KR20110017659A - Ultra-wideband transreceiver for wireless body area network - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An ultra-wideband transceiver for a WBAN(Wireless Body Area Network) is provided to more easily satisfy an FCC(Federal Communication Commission) emission mask by improving a UWB(Ultra-WideBand) signal at a frequency domain through the provision of a new transceiver structure for a WBAN network. CONSTITUTION: A transmitter(400) transfers a data channel signal used in a data channel of a WBAN and a control channel signal used in a control signal of a WBAN as a single modulation signal. A receiver separates the data channel signal and the control channel signal from the signal modulation signal. The receiver separates the data channel signal from the control channel signal through a PAM modulation by a bit unit, including plural pulses, if the control channel signal uses a narrow band.

Description

WBAN 시스템을 위한 UWB 송수신 장치{ULTRA-WIDEBAND TRANSRECEIVER FOR WIRELESS BODY AREA NETWORK}Wireless transceiver for WAN system {ULTRA-WIDEBAND TRANSRECEIVER FOR WIRELESS BODY AREA NETWORK}

본 발명의 실시예들은 WBAN 시스템의 데이터 통신에 적합한 UWB 송수신 장치에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a UWB transceiver for data communication of a WBAN system.

초광대역(ultra-wideband: UWB)은 단거리 고속 통신을 위하여 매우 낮은 에너지 레벨에서 사용할 수 있는 무선 기술로, 다른 시스템과 스펙트럼을 공유할 수 있도록 큰 대역폭(500 MHz 이상)을 사용한다. UWB 통신에서는 동일한 주파수대를 사용하는 종래의 다른 협대역 시스템과의 간섭이 크지 않도록 송신한다.Ultra-wideband (UWB) is a wireless technology that can be used at very low energy levels for short-range high-speed communications. It uses large bandwidth (> 500 MHz) to share spectrum with other systems. In UWB communication, transmission is performed so that interference with other conventional narrowband systems using the same frequency band is not large.

한편, Wireless Body Area Network(WBAN) 시스템은 인체에 부착하거나 이식할 수 있는 이동용 소형 통신 센서들로 구성되며, 당뇨, 천식 및 심장 발작과 같은 치명적인 인체의 변수나 움직임을 지속적으로 감시한다. 이러한 시스템은 무선 기술을 이용하여 통신하며, 인체에서 가정용 베이스 스테이션으로 데이터를 전송한다. 전송된 데이터는 병원 및 의원 등에 실시간으로 전달될 수 있다.The Wireless Body Area Network (WBAN) system, on the other hand, consists of mobile, compact communication sensors that can be attached to or implanted in the human body and continuously monitors vital human variables and movements such as diabetes, asthma and heart attacks. These systems communicate using wireless technology and transmit data from the human body to the home base station. The transmitted data can be delivered in real time to hospitals and clinics.

UWB는 WBAN에서 사용되도록 제안되고 있으며, IEEE 타스크 그룹 802.15.6에서 주관하고 있다. 다음과 같은 다섯 가지 이유로 인해 UWB는 WBAN시스템에서 사 용하기에 적합하다.UWB is proposed to be used in WBAN and is managed by IEEE task group 802.15.6. UWB is suitable for use in WBAN system for five reasons.

첫째, WBAN의 주요 적용분야는 건강관리로, 낮은 전력의 전파를 인체에 방사해야 하는 스펙트럼에 민감한 환경에서 적용된다. 센서는 소형이어야 하며 (센서는 인체에 이식될 것으로 기대됨), 따라서, 소형 소용량 배터리만 지원할 수 있다. UWB는 방사되는 전력이 낮고 전력의 효율이 높으므로 WBAN에 적용하기에 이상적인 기술이다.First, the main application of WBAN is healthcare, which is applied in spectrum-sensitive environments where low power radio waves must be emitted to the human body. The sensor must be compact (the sensor is expected to be implanted in the human body) and, therefore, can only support small, small capacity batteries. UWB has low radiated power and high power efficiency, making it an ideal technology for WBAN.

둘째, WBAN에서는 영상이 실시간으로 전송되므로, 데이터 전송률이 어느 정도 보장되어야 한다. UWB 펄스의 짧은 지속기간으로 인하여 매우 높은 데이터 전송률을 실현하기가 용이하고, 각 데이터 비트의 펄스 에너지를 단순히 통합하거나 코딩 기술을 이용하여 조합함으로써 데이터 전송률을 전송거리(range)와 쉽게 교환할 수 있다.Second, since video is transmitted in real time in WBAN, the data rate must be guaranteed to some extent. Due to the short duration of the UWB pulses, it is easy to realize very high data rates, and the data rates can be easily exchanged for a range by simply integrating or combining the pulse energy of each data bit using coding techniques. .

셋째, 넓은 대역폭으로 인하여 UWB는 높은 스펙트럼 해상도를 가지며, 이는 실시간 탐색에 유용하다. 일반적으로, 센서의 위치에 기반하여 정보를 수집하므로, WBAN 시스템에서 탐색은 중요한 문제이다.Third, because of the wide bandwidth, UWB has a high spectral resolution, which is useful for real-time searching. In general, since information is collected based on the position of the sensor, navigation is an important problem in the WBAN system.

넷째, WBAN에서 사용되는 센서는 소형이며, 무게가 가볍고, 사용하기 쉽고, 재구성이 가능하도록 최대한 단순하여야 한다. UWB는 이러한 요구조건을 충족시킨다.Fourth, the sensor used in the WBAN should be as small as possible, light in weight, easy to use, and reconfigurable. UWB meets these requirements.

다섯째, 대부분의 센서는 제한된 면적 내에서 사용되므로 WBAN 망에서 다중 엑세스는 중요한 문제이며, 이는 UWB에서 Time Hopping(TH) 코드 또는 Direct Sequence Spread Spectrum(DS) 코드와 같은 채널화 코드에 의하여 쉽게 실현될 수 있다.Fifth, since most sensors are used within a limited area, multiple accesses are an important issue in WBAN networks, which can be easily realized by channelization codes such as time hopping (TH) codes or direct sequence spread spectrum (DS) codes in UWB. Can be.

UWB 통신을 기반으로 한 WBAN 기술은 아직 초기 단계에 있으나 이에 대한 연구는 폭 넓게 진행 중이다.WBAN technology based on UWB communication is still in its infancy, but research on it is extensive.

