CN1317834C - 利用混沌序列产生前置码的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种前置码产生方法，包括计算(N个)混沌采样；把该(N个)混沌采样分别转换为特定比特的(N个)二进制值，并连续利用该(N个)二进制值计算混沌序列比特；和基于该混沌序列比特产生前置码。通过利用从混沌采样得到的混沌序列比特，产生多个具有最佳自相关特性和互相关特性的前置码。

Description

利用混沌序列产生前置码的方法和装置
本申请要求于2003年6月18日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请NO.60/479,220和于2003年10月15日提交的韩国专利申请NO.2003-71618的权利，它们公开的内容作为参考结合于此。
技术领域
本发明涉及产生前置码(preamble)的方法和装置，更具体地涉及利用混沌序列(chaotic sequence)产生适合支持多微微网技术的超宽带通信系统的前置码的方法和装置。
背景技术
前置码信号用于在至少两个系统之间发送的信号的定时同步。前置码表明某个系统将要发送数据，它由通信系统可识别的一串特定的发送脉冲限定。可靠的定时保证所有通信系统的信息发送开始的正确译码，也保证所有接收系统正确地理解据发送何时开始。前置码的脉冲随着采用的网络技术而改变。
图1示出一般的前置码结构。如所示出的，前置码通常包括用于同步的信号、用于信道估计的信号和用于物理子层的数据。在通信系统中，前置码同步帧并估计所使用信道中的信号衰落。
通常，‘超高频通信系统’指的是支持在微微网协调器(PNC)与设备(DEV)之间的超高频无线通信业务的系统。为了在PNC与DEV之间同步，同步信号周期发送以标明帧的开始。DEV接收同步信号，使帧同步到PNC，并估计在信道中可能发生的信号衰落，以在帧同步以后接收的信号的波检测中利用它。至于同步信号，通常使用在PNC和DEC之间一致的前置信号。
DEV接收从PNC周期性地接收的前置信号，根据通过内部的相关器正在输出的信号强度确定帧同步。前置信号的接收性能取决于自相关特性，需要更高的自相关特性。
在超宽带通信系统中通常存在多个微微网，在邻近微微网之间的干扰通常引起波检测中的恶化。对邻近微微网的干扰也可能在前置码的接收中发生，这通常降低帧同步性能。必须基于上面提到的考虑设计前置信号。此外，前置信号必须有好的互相关特性来支持多微微网，这意味着前置码信号需要低的互相关特性。
在宽带CDMA的UMTS(通用移动电信系统)中发现上面提到的前置码类似的使用。UMTS在帧中有多个时隙，同步信号表明时隙的开始。帧同步信号根据预定序序列在基站和终端之间周期性地发送。然而，因为UMTS设计为在蜂窝通信环境中最佳地工作，在超宽带通信系统中使用它有些不可行，因此需要最适合在超宽带通信中使用的前置码。
发明内容
为了解决上述的缺点和其它与传统设备相关的问题已经开发出本发明。本发明的一方面是提供产生适合在超宽带通信系统中使用的前置码的方法和装置。
通过提供一种前置码产生方法，本发明的上述目的和/或其它方面能充分实现。所述方法包括：(a)计算(N个)混沌采样；(b)把该(N个)混沌采样分别转换为特定比特的(N个)二进制值，并连续利用该(N个)二进制值计算混沌序列比特；和(c)基于混沌序列比特产生前置码。
在转换步骤中，(N个)混沌采样由Xi代表，并通过使用混沌映射函数(F)沿周期性轨迹来计算，该混沌映射函数(F)由Xk+1＝F(Xk)表示，这里X0是初始值，k＝0，1，2，3，…。
混沌映射函数(F)使用伯努利移位映射、帐篷映射、螺旋帐篷映射和船映射中的一个。
另外，这里提供步骤：计算混沌映射函数(F)的逆映射函数，通过沿周期轨迹使用关于(M个)不同混沌采样的逆映射函数，和分别为(M个)混沌采样计算多个初始值；在为(M个)混沌采样计算的多个初始值中，选择互相之间相距最大距离的初始值；和通过执行步骤(a)到(c)，分别产生关于(M个)选择的初始值的(M个)前置码。前置码用于支持多微微网的超宽带通信系统中，并且多微微网的数目是M。
