JP3837144B2 - カオス系列を利用したプリアンブル生成方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリアンブル(preamble)生成方法及びその装置に関し、さらに詳細には、カオス系列(chaotic sequence)を利用して多重ピコネットを支援する超広帯域通信システムでの使用に最適のプリアンブルを生成できるプリアンブル生成方法及びその生成装置に関する。

プリアンブルとは、ネットワーク通信において、２つ以上のシステム間の伝送タイミングの同期化等に用いられる信号である。すなわち、プリアンブルはあるシステムがデータを伝送しようとすることを示す信号であって、通信システムで理解できる一連の送信パルスと定義される。適切なタイミングにより、あらゆる通信システムが情報伝達の開始を正しく解析できるようになり、また、情報を受信している通信システムがいつからデータ伝送が始まるかを正確に理解できるようになる。プリアンブルとして用いられるパルスは、使用するネットワーク通信技術に応じて変わる。

図１は、一般的なプリアンブルの構造を示す図面である。図面に示すように、プリアンブルは同期のための信号(同期信号：Signal for Synchronization)、チャネル推定のための信号(チャネル推定信号：Signal for Channel estimation)、及びＰＨＹ(Physical Sublayer)データを含む。このような構造のプリアンブルが通信システムに用いられてフレーム同期をあわせ、チャネルで生じた信号の劣化を推定する。

一方、一般的に超高周波通信システムは、ＰＮＣ(Piconet Coordinator)とＤＥＶ(Device)との間の超高周波無線通信サービスを支援するシステムを言う。したがって、ＰＮＣとＤＥＶとの間の伝送フレームの送受信の同期のために、ＰＮＣは、ＤＥＶへフレームの開始を示す同期信号を周期的に伝送する。ＤＥＶは、ＰＮＣから伝送する同期信号を受信してＰＮＣとのフレーム同期を合せ、またチャネルで生じた信号の劣化を推定してフレーム同期以後に受信される情報データの検波に利用する。このような同期信号にはＰＮＣとＤＥＶが予め約束している特定のプリアンブル信号を使用することが通常である。

すなわち、ＤＥＶは、ＰＮＣから周期的に伝送されるプリアンブル信号を受信して、内部相関器を介して出力される信号の強度によりフレーム同期を決定する。したがって、プリアンブル信号の受信性能は、自己相関(auto-correlation)特性がどれくらい良いかにより決定され、この点で高い(High)自己相関性が要求される。

また、超広帯域通信システムでは同時に複数のピコネットが存在し、隣接したピコネットからの信号は干渉作用を起こすため、受信信号の検波性能を低下させる。プリアンブル信号の受信においても隣接ピコネットからのプリアンブル信号は干渉作用を起こしうるので、フレーム同期の性能を低下させる。このような点を考慮してプリアンブル信号を設計することが必要であり、結局、多重ピコネットを支援できるように相互相関(cross-correlation)特性が良好なプリアンブル信号を使用することが必要であり、この点で低い(low)相互相関性が要求される。

上述したような特性が要求されるプリアンブルと類似の用途で用いられる例には、広帯域符号分割多重接続方式に用いられるＵＭＴＳ(Universal Mobile Telecommunication System)がある。ＵＭＴＳはフレーム内に複数のスロットを有しており、スロットの開始がわかる同期信号があり、このフレーム同期信号をＵＭＴＳの基地局と端末が予め決定し、決められたシーケンスによって周期的に伝送する。しかし、こういう方式は、携帯電話通信に適合するように設計されているため、超広帯域通信システムに適用するには無理がある。したがって、超広帯域通信に適合したプリアンブルの設計が必要であるが、現在としては適合したプリアンブルの設計方式が知られていない状態である。

本発明の目的は、超広帯域通信システムに適合したプリアンブルを生成できるプリアンブル生成装置及びその生成方法を提供することである。

前記目的を達成するための本発明に係るプリアンブル生成方法は、（ａ）Ｎ個のカオスサンプルを算出するステップと、（ｂ）算出された前記Ｎ個のカオスサンプルを各々所定ビット数の２進数に変化させ、変換されたＮ個の２進数を相次いで使用することによって、カオス系列ビットを算出するステップと、（ｃ）算出された前記カオス系列ビットに基づいてプリアンブルを生成するステップとを備える。また、前記（ｂ）ステップにおいて、前記Ｎ個のカオスサンプルは、任意の初期値をＸ₀、所定のカオスマッピング関数をＦとする場合、次の式のように、前記所定のカオスマッピング関数を繰り返し帰還的に使用して算出されるＮ個のＸ_i値を用いることが可能である。
Ｘ_K+1＝Ｆ（Ｘ_K）
ここで、ｋ＝０、１、２、３、．．．．である。