본 발명의 일실시예는 WBAN 시스템에 최적화 된 특성과 성능을 구현할 수 있는 UWB 송수신 장치를 제공한다.One embodiment of the present invention provides a UWB transceiver that can implement the characteristics and performance optimized for the WBAN system.

본 발명의 일실시예에 따른 UWB 송수신 장치는 WBAN(wireless body area network) 시스템의 데이터 통신을 위한 UWB(ultra-wideband) 송수신 장치에 있어서, WBAN 망의 데이터 채널에서 사용되는 데이터 채널 신호 및 상기 WBAN 망의 제어 채널에서 사용되는 제어 채널 신호를 단일 변조 신호로 전송하는 송신기; 및, 상기 단일 변조 신호로부터 상기 데이터 채널 신호와 제어 채널 신호를 분리하여 수신하는 수신기를 포함한다.The UWB transceiver according to an embodiment of the present invention is an ultra-wideband (UWB) transceiver for data communication of a wireless body area network (WBAN) system, and a data channel signal and a WBAN used in a data channel of a WBAN network A transmitter for transmitting a control channel signal used in a control channel of the network as a single modulated signal; And a receiver configured to receive the data channel signal and the control channel signal separately from the single modulated signal.

본 발명의 일실시예에서 상기 데이터 채널은 TH 코드(time hopping code)에 따라 PPM(pulse position modulation) 변조된 신호를 사용한다.In one embodiment of the present invention, the data channel uses a pulse position modulation (PPM) modulated signal according to a time hopping code (TH code).

본 발명의 일실시예에서 상기 제어 채널은 밀러 코드(miller code)에 따라 PAM(pulse amplitude modulation) 변조된 신호를 사용한다.In one embodiment of the present invention, the control channel uses a pulse amplitude modulation (PAM) modulated signal according to a miller code.

본 발명의 일실시예에서 상기 수신기는 상기 제어 채널 신호가 협대역(narrow band)을 사용하지 않을 경우, 하나의 펄스를 포함하는 심볼 단위로 이루어지는 경 판정(hard decision)과 복수의 펄스를 포함하는 비트 단위로 이루어지는 연 판정(soft decision)을 수행하여 상기 데이터 채널 신호와 제어 채널 신호를 분리할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the control channel signal does not use a narrow band, the receiver includes a hard decision and a plurality of pulses, which are made in symbol units including one pulse. The data channel signal and the control channel signal may be separated by performing a soft decision in units of bits.

본 발명의 일실시예에서 상기 수신기는 상기 제어 채널 신호가 협대역(narrow band)을 사용할 경우, 복수의 펄스를 포함하는 비트 단위로 PAM 복조에 의해 상기 데이터 채널 신호와 제어 채널 신호를 분리할 수 있다.In an embodiment of the present invention, when the control channel signal uses a narrow band, the receiver may separate the data channel signal and the control channel signal by PAM demodulation in units of bits including a plurality of pulses. have.

본 발명의 일실시예에 따르면, 하나의 변조 신호를 통하여 제어 채널 정보와 함께 데이터 채널 정보를 전송할 수 있는, WBAN 망을 위한 새로운 트랜시버 구조를 제공할 수 있다. 이러한 방식을 이용하면, UWB 신호가 주파수 영역에서 개선되므로 신호는 FCC(Federal Communication Commission) 에미션 마스크(emission mask)를 보다 쉽게 충족할 수 있다. 제어 채널의 수신 성능은 전송 속도의 영향을 받을 수 있고, 전송 속도와 수신 성능 사이의 조정이 새로운 방식으로 해석될 수 있다. 개선된 수신 성능으로 인하여, 제어 채널의 정보를 더욱 멀리 전송할 수 있으며, 이는 망의 구축 및 유지보수에 유리하다. 무엇보다도, 이러한 방식은 실현하기가 매우 간단하고 기존의 펄스 기반 UWB 시스템과 호환성이 있으므로 WBAN 센서 망에 적합하다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a new transceiver structure for a WBAN network, which can transmit data channel information together with control channel information through one modulation signal. Using this approach, the UWB signal is improved in the frequency domain so that the signal can more easily meet the Federal Communication Commission (FCC) emission mask. The reception performance of the control channel can be affected by the transmission rate, and the adjustment between the transmission rate and the reception performance can be interpreted in a new way. Due to the improved reception performance, the information of the control channel can be transmitted farther, which is advantageous for the construction and maintenance of the network. Best of all, this approach is very simple to implement and is compatible with existing pulse-based UWB systems, making it suitable for WBAN sensor networks.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

본 발명의 일실시예에 따른 UWB 송수신 장치는 WBAN 시스템에 적용할 수 있는 데이터 송수신 기능을 수행한다. 이러한 UWB 송수신 장치는 데이터 채널 신호 와 제어 채널 신호를 물리계층에서 단일 변조 신호로 결합할 수 있다. 신호의 변조에는 PPM(Pulse Position Modulation) 및 PAM(Pulse Amplitude Modulation)이 이용될 수 있다.The UWB transmission / reception apparatus according to an embodiment of the present invention performs a data transmission / reception function applicable to a WBAN system. The UWB transceiver may combine the data channel signal and the control channel signal into a single modulated signal in the physical layer. Pulse position modulation (PPM) and pulse amplitude modulation (PAM) may be used for modulation of the signal.

신호의 구성Signal composition

먼저, 송신 신호의 포맷에 대하여 설명한다. 여기서, 신호의 포맷은 두 개의 부분으로 구분된다. 첫째, 정보를 제한된 간섭 내에서 고속으로 전송하기 위하여 WBAN의 데이터 채널에서 PPM-TH UWB 신호를 사용한다. 둘째, 좁은 대역폭을 가지는 PPM-TH UWB 신호 상에 밀러 코드화 제어 비트가 PAM방식으로 변조되어 WBAN 시스템의 제어 채널로 사용된다.First, the format of the transmission signal will be described. Here, the format of the signal is divided into two parts. First, the PPM-TH UWB signal is used in the data channel of the WBAN to transmit information at high speed within limited interference. Second, the Miller coded control bits are modulated by PAM on the narrow bandwidth PPM-TH UWB signal and used as a control channel of the WBAN system.

