать в себя интерфейс 200, буфер 210, демодулятор 280, беспроводной приемник 290 УШП, контроллер 240, память 250 данных, антенну 260 и источник 270 псевдослучайного шума. Антенна 260 соединена с беспроводным приемником 290 УШП для приема распространяемого импульсного радиосигнала. Контроллер 240 обнаруживает прием передаваемого сигнала приемником 290 и затем на основании состояний канала подполосы частот определяет модуляции момента времени, амплитуды и фазы, которые использовались, и указывает определенные модуляции демодулятору 280. Примерная система по фиг.2b предназначена для целей описания.

Хотя описание может ссылаться на термины, обычно используемые при описании конкретных приемопередающих систем, описание и идеи в равной степени применимы к другим системам обработки, включая системы, имеющие архитектуры, отличающиеся от архитектур, показанных на фиг.2а-b.

Предположим, что канал УШП разделен на N полос частот, в котором общая полоса частот делится на эти N полос частот. В предпочтительном варианте осуществления соответствующий импульс из серии тогда передается в каждой полосе частот с использованием псевдослучайной последовательности частот, т.е. используя последовательность псевдослучайных чисел для выбора упорядочения N полос частот.

Например, если существует 4 полосы частот, причем каждая полоса частот обозначается как f1, f2, f3, f4, тогда последовательность импульсов, передаваемых одной сетью, может быть f1, f3, f4, f2. Другая соседняя сеть тогда может передавать с использованием f3, f2, f4, f1. Это гарантирует, что максимальное перекрытие ограничивается только одной полосой частот, а именно f4. Тем не менее, вероятность такого перекрытия (конфликта) очень мала. Другие полосы частот вообще не перекрываются. При обычном подходе последовательность частот для всех пикосетей является фиксированной и идентичной друг другу. В результате, вероятны помехи во всех полосах частот. Такие помехи приводят к пониженной пропускной способности всей сети.

В предпочтительном варианте осуществления данные передаются посредством модуляции каждого импульса. Фазоимпульсная модуляция, двоичная фазовая манипуляция (ДФМ), квадратурная фазовая манипуляция (КФМ), ортогональное уплотнение с частотным разделением (ОУЧР) и квадратурная амплитудная модуляция (КАМ) представляют собой различные возможные методы модуляции.

В предпочтительном варианте осуществления порядок передаваемых частот известен приемнику заранее. Последовательность определяется блоком 100 УШП связи, который устанавливает пикосеть и организует связь с каждым блоком 100 УШП связи, который присоединяется к пикосети. Действительно не имеет значения, если существует точка управления, только что существует средство, чтобы каждый блок 100 связи знал последовательность и как синхронизироваться. Приемник тогда имеет сведения об ожидаемой частоте в конкретный момент времени. В любой данный момент времени приемник демодулирует сигнал, который был послан в известной подполосе частот, и игнорирует другие полосы частот.

На фиг.3 изображены импульсы УШП, где порядок средней частоты импульса составляет f1, f3, f2, f4. Соседняя сеть использует другую последовательность частот для снижения максимального конфликта среди пикосетей. Соседняя сеть генерирует случайную последовательность N чисел, которая не является идентичной последовательности любой другой пикосети, для определения последовательности ее импульсов в отношении ее N полос частот.

Пример, показанный на фиг.3, делит время на 80 нс периоды, по которым повторяется одинаковая последовательность частот. Этот период времени в 80 нс дополнительно делится на 20 нс периоды для каждой индивидуальной полосы частот. Во время каждого 20 нс интервала импульс модулируется для передачи данных. Однако 80 нс период является просто примером и он также может быть 300 нс или 20 нс. Кроме того, при других схемах модуляции, например, при ортогональном уплотнении с частотным разделением (ОУЧР), фиг.3, вероятно, будет другой.

Изобретение может осуществляться в других конкретных формах без отступления от сущности или его существенных характеристик. Предусмотренные варианты осуществления приведены только в качестве примера и не предусматриваются ни в каком ограничительном смысле. Объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения, а не вышеприведенным описанием, и все модификации, охватываемые значением и объемом эквивалентности формулы изобретения, поэтому, как предполагается, включены в нее.