また、前記所定のカオスマッピング関数は、ベルヌーイシフトマップ(Bernoulli shift map)、テントマップ(Tent map)、ツイストテントマップ(Twisted Tent map)、及びシップマップ(ship map)のいずれかを用いることが可能である。

前記カオスマッピング関数の逆マッピング関数を算出し、互いに異なる値を有するＭ個のカオスサンプル各々に対して前記逆マッピング関数を繰り返し帰還的に使用することによって、前記Ｍ個のカオスサンプル別に複数の初期値を算出するステップと、前記Ｍ個のカオスサンプル別に算出された前記複数の初期値の中から、互いに距離が最大となる値を前記Ｍ個のカオスサンプルに対する各々の初期値として選定するステップと、選定されたＭ個の前記初期値に対して、前記（ａ）ステップないし前記（ｃ）ステップを各々行ってＭ個のプリアンブルを生成するステップとをさらに備えて、Ｍ個の多重ピコネットを支援する超広帯域通信システムで使用するのに最適のプリアンブルを生成することができる。

また、前記所定のビット数は、１６ビットであることが好ましく、前記Ｎ個は、４個及び８個のいずれかであることが好ましい。

一方、本発明のプリアンブル生成装置は、Ｎ個のカオスサンプルを算出するカオスサンプル算出部と、前記Ｎ個のカオスサンプルを各々所定ビット数の２進数に変化させ、変換されたＮ個の２進数を相次いで使用することによって、カオス系列ビットを算出するカオス系列算出部と、算出された前記カオス系列ビットに基づいてプリアンブルを生成するプリアンブル生成部とを備える。

前記カオスサンプル算出部は、入力値を所定のカオスマッピング関数に代入し出力値を算出するカオスマッピング関数部と、前記出力値を所定時間遅延させた後、再度前記カオスマッピング関数部の前記入力値として提供する遅延部とを備えることが可能である。
また、前記所定のカオスマッピング関数は、ベルヌーイシフトマップ(Bernoulli shift map)、テントマップ(Tent map)、ツイストテントマップ(Twisted Tent map)、及びシップマップ(ship map)の少なくともいずれかを用いることが可能である。

前記所定のビット数は、１６ビットであることが好ましく、前記Ｎ個は、４個及び８個のいずれかであることが好ましい。また、前記プリアンブルは、超広帯域通信システムで同期化及びチャネル推定に用いられることが可能である。

本発明によれば、カオスサンプルを用いて生成したシーケンスビットを使用して、自己相関及び相互相関の特性が良好なプリアンブルを生成できる。このようなプリアンブルを使用することによって、チャネル環境の変化とピコネット環境の変化時にも受信データの受信率を向上させることができる。

以下では、図面を参照し本発明の最も好ましい実施の形態を詳細に説明する。
図２は、一つのカオスサンプル(Chaotic sample）を１６ビット長さのカオス系列ビットに変換することを説明するための図面である。図面を参照すれば、任意の値を有するカオスサンプルをＸ₀とすれば、Ｘ₀を適切な量子化(quantization)過程により固定少数点で表現される１６ビット長さの２進数に変換できる。したがって、６４ビットあるいは１２８ビット長さのカオス系列ビットを生成するためには、４個あるいは８個の連続されたカオスサンプルを発生させ、発生されたカオスサンプルを各々１６ビット長さの２進数に変換して相次いで使用すれば、所望の長さのカオス系列ビットを得ることができる。

図３は、４個の連続するカオスサンプルを使用して６４ビット長さのカオス系列ビットを生成することを説明するための図面である。図面を参照すれば、４個のカオスサンプルＸ₀、Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃を各々１６ビットの２進数に変化し、これを相次いで使用して計６４ビットのカオス系列ビットを生成できる。このように生成されたカオス系列ビットをプリアンブルに使用することができる。