1. 데이터 채널 신호1. Data channel signal

데이터 채널에서는 PPM-TH UWB 전송 신호가 사용되고 이는 일련의 짧은 펄스인 모노싸이클이다. 일반적으로 모노싸이클은 일정한 지속기간 T p 를 가지는 가우시안 형태의 펄스이고, 시간 구간 [0, T p ] 바깥에서는 영(zero)이다. 지속기간은 나노세컨드의 차수를 가지며, GHz의 차수를 가지는 대역폭을 산출한다. 도 1은 단일 비트 파형의 일 예를 도시한 것(여기서, T b =5T s , T s =3T c , T c =2T p =2ε이고, 즉, N s =5, N c =3, T p =ε이다.)이다.In the data channel, a PPM-TH UWB transmission signal is used, which is a monocycle, a series of short pulses. Monocycles typically have a constant duration It is a Gaussian pulse with T p and zero outside the time interval [0, T p ]. The duration is on the order of nanoseconds and yields a bandwidth on the order of GHz . 1 illustrates an example of a single bit waveform, where T b = 5 T s , T s = 3 T c , T c = 2 T p = 2 ε , ie N s = 5, N c = 3, T p = ε ).

파형은 지속기간 T b 동안 모노싸이클로 구성된다. 파형은 지속기간이 T s N s 개의 심볼로 분할되고(T s =T b /N s >>T p ), 각각의 심볼에 하나의 모노싸이클이 존재한다. 각각의 심볼은 N c 개의 칩으로 분할되고, 각 칩의 지속시간은 T c 이다(T c =T s /N c >T p ). 모노싸이클은 TH 코드에 따라 무작위로 선택된 칩에 위치한다. PPM변조를 고려하여 칩 내에서 모노싸이클의 위치는 입력 비트에 의하여 결정된다. ε<T c 일 때, ε은 위치 이동 인자(position shift factor)를 나타낸다. 본 발명의 일실시예에서는 이진 PPM이 고려되므로, 단순히 ε=T p 로 설정하고, 모노싸이클 사이의 PPM에 의한 오버랩은 고려하지 않는다(T c 2ε).Waveform is duration It consists of a monocycle during T b . Waveforms have a duration T s is divided into N s symbols ( T s = T b / N s >> T p ), and there is one monocycle in each symbol. Each symbol is divided into N c chips, and the duration of each chip is T c ( T c = T s / N c > T p ). The monocycle is located on a randomly selected chip according to the TH code. Considering the PPM modulation, the position of the monocycle in the chip is determined by the input bits. When ε < T c , ε represents a position shift factor. In one embodiment of the present invention, since binary PPM is considered, simply set ε = T p , and do not consider overlap by PPM between monocycles ( T c 2 ε ).

C m (u) 는 사용자 um번째 심볼의 TH 코드를 나타낸다. TH 코드는 사용자를 지정하기 위하여 사용하므로 주어진 사용자에 대하여 각 비트 내에서 동일하다. b j (u) 는 사용자 uj번째 비트를 나타내고, 사용자 uj번째 비트를 전송하기 위한 파형은 다음과 같이 간결하게 표현할 수 있다. C m (u) is the user Represents the TH code of the m th symbol of u . The TH code is used to specify the user, so it is the same in each bit for a given user. b j (u) is the user indicates the j th bit of u and the user The waveform for transmitting the j th bit of u can be expressed briefly as follows.

Figure 112009049778211-PAT00001
Figure 112009049778211-PAT00001

여기서, w(t)는 모노싸이클을 나타낸다. 사용자 u 의 전송 순서는 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.Where w (t) represents a monocycle. user The transmission order of u may be defined as in Equation 1.

Figure 112009049778211-PAT00002
Figure 112009049778211-PAT00002

2. 제어 채널 신호2. Control channel signal

본 발명의 일실시예는 밀러 코드화 제어 신호가 PAM방식으로 변조되어 데이터 채널 신호 상에 추가됨으로써 전력 소모를 줄일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Miller coded control signal is modulated in a PAM scheme and added to the data channel signal, thereby reducing power consumption.

구체적으로, 제어 채널의 각 비트에 대하여 밀러 코드화 신호가 생성되어 다시 PAM방식으로 변조된다. 변조된 신호는 데이터 채널의 해당 모노싸이클과 곱해진다. 일반적으로 제어 채널의 전송 속도가 데이터 채널의 전송 속도보다 매우 낮기 때문에 데이터 채널의 비트 전송률이 1/T b 라고 가정하고, 1/(T b × N a )는 제어 채널의 비트 전송률을 나타낸다. 제어 채널의 비트 지속기간은 T b × N a 이다. 도 2는 데이터 채널과 제어 채널의 복합된 신호(1 control bit and 4 data bits)의 일 예를 도시한 것이다. 여기서, T a =4T b 이다.Specifically, a Miller coded signal is generated for each bit of the control channel and modulated again using the PAM method. The modulated signal is multiplied by the corresponding monocycle of the data channel. In general, since the transmission rate of the control channel is much lower than that of the data channel, it is assumed that the bit rate of the data channel is 1 / T b , and 1 / ( T b × N a ) represents the bit rate of the control channel. The bit duration of the control channel is T b × N a . 2 illustrates an example of a combined signal (1 control bit and 4 data bits) of a data channel and a control channel. Where T a = 4 T b .

파형은 PPM 및 PAM으로 변조된 모노싸이클에 의하여 형성된다. PPM은 데이터 채널의 정보를 전달하고, PAM은 밀러 코드화된 제어 채널의 정보를 전달한다. T a = T b × N a 일 때 제어 채널의 비트 지속기간은 T a 이다. 데이터 채널과 제어 채널의 비트는 독립적이고, 따라서, PPM 및 PAM의 변조는 독립적이다.The waveform is formed by monocycles modulated with PPM and PAM. The PPM carries the information of the data channel, and the PAM carries the information of the Miller coded control channel. When T a = T b × N a , the bit duration of the control channel is Is T a . The bits of the data channel and the control channel are independent, and therefore the modulation of the PPM and PAM is independent.

본 발명의 일실시예에 따르면, N a 의 값은 어떠한 장점을 얻을 수 있을 정도 로 큰 값이어야 하지만, 그 값이 크면 제어 채널의 비트 전송률이 감소하므로 그 값을 결정하기 위하여 조정이 필요하다. 적어도 T a T b 는 같은 값이 아니고, Direct Sequence - Impulse Radio(DS-IR)와는 다르다. 밀러 인코딩은 타이밍 정보를 전달할 수 있는 능력이 있고 반 간섭 능력이 탁월하므로 본 발명의 일실시예에서는 밀러 코드를 채택한다. WBAN 시스템에서 관심을 가지는 다른 중요한 점은 다른 기저 대역 코딩 방법에 비하여 좁은 대역폭에서 하나의 비트를 전송할 수 있다는 것이다. 즉, 다른 방법에 비하여 스펙트럼 효율이 높다는 것이다.According to one embodiment of the present invention, the value of N a should be large enough to obtain some advantages, but if the value is large, the bit rate of the control channel is reduced, so adjustment is necessary to determine the value. At least T a and T b are not the same value and differ from Direct Sequence-Impulse Radio (DS-IR). Miller encoding has the ability to convey timing information and excellent anti-interference capability, so one embodiment of the present invention employs Miller code. Another important point of interest in WBAN systems is that one bit can be transmitted in a narrow bandwidth compared to other baseband coding methods. That is, spectral efficiency is higher than other methods.