所述特定比特是16比特，并且所述数目(N)包括4和8中的一个。
根据本发明的一方面，前置码产生装置包括：计算(N个)混沌采样的混沌采样计算部件；把(N个)混沌采样分别转换为特定比特的(N个)二进制值，并通过连续使用该(N个)二进制值计算混沌序列比特的混沌序列计算部件；和基于混沌序列比特产生前置码的前置码产生部件。
混沌采样计算部件包括：在混沌映射函数中代入输入值并输出运算结果的混沌映射函数部件；和把混沌映射函数的输出结果延迟预定时间并把该经过延迟的值作为输入值提供到混沌映射函数部件的延迟部件。
混沌映射函数包括伯努利移位映射、帐篷影射、螺旋帐篷映射和船映射中的一个或多个。
所述特定比特是16比特。所述数目(N)包括4和8中的一个。前置码在超宽带通信系统中用于同步和信道估计。
附图说明
通过参考附图描述本发明的几个实施例，本发明上述的方面和特征将更明显。其中：
图1图示一般前置码的结构；
图2图示一个转换为16比特长度混沌序列比特的混沌采样；
图3图示通过使用4个混沌采样产生的64比特长度混沌序列比特；
图4是连续产生混沌采样装置的一个例子的框图；
图5图示混沌映射函数的一个例子，和用同样的函数获得4个混沌采样；
图6A到6D图示可以容易地实现的混沌映射函数的一个例子；
图7A和7B图示不对称的帐篷混沌映射函数和逆映射函数；
图8图示用于多微微网的初始值确定方法；
图9图示用于4个微微网的多种初始值；
图10模拟根据本发明的实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的前置码的同步性能；
图11图示根据本发明的实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的64比特长度的混沌序列的自相关特性；
图12图示根据本发明的实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的64比特长度的混沌序列的互相关特性；
图13图示与在CM1信道中误比特率(BER)对应根据本发明的实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的前置码的距离(DIST)，用于与其它序列的性能比较；
图14图示与在CM2信道中误比特率(BER)对应根据本发明实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的前置码的距离(DIST)，用于与其它序列的性能比较；
图15图示与在CM3信道中误比特率(BER)对应根据本发明实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的前置码的距离(DIST)，用于与其它序列的性能比较；
图16图示与在CM4信道中误比特率(BER)对应根据本发明实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的前置码的距离(DIST)，用于与其它序列的性能比较；
具体实施方式
将参考附图对本发明的几个实施例做更详细的描述。
在下面的描述中，即使在不同的图中相同的附图标号用于相同的元件。在描述中定义的内容，例如详细的结构和元件被提供用来帮助全面地理解本发明。没有那些定义的内容本发明也能实现。公知的函数和结构也没有详细描述，因为不必要的细节会模糊本发明。
图2示出一个转换为16比特长度混沌序列比特的混沌采样。参考图2，特定值的混沌采样X0通过合适的量化转换为由固定十进制代表的16比特长度二进制值。为了产生64比特或128比特长度的混沌序列，产生4个或8个连续混沌采样，并把这4个或8个连续混沌采样转换为16比特长度的二进制值，并使用它们。