一方、４個のカオスサンプルは、初期値Ｘ₀が決定されれば、適切なカオスマッピング関数を使用して生成できる。すなわち、カオスマッピング関数をＦとすれば、初期値Ｘ₀をカオスマッピング関数Ｆに代入して次回のカオスサンプルＸ₁を得ることができ、カオスサンプルＸ₁を再びカオスマッピング関数Ｆに代入すれば、次回のカオスサンプルＸ₂を得ることができる。このような過程を繰り返すと、所望の個数のカオスサンプルを得ることができ、これを式で表せば次式（１）のようになる。
Ｘ_K+1＝Ｆ（Ｘ_K） ・・・（１）
ここで、ｋ＝０、１、２、３、．．．．である。

この過程により生成されたＸ₀、Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃をカオスサンプルとして使用すれば、図３に示すように、６４ビット長さのカオス系列が得られる。もし、１２８ビット長さのカオス系列ビットを得るのであれば、同じ過程を繰り返し的に行って８個のカオスサンプルを生成して使用すればよい。

図４は、連続的にカオスサンプルを発生できる装置に対する一例を示すブロック図である。図面に示す装置は、カオスマッピング関数部１０及び遅延部１１を備える。カオスマッピング関数部１０は、入力されるＸ_iを所定のカオスマッピング関数に代入してカオスサンプルＸ_i+1を出力する。遅延部１１は、出力されたＸ_i+1が再びカオスマッピング関数部１０の入力値となるように所定時間遅延させた後フィードバックさせる。このような過程を繰り返し的に行って、所望の個数のカオスサンプルを生成できる。生成されたカオスサンプルは、カオス系列ビットに変換されてプリアンブルに用いられる。また、カオスマッピング関数部１０では多様な形態の関数がカオスマッピング関数として使用可能であり、アルゴリズムの簡単性や具現の容易性などを考慮して、選択された関数をカオスマッピング関数として使用すればよい。

図５は、カオスマッピング関数の一例とこれを使用して４個のカオスサンプルを得る過程を説明するための図面である。図面を参照すれば、任意の初期値Ｘ₀をカオスマッピング関数Ｆ（ｘ）に代入してＸ₁を得ることができ、Ｘ₁をＦ（ｘ）に代入してＸ₂を得ることができる。このような過程により、Ｘ₃及びＸ₄を得ることができる。この場合、Ｘ₀＝−０．９９２２であると仮定すれば、これに伴い算出されるＸ₁、Ｘ₂、Ｘ₃値及びこれに対応される２進数値は各々次のようである。
Ｘ₀ ＝ −０．９９２２、 １０１００１１０１１０００１０
Ｘ₁ ＝ −０．４９０４、 １００１００１１００１０１００
Ｘ₂ ＝ ０．７６９０、 ０００１１１１００００１０１０
Ｘ₃ ＝ −０．９８００、 １０１００１１００１００１００

図６Ａないし図６Ｄは、容易に具現可能なカオスマッピング関数の例を示すものである。
図６Ａはベルヌーイシフトマップ(Bernoulli shift map)、図６Ｂはテントマップ(Tent map)、図６Ｃはツイストテントマップ(Twisted Tent map)、図６Ｄはシップマップ(ship map)を示すものである。このように多様な形態のマップをカオスマッピング関数として使用でき、使用されるカオスマッピング関数によりカオスサンプルを得ることができ、生成されたカオスサンプルを使用してカオス系列ビットを生成できる。

図７Ａは、非対称テントカオスマッピング関数を示すものであり、図７Ｂは、図７Ａに示した非対称カオスマッピング関数の逆マッピング関数を示すものである。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、カオスマッピング関数に対する逆マッピング関数を使用して初期値を決定できる。すなわち、カオスマッピング関数に対する逆マッピング関数をＦ^-1とすれば、次式（２）のように逆マッピング関数Ｆ^-1を繰り返し的に使用して初期値Ｚ₀を決定できる。
Ｚ₂＝Ｆ^-1（Ｚ₃）
Ｚ₁＝Ｆ^-1（Ｚ₂） ・・・（２）
Ｚ₀＝Ｆ^-1（Ｚ₁）