밀러 코드화 제어 비트의 중간에서 극성 반전이 있을 수 있으므로, 반 비트의 지속기간 동안만 제어 채널 신호에 대하여 극성이 안정된다. a i (u) 는 사용자 u를 위한 제어 신호의 i번째 반 비트를 나타내고, 이는 N a /2 개의 데이터 비트와 동일한 지속기간을 가진다. N a 는 고려되는 상황을 단순하게 하기 위하여 짝수로 정의한다. 마지막으로, 수학식 1을 고려할 때, 사용자 u의 전송 순서는 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.There may be polarity reversal in the middle of the Miller coded control bits, so that the polarity is stable for the control channel signal only for the duration of a half bit. a i (u) represents the i th half bit of the control signal for user u , which has a duration equal to N a / 2 data bits. N a is defined as an even number to simplify the situation under consideration. Finally, considering Equation 1, the transmission order of user u may be defined as in Equation 2.

Figure 112009049778211-PAT00003
Figure 112009049778211-PAT00003

여기서, b i ,j (u) 는 사용자 u의 제어 채널의 i번째 반 비트의 지속기간에서 j t 번째 데이터 비트이다. 하나의 입력 비트가 밀러 코딩 방식에 의하여 두 개의 출 력 비트로 코드화되므로 코드화된 제어 비트의 지속기간은 T a /2, 즉 N a /2 개 데이터 비트의 지속기간이 된다.Where b i , j (u) is the j t th data bit in the duration of the i th half bit of the control channel of the user u . Since one input bit is coded into two output bits by the Miller coding scheme, the duration of the coded control bits is T a / 2, that is, the duration of N a / 2 data bits.

스펙트럼 분석Spectral analysis

본 발명의 일실시예에서는, 제안된 방식에 대한 PSD(Power Spectral Density)를 분석하고 이에 근거한 수신기 구조를 구현한다.In one embodiment of the present invention, the power spectral density (PSD) for the proposed scheme is analyzed and a receiver structure based on the proposed scheme is implemented.

1. 변형 기술(Transmutative Description)1. Transmutative Description

본 발명의 일실시예는 PSD를 분석하기 위하여 서로 다른 채널의 신호를 독립적으로 고려한다. 수학식 2를 수학식 3과 같이 수정한다.One embodiment of the present invention considers signals of different channels independently to analyze the PSD. Equation 2 is modified as in Equation 3.

Figure 112009049778211-PAT00004
Figure 112009049778211-PAT00004

여기서,

Figure 112009049778211-PAT00005
는 제어 채널의 신호를 나타내고,
Figure 112009049778211-PAT00006
는 데이터 채널의 신호를 나타낸다. 수학식 2의 신호는 펄스(모노싸이클)로 구성된 복합 신호이고, 수학식 3에서
Figure 112009049778211-PAT00007
만 펄스(모노싸이클)를 나타내고,
Figure 112009049778211-PAT00008
는 PAM방식으로 변조된 밀러 코드화 신호이다. 이때, 수학식 3은 펄스에 대한 표현을 포함하지 않는다. 따라서, 제어 채널의 신호가 PAM방식으로 변조된 후 데이터 채널의 신호와 곱해진 신호가 전체 신호로 보여질 수 있다. 변조 후 제어 채널 및 데이터 채널 모두의 신호가 하나의 신호로 합하여진다.here,
Figure 112009049778211-PAT00005
Represents the signal of the control channel,
Figure 112009049778211-PAT00006
Denotes the signal of the data channel. The signal of Equation 2 is a complex signal consisting of a pulse (monocycle),
Figure 112009049778211-PAT00007
Represents a full pulse (monocycle),
Figure 112009049778211-PAT00008
Is a Miller coded signal modulated by the PAM method. In this case, Equation 3 does not include an expression for the pulse. Therefore, after the signal of the control channel is modulated by the PAM method, the signal multiplied by the signal of the data channel can be seen as a whole signal. After modulation, the signals of both the control channel and the data channel are summed into one signal.

2. 수학적 표현2. Mathematical Expression

하나의 사용자가 정해지면 수학식 3의 퓨리에 변환은 수학식 4와 같다.When one user is determined, the Fourier transform of Equation 3 is equal to Equation 4.

Figure 112009049778211-PAT00009
Figure 112009049778211-PAT00009

여기서, *는 컨볼루션 연산자, W C (f)는 밀러 코드화 제어 신호의 PSD, W D (f)는 데이터 채널 신호(PPM-TH UWB)의 PSD를 나타낸다.Where * is the convolution operator, W C (f) is the PSD of the Miller coded control signal, and W D (f) is the PSD of the data channel signal PPM-TH UWB.

W C (f)와는 수학식 5를, W D (f)는 수학식 6을 통해 구할 수 있다. W C (f) can be obtained from equation ( 5 ) , and W D (f) can be obtained from equation (6).

Figure 112009049778211-PAT00010
Figure 112009049778211-PAT00010

(단,

Figure 112009049778211-PAT00011
)(only,
Figure 112009049778211-PAT00011
)

Figure 112009049778211-PAT00012
Figure 112009049778211-PAT00012

(단,

Figure 112009049778211-PAT00013
이고, W 0 (f) 는 모노싸이클의 PSD이다.)(only,
Figure 112009049778211-PAT00013
And W 0 (f) is the PSD of the monocycle.)

수학식 6을 연속 및 이산 성분으로 나누면, 제안된 방식의 PSD는 W C (f)와 두 성분 각과의 컨볼루션에 의하여 얻어진다.Dividing Equation 6 into continuous and discrete components, the PSD of the proposed scheme is obtained by convolution of W C (f) and the two component angles.