图3图示通过使用4个连续混沌采样的64比特长度混沌序列比特的产生。参考图3，4个混沌采样X0、X1、X2、X3的每一个被转换为16比特二进制值，并被连续用于产生多达64比特的混沌序列比特。该混沌序列比特用于前置码中。
同时，当初始值X0确定时，4个混沌采样能使用合适的混沌映射函数产生。即通过在混沌映射函数F中代入初始值X0，获得下一个混沌采样X1是可能的，通过在混沌映射函数F中代入下一个初始值X1，获得下一个混沌采样X1的下一个的混沌采样X2是可能的。通过几次迭代，达到理想数目的混沌采样，这能通过下面的函数表示：
[函数1]
Xk+1＝F(Xk)
其中，k＝0，1，2，3，…
通过使用采样X0、X1、X2、X3，能得到图3中示出的64比特长度的混沌序列。为了获得128比特长度的混沌序列比特，使用8个混沌采样。
图4是图示能连续产生混沌采样的装置的一个例子的框图。如图4中示出的装置，包括混沌映射部件10和延迟部件11。混沌映射部件10在预定混沌映射函数中代入输入Xi，以输出混沌采样Xi+1。延迟部件11把输出值Xi+1延迟预定时间，并把该Xi+1反馈到混沌映射部件10的输入端。通过把此过程重复预定的次数，产生理想数目的混沌采样。这样产生的混沌采样被转换为混沌序列比特并被用于前置码。能使用多种数学函数作为混沌映射部件10中的混沌映射函数，当选择混沌映射函数时，要考虑算法的简单性和容易实现。
图5示出混沌映射函数的一个例子和通过使用该混沌映射函数获得4个混沌采样的过程。参考图5，初始值X0被代入映射函数F(x)中，这样导出X1，通过在映射函数F(x)中代入X1，获得下一个值X2。通过上述迭代，获得随后的值X3和X4。例如，如果X0＝-0.9922，值X1、X2、X3和相应的二进制值是：
X0＝-0.9922，    101001101100010
X1＝-0.4904，    100100110010100
X2＝0.7690，     000111100001010
X3＝-0.9800，    101001100100100
图6A到6D示出实现简单的混沌映射函数的例子。图6A示出伯努利移位映射，图6B是帐篷映射，图6C是螺旋帐篷映射，图6D是船映射。如所示出的，多种映射能用做混沌映射函数，根据它们得到混沌采样，并从产生的混沌采样得到混沌序列比特。
图7A示出不对称的帐篷混沌映射函数，图7B示出图7A的不对称帐篷混沌映射函数的逆映射函数。如图7A和图7B中所示，初始值能通过使用混沌映射函数的逆映射函数确定。更具体的，初始值Z0能通过迭代混沌映射函数的逆映射函数F-1确定。
[函数2]
Z2＝F-1(Z3)
Z1＝F-1(Z2)
Z0＝F-1(Z1)
上述方法能用于确定支持微微网的混沌序列比特的初始值。第一微微网和第二微微网的最后采样Z3 1＝0.1，Z3 2＝0.25沿周期轨迹代入上述方程2中，得到图8中示出的值。
可以在混沌序列比特中选择一个值作为初始值以尽可能得到最大距离。同样的，能得到4个或更多个微微网的初始值，通过使用该选择的初始值，能得到低的互相关特性。
图8示出用于4个微微网的多种初始值，如示出的，通过为4个微微网合适地选择初始值，好的前置码，即有助于改良的互相关特性的前置码能被产生以用于支持多微微网的通信系统中。
图10模拟根据本发明的一个实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的前置码的同步性能。在该模拟中，使用由4个混沌采样产生的前置码，同步尝试直到1000次。图10示出与误比特率(BER)对应的同步失败的概率。更具体地，图10示出当前置码序列的第一个比特的接受能力最差时同步失败的概率，即当第一个比特同步的概率假设为1/2的情况。
图11和12图示根据本发明的一个实施例利用混沌序列的前置码产生方法产生的混沌序列的自相关特性和互相关特性。如所示出的，根据本发明产生的混沌序列有高的自相关系数和低的互相关系数。