このような方式は、多重ピコネットを支援するカオス系列ビットの初期値を決定するのに用いることができる。すなわち、第１ピコネット及び第２ピコネットでの最後のサンプル値を各々Ｚ₃ ¹＝０．１，Ｚ₃ ²＝０．２５と仮定し、この値を図７Ｂに示した非対称テントカオスマッピング関数の逆関数に前記式（２）のように繰り返し帰還的に代入すれば、図８に示す値を得ることができる。

この場合、発生されたカオス系列ビットの中から距離が最大となるように選択された値を初期値として使用することができる。同じ方法により、４個あるいはその以上のピコネットに対する初期値を得ることができ、このような方法により選択された値を初期値として使用することによって、低い相互相関の性質を得ることができる。

図９は、４個のピコネットのための多様な初期値を示すものである。図面に示すように、４個のピコネットのための初期値を適切に選定して、多重ピコネットを支援する通信システムで相互相関の特性が良好なプリアンブルを生成できる。

図１０は、本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたプリアンブルの同期化性能をシミュレーションした結果を示す図面である。シミュレーションのため、４個のカオスサンプルを使用して生成したプリアンブルを使用し、全部１０００回の同期化を試みた。図面には、同期化失敗確率とＢＥＲ(Bit Error Rate)の関係を示した。図１０において、２曲線の中から上の曲線はプリアンブルシーケンスの中で最初ビットの受信感度が最悪である状態、すなわち最初ビットの同期確率を１／２に仮定した時のプリアンブル同期化失敗確率を示すものである。

図１１及び図１２は、各々本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたカオス系列の自己相関特性と相互相関特性とを示す図面である。図１１及び図１２に示すように、本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたカオス系列が高い自己相関係数と低い相互相関係数値とを有することが分かる。

図１３ないし図１６は、本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたプリアンブルの距離とビットエラー率特性の関係を各々ＣＭ１チャネル、ＣＭ２チャネル、ＣＭ３チャネル、及びＣＭ４チャネルに対してその性能を他のシーケンスと比較図示した図面である。比較対象の他のシーケンスにはＧｏｌｄシーケンスとIEEE P802.15-3/142r0でＴＩ社により提案されたシーケンスを選定した。図１３ないし図１６に示すように、本発明によって生成したカオス系列がチャネルの状態が悪くなるほど（ＣＭ１、ＣＭ２よりはＣＭ３、ＣＭ４で）、他のシーケンスに比べてさらに高い性能を示すことが分かる。

一方、本発明に係るプリアンブル生成方法で用いられるカオス系列（ＣＳＳ）をＣＡＺＡＣ(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation)シーケンスと比較し、次の表のとおりである。

［表１］に示した通り、カオス系列を使用してプリアンブルを生成することでさらに簡便になり、カオス系列を利用して多重ピコネットを支援する超広帯域通信システムでさらに適合したプリアンブルを生成できることを分かる。

尚、本発明は、上記した本実施の形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更して実施することが可能である。

本発明は、カオス系列を利用して多重ピコネットを支援する超広帯域通信システムに適合したプリアンブルを生成するのに使用することができる。

一般的なプリアンブルの構造を示す図面である。 一つのカオスサンプルを１６ビット長さのカオス系列ビットに変換することを説明するための図面である。 ４個のカオスサンプルを利用して６４ビットの長さのカオス系列ビットを生成することを説明するための図面である。 連続的にカオスサンプルを発生できる装置の一例を示すブロック図である。 カオスマッピング関数の一例とこれを使用して４個のカオスサンプルを得る過程を説明するための図面である。 ベルヌーイシフトマップ示す図面である。 テントマップ示す図面である。 ツイストテントマップを示す図面である。 シップマップを示す図面である。 非対称テントカオスマッピング関数及び逆マッピング関数を示す図面である。 非対称テントカオスマッピング関数及び逆マッピング関数を示す図面である。 多重ピコネットのための初期値決定方法を説明するための図面である。 ４個のピコネットのための多様な初期値を示す図面である。 本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたプリアンブルの同期化性能をシミュレーションした結果を示す図面である。 本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成された６４ビット長さのカオス系列の自己相関特性を示す図面である。 発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成された６４ビット長さのカオス系列の相互相関特性を示す図面である。 本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたプリアンブルの距離とビットエラー率特性の関係をＣＭ１チャネルでその性能を他のシーケンスと比較する図面である。 本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたプリアンブルの距離とビットエラー率特性の関係をＣＭ２チャネルでその性能を他のシーケンスと比較する図面である。 本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたプリアンブルの距離とビットエラー率特性の関係をＣＭ３チャネルでその性能を他のシーケンスと比較する図面である。 本発明に係るカオス系列を利用したプリアンブル生成方法により生成されたプリアンブルの距離とビットエラー率特性の関係をＣＭ４チャネルでその性能を他のシーケンスと比較する図面である。