2-1. W C (f)와 연속 성분의 컨볼루션2-1. Convolution of W C (f) with Continuous Components

Figure 112009049778211-PAT00014
Figure 112009049778211-PAT00014

수학식 7에서, W v (f)W C (f)의 대역폭을 결정하는 요소는 각각 T p T a 이다. T p T a 에 비하여 매우 크기 때문에 W C (f)W v (f)에 비하여 협대역 신호이다. 따라서, 수학식 7에 표현된 PSD는 W v (f)의 PSD와 거의 같은 형태를 유지하고, W 1 (f)의 진폭만 W C (f)의 영향을 받는다. 제안된 방식의 PSD는 여전히 펄스 기반의 UWB PSD이고, 주 전력은 여전히 [0, 5/T p ]에 집중되어 있으며, 제안된 방식의 대역폭은 5/T p 가 된다.In Equation 7, the elements that determine the bandwidth of W v (f) and W C (f) are T p and T a, respectively. W C (f) is a narrowband signal compared to W v (f) because T p is much larger than T a . Therefore, influenced by the PSD are W v (f) amplitude man W C (f) of the PSD and holding substantially the same form, and W 1 (f) of the expression in equation (7). The proposed scheme is still a pulse based UWB PSD, the main power is still concentrated at [0, 5 / T p ], and the bandwidth of the proposed scheme is 5 / T p .

2-2. W C (f)와 이산 성분의 컨볼루션2-2. Convolution of W C (f) with Discrete Components

Figure 112009049778211-PAT00015
Figure 112009049778211-PAT00015

수학식 8에서, 밀러 코드화 제어 채널 신호의 PSD는 진폭이 약간 변화된 후 f=n/T b 로 전달되고, f=n/ T b 에서 대칭이 된다. T a 가 증가하면 수학식 5에 의하여 W 2 (f)도 증가하고, 이는 전력 피크가 증가함을 의미한다.In Equation 8, the PSD of the Miller coded control channel signal is transferred to f = n / T b after the amplitude is slightly changed, and becomes symmetric at f = n / T b . When T a increases, W 2 (f) also increases according to Equation 5, which means that the power peak increases.

또한, 진폭의 변화에 의한 영향을 고려하면,In addition, considering the influence of the change in amplitude,

Figure 112009049778211-PAT00016
가 된다.
Figure 112009049778211-PAT00016
Becomes

W 0 (f) 가우시안 형태의 모노싸이클의 PSD이며, 이는 대역폭 [0, 5/T p ]에서 거의 일정하다. n= kT b / T p 일 때만 수학식 9에서 피크치를 얻으며, 이 외의 n 값에 대해서는 PSD 값이 매우 낮아진다. 이때, k는 양의 정수의 원소일 수 있다. W 0 (f) is a PSD of a Gaussian type monocycle, which is almost constant in bandwidth [0, 5 / T p ]. The peak value is obtained in Equation 9 only when n = kT b / T p , and the PSD value is very low for other n values. In this case, k may be a positive integer element.

Figure 112009049778211-PAT00017
Figure 112009049778211-PAT00017

수학식 8에 n= kT b / T p 을 대입하면, f=n/ T P 일 때만 현저한 PSD 피크가 존재한다. 이는 밀러 코드화 제어 채널 정보가 스펙트럼 위치 f=k/ T p 로 상당한 전력을 가지고 전달되며, 나머지의 스펙트럼 위치에서의 전력은 매우 작아 무시할 수 있음을 의미한다. 가우시안 형태의 UWB 신호의 주 전력은 [0, 5/T p ]에 집중되는 것을 알 수 있고, 전달된 제어 채널 신호는 k=1,2,3,4,5 일 때 주로 f=k/ T p 에 존재한다고 할 수 있다.Substituting n = kT b / T p into Equation 8, there is a significant PSD peak only when f = n / T P. This means that the Miller coded control channel information is delivered with significant power to the spectral position f = k / T p , and the power at the rest of the spectral position is very small and can be ignored. It can be seen that the main power of the Gaussian type UWB signal is concentrated at [0, 5 / T p ], and the transmitted control channel signal is mainly f = k / T when k = 1,2,3,4,5. It can be said that it exists in p .

본 발명의 일실시예에서 제안된 방식을 시뮬레이션하기 위한 파라미터를 표 1과 같이 설정한다.Parameters for simulating the proposed scheme in one embodiment of the present invention are set as shown in Table 1.

Figure 112009049778211-PAT00018
Figure 112009049778211-PAT00018

그리고, 도 3은 PSD의 시뮬레이션으로 (a)는 밀러 코드의 이론적인 PSD, (b)는 밀러 코드화 제어 채널 신호의 PSD, (c)는 데이터 채널 신호(PPM-TH UWB)의 PSD, (d)는 제안된 방식의 PSD, (e)는 데이터 채널 신호(PPM-TH UWB)의 2GHz 부근에서의 PSD, (f)는 제안된 방식의 2GHz 부근에서의 PSD를 도시한 것이다.3 is a simulation of the PSD, (a) the theoretical PSD of the Miller code, (b) the PSD of the Miller coded control channel signal, (c) the PSD of the data channel signal (PPM-TH UWB), (d ) Shows a PSD of the proposed scheme, (e) shows a PSD near 2 GHz of the data channel signal PPM-TH UWB, and (f) shows a PSD near 2 GHz of the proposed scheme.

도 3 (a)에서, W C (f)는 이산 성분을 포함하지 않으며, 스펙트럼 효율은 대략 2bit/s/Hz이다. 수학식 5에서, T a 가 증가하면 PSD의 피크치가 증가하고, 밀러 코딩을 위하여 타이밍 정보가 신호에 포함되는데, 이는 잡음을 방지하는데 유리하다. 이와 같은 이유로 본 발명의 일실시예에서는 기저 대역 코딩 방법을 채택한다.In Fig. 3 (a), W C (f) does not contain a discrete component, and the spectral efficiency is approximately 2 bit / s / Hz. In Equation 5, increasing T a increases the peak value of the PSD, and timing information is included in the signal for Miller coding, which is advantageous for preventing noise. For this reason, an embodiment of the present invention adopts a baseband coding method.