图13到16图示根据本发明的一个实施例前置码的与误比特率对应的距离，分别示出在CM1、CM2、CM3和CM4的信道中与其它序列比较的性能。在图13至16示出的例子中，本发明的序列与Gold序列和由Texas Instruments(TI)(IEEE P802.15-3/142r0)提出的序列相比较。如所示出的，当信道衰落时，例如在CM3和CM4的信道中，根据本发明的混沌序列提供比其它序列更好的性能。
下面的表列出了根据本发明的一个实施例的前置码产生方法产生的混沌序列(CSS)与恒定幅度零自相关(CAZAC)序列比较的结果。
如表1中所示的，通过利用混沌序列产生前置码更简单，并且通过利用混沌序列产生适合支持多微微网的超宽带通信系统的前置码也更可行。
[表1]
  CSS  CZACA
  处理技术   输入采样的后续处理  相关技术
  长度(比特)   64(可能小于40)  128
  微微网识别   是  否
  可用的微微网的数量   多个  1个(对于超宽带的BPSK)
  实现   各个简单
  信道特性   高信噪比  信噪比～-10dB
  稳定性   是a)通过精选的唯一映射b)通过唯一映射参数的选择  否
  外部时间同步   否  是
如上述几个本发明的典型的实施例中描述的，最佳自相关特性和互相关特性的前置码能通过利用对于混沌采样的序列比特产生。通过利用根据本发明产生的前置码，即使在信道环境和微微网环境变化的情况下也保证了好的数据接收。
前述的实施例和优点仅仅是典型的，不能解释为限定本发明。该教导能容易地应用到其它类型的装置。本发明实施例的描述也用于说明性的，并不限定权利要求的范围，对本领域技术人员来说许多的选择、修改和变化将是明显的。

Claims (13)

1.一种前置码产生方法，包括：
计算N个混沌采样，所述混沌采样是沿周期轨迹通过使用混沌映射函数F来计算的；
把该N个混沌采样分别转换为特定比特的N个二进制值，并连续利用该N个二进制值计算混沌序列比特；和
基于混沌序列比特产生前置码。
2.权利要求1的前置码产生方法，其中所述N个混沌采样由Xi代表，该混沌映射函数F由Xk+1＝F(Xk)表示，这里X0是初始值，并且k＝0，1，2，3，...。
3.权利要求2的前置码产生方法，其中所述混沌映射函数F使用伯努利移位映射、帐篷映射、螺旋帐篷映射和船映射中的一个。
4.权利要求2的前置码产生方法，进一步包括：
计算混沌映射函数F的逆映射函数，通过沿周期轨迹使用关于M个不同混沌采样的逆映射函数，和分别为M个混沌采样计算多个初始值；
在为M个混沌采样计算的多个初始值中，选择互相之间相距最大距离的初始值；和
产生关于M个选择的初始值的M个前置码。
5.权利要求4的前置码产生方法，其中所述前置码用于支持多微微网的超宽带通信系统中，并且多微微网的数目是M。
6.权利要求1的前置码产生方法，其中所述特定比特包含16个比特。
7.权利要求1的前置码产生方法，其中所述数目N包括4和8中的一个。
8.一种前置码产生装置，包括：
混沌采样计算部件，用于计算N个混沌采样，，所述混沌采样是沿周期轨迹通过使用混沌映射函数来计算的；
混沌序列计算部件，用于把N个混沌采样分别转换为特定比特的N个二进制值，并连续利用该N个二进制值计算混沌序列比特；和
前置码产生部件，用于基于混沌序列比特产生前置码。
9.权利要求8的前置码产生装置，其中所述混沌采样计算部件包括：
混沌映射函数部件，用于在混沌映射函数中代入输入值，并输出结果；和
延迟部件，用于把混沌映射函数的输出结果延迟预定时间，并把该经过延迟的值作为输入值提供到混沌映射函数部件。
10.权利要求9的前置码产生装置，其中所述混沌映射函数包括伯努利移位映射、帐篷映射、螺旋帐篷映射和船映射中的一个。
11.权利要求8的前置码产生方法，其中所述特定比特包含16个比特。
12.权利要求8的前置码产生装置，其中所述数目N包括4和8中的一个。
13.权利要求8的前置码产生装置，其中所述前置码在超宽带通信系统中用于同步和信道估计。
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