符号の説明

１０ カオスマッピング関数部
１１ 遅延部

Claims (13)

1. （ａ）Ｎ個のカオスサンプルを算出するステップと、
   （ｂ）算出された前記Ｎ個のカオスサンプルを各々所定ビット数の２進数に変化させ、変換されたＮ個の２進数を相次いで使用することによって、カオス系列ビットを算出するステップと、
   （ｃ）算出された前記カオス系列ビットに基づいてプリアンブルを生成するステップと
   を備えることを特徴とするプリアンブル生成方法。
2. 前記Ｎ個のカオスサンプルは、任意の初期値をＸ₀、所定のカオスマッピング関数をＦとする場合、次の式のように、前記所定のカオスマッピング関数を繰り返し帰還的に使用して算出されるＮ個のＸ_i値であることを特徴とする請求項１に記載のプリアンブル生成方法。
   Ｘ_K+1＝Ｆ（Ｘ_K）
   ここで、ｋ＝０、１、２、３、．．．．である。
3. 前記所定のカオスマッピング関数は、ベルヌーイシフトマップ、テントマップ、ツイストテントマップ、及びシップマップのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のプリアンブル生成方法。
4. 前記カオスマッピング関数の逆マッピング関数を算出し、異なる値を有するＭ個のカオスサンプル各々に対して前記逆マッピング関数を繰り返し帰還的に使用することによって、前記Ｍ個のカオスサンプル別に複数の初期値を算出するステップと、
   前記Ｍ個のカオスサンプル別に算出された前記複数の初期値の中から、互いに距離が最大となる値を前記Ｍ個のカオスサンプルに対する各々の初期値として選定するステップと、
   選定されたＭ個の前記初期値に対して、前記（ａ）ステップないし前記（ｃ）ステップを各々行ってＭ個のプリアンブルを生成するステップと
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のプリアンブル生成方法。
5. 前記プリアンブルは、多重ピコネットを支援する超広帯域通信システムで用いられ、前記多重ピコネットの個数はＭ個であることを特徴とする請求項４に記載のプリアンブル生成方法。
6. 前記所定のビット数は、１６ビットであることを特徴とする請求項１に記載のプリアンブル生成方法。
7. 前記Ｎ個は、４個及び８個のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のプリアンブル生成方法。
8. Ｎ個のカオスサンプルを算出するカオスサンプル算出部と、
   算出された前記Ｎ個のカオスサンプルを各々所定ビット数の２進数に変化させ、変換されたＮ個の２進数を相次いで使用することによって、カオス系列ビットを算出するカオス系列算出部と、
   算出された前記カオス系列ビットに基づいてプリアンブルを生成するプリアンブル生成部と
   を備えることを特徴とするプリアンブル生成装置。
9. 前記カオスサンプル算出部は、
   入力値を所定のカオスマッピング関数に代入し出力値を算出するカオスマッピング関数部と、
   前記出力値を所定時間遅延させた後、再度前記カオスマッピング関数部の前記入力値として提供する遅延部と
   を備えることを特徴とする請求項８に記載のプリアンブル生成装置。
10. 前記所定のカオスマッピング関数は、ベルヌーイシフトマップ、テントマップ、ツイストテントマップ、及びシップマップの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項９に記載のプリアンブル生成装置。
11. 前記所定のビット数は、１６ビットであることを特徴とする請求項８に記載のプリアンブル生成装置。
12. 前記Ｎ個は、４個及び８個のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載のプリアンブル生成装置。
13. 前記プリアンブルは、超広帯域通信システムで同期化及びチャネル推定に用いられることを特徴とする請求項８に記載のプリアンブル生成装置。

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