도 3 (c) 내지 (f)는 PPM-TH UWB의 스펙트럼 특성과 본 발명의 일실시예에서 제안한 방식을 설명한다. 결론적으로, PPM-TH UWB에 대한 이산 PSD가 존재하고, 사용 가치가 있는 정보를 전혀 전달하지 못하는 이산 PSD의 비율이 크기 때문에, 전력의 대부분이 낭비되고 방사 전력에 대한 규제를 결정적으로 위반하게 된다. 반면에, 본 발명의 일실시예에 따른 제안된 방식에서는, 대부분의 이산 PSD가 억제되고 일부 이산 PSD는 사용 가치가 있는 제어 채널 정보로 대체되기 때문에, 전력의 효율이 높아지고 방사 전력에 대한 규제를 만족하게 된다.3 (c) to 3 (f) illustrate the spectral characteristics of the PPM-TH UWB and the scheme proposed in one embodiment of the present invention. In conclusion, the presence of discrete PSDs for PPM-TH UWB, and the large proportion of discrete PSDs that do not carry any valuable information, wastes most of the power and decisively violates regulations on radiated power. . On the other hand, in the proposed scheme according to an embodiment of the present invention, since most discrete PSDs are suppressed and some discrete PSDs are replaced with valuable control channel information, power efficiency is increased and regulation of radiated power is restricted. You will be satisfied.

도 3 (d)에서, 전력의 피크는 2GHz, 4GHz, 6GHz 및 8GHz에서 발생하고, 이것으로 제어 채널 신호에 대한 결론(f=k/ T p , k=1,2,3,4,5)을 증명할 수 있다. 10 GHz에서는 PSD가 너무 작아서 이를 고려하지 않는다.In FIG. 3 (d), the peaks of power occur at 2 GHz, 4 GHz, 6 GHz and 8 GHz, which leads to conclusions on the control channel signal ( f = k / T p , k = 1,2,3,4,5). Can prove. At 10 GHz, the PSD is too small to be considered.

도 3 (e) 및 (f)는 각각 PPM-TH UWB의 2GHz 부근에서의 PSD 및 본 발명의 일실시예에서 제안된 방식을 보여준다. 도 3 (e)의 이산 PSD는 도 3 (f)의 연속 PSD로 대체된다. 또한, 도 3 (b)와 (f)를 비교하면, 제어 채널의 정보는 PPM-TH UWB에서 사용하지 않는 이산 펄스인 2GHz 부근에서 정확히 전달되며, 이 또한 제어 채널 신호에 대한 분석과 일치한다.3 (e) and (f) show the PSD in the vicinity of 2GHz of the PPM-TH UWB and the scheme proposed in one embodiment of the present invention, respectively. The discrete PSD of FIG. 3 (e) is replaced with the continuous PSD of FIG. 3 (f). In addition, comparing FIGS. 3 (b) and 3 (f), the information of the control channel is accurately transmitted in the vicinity of 2 GHz, which is a discrete pulse not used in the PPM-TH UWB, which is also consistent with the analysis of the control channel signal.

제안된 방식의 특성은 다음과 같이 요약할 수 있다.The characteristics of the proposed scheme can be summarized as follows.

첫째, 하나의 신호에 의하여 두 개의 채널이 정보를 전송한다.First, two channels transmit information by one signal.

둘째, UWB 시스템의 PSD가 개선되므로, 전력 낭비가 줄어들고 FCC 마스크를 충족하기가 쉽다.Second, the PSD in the UWB system is improved, reducing power dissipation and making it easier to meet FCC masks.

셋째, 제어 채널의 정보는 주파수 영역에서 일부 협대역을 통하여 전송되므로, 제어 정보를 이와 같은 특별한 협대역을 통하여 송수신할 수 있다.Third, since the information of the control channel is transmitted through some narrow band in the frequency domain, control information can be transmitted and received through this special narrow band.

도 3 (d)에서, 제어 채널의 정보를 전송하는데 사용하는 스펙트럼 위치의 PSD가 다른 스펙트럼 위치의 PSD보다 월등히 크기 때문에, 이러한 전력 피크는 전력 방사에 대한 규제(FCC 마스크)를 위반할 수 있다. 전력 피크가 전력 방사 규제를 위반하면, 전력 피크의 대역폭이 협대역인 것을 알고 있으므로 전력 피크의 위치에서 적법한 대역폭이 시스템에 적용되는 것으로 가정할 수 있다.In FIG. 3 (d), since the PSD of the spectral position used to transmit the information of the control channel is much larger than the PSD of the other spectral position, this power peak may violate the regulation on power emission (FCC mask). If the power peak violates the power emission regulation, we know that the bandwidth of the power peak is narrowband, so we can assume that a legitimate bandwidth is applied to the system at the location of the power peak.

UWBUWB 송수신 장치 Transceiver

본 발명의 일실시예에서는 두 가지 경우(전력 피크의 FCC 마스크 위반 여부)를 고려하여 UWB 송수신 장치를 구현한다.In one embodiment of the present invention, a UWB transceiver is implemented in consideration of two cases (whether the power peak violates the FCC mask).

본 발명의 일실시예는 AWGN(Additive White Gaussian Noise)에 가장 적합한 수신기를 고려한다. 이하에서는, 임의 사용자 u에 대한 트랜시버가 정해져 있고 동기화는 완전한 것으로 가정한다.One embodiment of the present invention considers a receiver that is most suitable for Additive White Gaussian Noise (AWGN). In the following, it is assumed that transceivers for any user u are specified and synchronization is complete.

1. 송신기1. Transmitter

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 UWB 송수신 장치의 송신기(400) 구조를 도시한 것으로, PPM-TH UWB의 송신기 구조를 고려하여 제안한 것이다.4 illustrates a structure of a transmitter 400 of a UWB transceiver according to an embodiment of the present invention, and is proposed in consideration of a transmitter structure of a PPM-TH UWB.

데이터 채널에 대하여 이진 시퀀스

Figure 112009049778211-PAT00019
가 주어지고, 이는
Figure 112009049778211-PAT00020
의 비율로 생성된다. 펄스의 발생을 담당하는 반복 인코더(401)에 의하여 각 비트가 N s 회 반복된다. 이 후, 비트 지속기간이 T s 로 변경된다. 전송 인코더(402) 내에서 각 펄스의 위치가 쉬프트된다.Binary Sequence for Data Channels
Figure 112009049778211-PAT00019
Is given,
Figure 112009049778211-PAT00020
Is generated at the rate of. Each bit is repeated N s times by a repeat encoder 401 which is responsible for generating the pulse. After this, the bit duration is changed to T s . The position of each pulse within the transmit encoder 402 is shifted.

한편, 제어 채널에 대하여 이진 시퀀스가

Figure 112009049778211-PAT00021
의 비율로 발생하고, 이 비율은 계속 유지된다. 밀러 인코더(403)에서 두 개 채널의 비트 전송률은 일치해야 한다. 즉, T a =N a ×T b =N a ×N s ×T s 이다. 여기서, N s 는 데이터 채널에 의하여 결정되고, 데이터 채널의 수신 성능과 관계가 있다. N a 는 제어 채널과 데이터 채널의 전송 속도의 차에 의하여 결정되고,
Figure 112009049778211-PAT00022
로 표현된다. <스펙트럼 분석> 항목에서 상기한 바와 같이 PSD는 N a 와 관련이 있기 때문에(N a 가 증가하면 T a 도 증가하고, 따라서 PSD의 피크치도 증가한다) PSD도 고려되어야 한다. 또한, 제어 채널의 수신성능도 고려해야 한다.On the other hand, binary sequences for control channels
Figure 112009049778211-PAT00021
Occurs at the rate of, and this rate is maintained. In Miller encoder 403, the bit rates of the two channels must match. That is, T a = N a × T b = N a × N s × T s . Here, N s is determined by the data channel and is related to the reception performance of the data channel. N a is determined by the difference between the transmission rates of the control channel and the data channel,
Figure 112009049778211-PAT00022
It is expressed as (And N a is increased with increase in the peak value of increase in T a, and hence PSD) PSD is because they are associated with a N as described above in <spectrum analysis> items should be considered PSD. In addition, the reception performance of the control channel should be considered.

비 실수 곱셈기(406)에 의하여 두 채널 사이의 곱셈기가 실현된다. 제어 채널의 신호는 펄스로 구성된 데이터 채널의 신호와 상이하다. 제어 채널의 신호는 연속 직류 신호로, 비트의 경계 또는 중간에서 극성의 반전이 일어난다. 따라서 곱셈이 실행될 때 제어 채널의 신호를 단순히 기준신호로 사용하여, 기준신호가 음의 영역이면 데이터 채널의 펄스의 위상이 반전되고, 그 이외의 경우에는 아무런 변화가 없다. M-ary PAM 변조에서는 전송 전력을 규제하기 위하여 기준신호의 진폭을 사용할 수 있다.A non-real multiplier 406 realizes a multiplier between two channels. The signal of the control channel is different from the signal of the data channel consisting of pulses. The signal of the control channel is a continuous direct current signal, in which polarity inversion occurs at the boundary or middle of the bit. Therefore, when the multiplication is performed, the signal of the control channel is simply used as the reference signal. If the reference signal is a negative region, the phase of the pulse of the data channel is inverted, otherwise there is no change. In M-ary PAM modulation, the amplitude of the reference signal may be used to regulate the transmission power.

펄스 성형기(407) 이후에서 전력의 피크치가 FCC마스크를 초과할 수 있다. 이 경우, 제어신호가 사용하는 협대역을 합법적인 스펙트럼 대역으로 사용할 수 있으므로 제어 채널과 데이터 채널을 분리하기 위하여 협대역 필터가 필요하다.The peak value of power after the pulse shaper 407 may exceed the FCC mask. In this case, since the narrow band used by the control signal can be used as a legal spectrum band, a narrow band filter is necessary to separate the control channel and the data channel.

2. 수신기2. Receiver

신호가 다중 사용자 간의 간섭이 없이 zero mean 및 N 0 /2 variance AWGN 채널을 통하여 전송되는 것으로 가정한다. 수신 신호는

Figure 112009049778211-PAT00023
이고, 채널 페이딩이 포함되어 있으면
Figure 112009049778211-PAT00024
이다. 여기서,
Figure 112009049778211-PAT00025
는 페이딩 팩터이다. 펄스의 모양에 미치는 송수신기 안테나의 영향은 이미 송신기(400) 측의 펄스 성형기(407)에서 완벽하게 고려한 것으로 가정한다.It is assumed that the signal is transmitted through a zero mean, and N 0/2 variance AWGN channel without interference between multiple users. The incoming signal is
Figure 112009049778211-PAT00023
, If channel fading is included
Figure 112009049778211-PAT00024
to be. here,
Figure 112009049778211-PAT00025
Is the fading factor. It is assumed that the influence of the transceiver antenna on the shape of the pulse has already been fully considered in the pulse shaper 407 on the transmitter 400 side.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 UWB 송수신 장치의 수신기(500) 구조를 도시한 것으로, 단일 펄스의 최적 수신기 구조를 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a structure of a receiver 500 of a UWB transceiver according to an embodiment of the present invention, and illustrates an optimal receiver structure of a single pulse.

2-1. 협대역 필터(501)가 없는 경우2-1. Without narrowband filter 501

송신 파워의 피크치가 방사 규제의 범위 내에 있으면, 수신기(500) 측에는 협대역 필터(501)가 필요하지 않고, 수신 신호는 모두 데이터 채널 및 제어 채널에 대한 UWB신호이며, 제어 채널에 대한 펄스 모양을 유지한다.If the peak value of the transmission power is within the emission regulation range, the narrow-band filter 501 is not required on the receiver 500 side, and the received signal is both a UWB signal for the data channel and the control channel, and the pulse shape for the control channel is obtained. Keep it.

송수신기 사이의 동기가 완전히 이루어진 것으로 즉, 수신기(500)가 T a , T b , T s , T c , T p , C m 을 모두 알고 있는 것으로 가정한다. 수신기(500) 측에서의 두 개의 판정 규칙은 다음과 같다.It is assumed that the synchronization between the transceivers is completed, that is, the receiver 500 knows all T a , T b , T s , T c , T p , and C m . The two decision rules on the receiver 500 side are as follows.

a) 경 판정a) hard decision

경 판정을 위한 상관관계 템플리트(correlation template)는 각 수신 심볼 시간내의 단일 펄스로 구성된다. 데이터 채널에 대해서는The correlation template for hard decision consists of a single pulse in each received symbol time. For data channels

Figure 112009049778211-PAT00026
이고
Figure 112009049778211-PAT00026
ego

제어 채널에 대해서는For control channels

Figure 112009049778211-PAT00027
이다.
Figure 112009049778211-PAT00027
to be.

여기서, w 0 (t)는 에너지 정규화 펄스이다. 데이터 채널에서 한 비트를 판정하기 위해서 한 비트를 나타내는 N s 개의 펄스가 독립적으로 판정되며, 최종 결과는 N s 개의 판정 결과로부터 단순히 다수결 원칙에 의하여 얻어진다. 이와 유사하게, 제어 채널에서 한 비트를 판정하기 위해서 한 비트를 나타내는 N a /2×N s 개의 펄스가 독립적으로 판정된다. 경 판정에서는 하나의 펄스만을 포함하는 심볼 단위로 판정이 내려진다.Where w 0 (t) is the energy normalization pulse. In order to determine one bit in the data channel, N s pulses representing one bit are independently determined, and the final result is simply obtained by the majority vote principle from the N s decision results. Similarly, N a / 2 × N s pulses representing one bit are independently determined to determine one bit in the control channel. In the hard decision, the decision is made in units of symbols including only one pulse.

b) 연 판정b) annual determination

데이터 채널에서 연 판정을 위한 수신기 템플리트(receiver template)는 각 수신 비트 시간내의 N s 개의 펄스로 구성된다.The receiver template for the open decision in the data channel consists of N s pulses within each receive bit time.

Figure 112009049778211-PAT00028
Figure 112009049778211-PAT00028

연 판정 검출에서 수신기(500)는 N s 개의 펄스로 구성된 신호를 다중 펄스 신호로 간주한다. 수신된 신호는 수신기 템플리트와 교차 상관관계에 있으며, 이는 전체 심볼을 나타내는 일련의 펄스와 일치한다. 판정은 비트 단위로 이루어진다.In the soft decision detection, the receiver 500 regards the signal consisting of N s pulses as a multi-pulse signal. The received signal is cross correlated with the receiver template, which matches a series of pulses representing the entire symbol. The determination is made bit by bit.

Figure 112009049778211-PAT00029
Figure 112009049778211-PAT00029

(단, N d = N a /2×N s )(Where N d = N a / 2 × N s )

도 6은 여러 가지 종류의 수신기에 대한 템플리트를 보여준다. 데이터 채널에서, 전파 정류기(502)를 통과한 후에 수신 신호는 기존의 PPM-TH UWB 시스템에서와 동일하다. 제어 채널에서, 수신된 신호는 PAM 및 PPM 변조기에 의하여 변조되므로 수신기 템플리트는 기존의 PAM UWB와 상이하다. 따라서, 수신기 템플리트는 두 개의 위치에서 펄스를 단순히 반복한다. 이로 인하여 협대역 필터(501)가 없는 경우 수신 성능이 떨어지게 된다.6 shows templates for various types of receivers. In the data channel, after passing the full wave rectifier 502, the received signal is the same as in a conventional PPM-TH UWB system. In the control channel, the received template is modulated by the PAM and PPM modulators so that the receiver template is different from the existing PAM UWB. Thus, the receiver template simply repeats the pulse at two positions. This results in poor reception performance when the narrowband filter 501 is not present.

2-2. 협대역 필터(501)가 있는 경우2-2. If there is a narrowband filter 501

송신기(400) 측에 대응하는 수신기(500) 측에 협대역 필터(501)가 포함되어 있으면, 데이터 채널의 펄스 모양은 UWB 펄스로 구성되고, 이에 대한 복조 절차는 협대역 필터가 없는 경우와 동일하다. 제어 채널에서, 수신기(500) 측에서의 펄스 모양이 손상되므로 펄스에 근거하여 신호를 복조할 수 없으나, PAM 상관 복조 방법으로 정보를 복원할 수 있다.If a narrowband filter 501 is included on the receiver 500 side corresponding to the transmitter 400 side, the pulse shape of the data channel is composed of UWB pulses, and the demodulation procedure thereof is the same as without a narrowband filter. Do. In the control channel, since the pulse shape on the receiver 500 side is damaged, the signal cannot be demodulated based on the pulse, but the information can be restored by the PAM correlation demodulation method.

<스펙트럼 분석> 항목에 의하면, 하나의 제어 비트의 지속기간은 T a 이고, 밀러 코딩 이후에는 반전된 극성의 지속기간은 T a /2이다. 따라서, 수신기(500)의 상관관계 템플리트는According to the <spectrum analysis> item, the duration of one control bit is T a, and after the Miller coding, the duration of the inverted polarity is T a / 2. Thus, the correlation template of the receiver 500 is

Figure 112009049778211-PAT00030
이다.
Figure 112009049778211-PAT00030
to be.

여기서, E 0 (t)는 에너지 정규화 구형이며, 그의 지속기간은 한 제어 비트의 절반이다.Where E 0 ( t ) is the energy normalization sphere, and its duration is half of one control bit.

제어 채널에 협대역 필터(501)가 포함되어 있으면 제어 채널의 펄스를 구분해 낼 수가 없기 때문에(N a 가 충분히 크다면 펄스 순서의 포락선만 유지되므로) 경 판정을 수행할 수 없다. 연 판정에서 제어 채널에 협대역 필터(501)가 포함되어 있으면 T d =T a /2 이다.If the narrowband filter 501 is included in the control channel, the pulse cannot be distinguished from the control channel (if N a is large enough, only the envelope of the pulse sequence is maintained), and thus the hard decision cannot be performed. In the soft decision, if the control channel includes a narrowband filter 501, T d = T a / 2.

수신 성능Receiving performance

1. 데이터 채널1. Data Channel

데이터 채널에서, 판정이 기존의 PPM-TH UWB와 동일하므로 AWGN 채널에서 연 판정의 수신 성능은In the data channel, since the decision is the same as the existing PPM-TH UWB, the reception performance of the open decision in the AWGN channel is

Figure 112009049778211-PAT00031
이다.
Figure 112009049778211-PAT00031
to be.

여기서,

Figure 112009049778211-PAT00032
이고, E D 는 데이터 채널의 비트 당 수신된 에너지, E X 는 펄스 당 수신된 에너지를 나타낸다. 비트 당 펄스의 수를 증가시킴으로 수신에너지는 N s 만큼 증가하고, 그 결과 비트 에러율이 감소한다. 이는 평균 송신 파워를 증가시키지 않고 이룰 수 있으며, 이에 대한 손실로 비트 당 분주율(dividing rate)이 증가한다.here,
Figure 112009049778211-PAT00032
Where E D represents the energy received per bit of the data channel, and E X represents the energy received per pulse. By increasing the number of pulses per bit, the received energy increases by N s , resulting in a decrease in the bit error rate. This can be achieved without increasing the average transmit power, which results in an increase in the dividing rate per bit.

경 판정에서, 임계치보다 높은 위치에서 하강하는 펄스의 수가 주어지고, 하강 펄스의 수를 임계치보다 낮은 위치에서 하강하는 펄스의 수와 비교하면, 예측되는 비트는 두 펄스의 수 중에서 큰 수와 일치한다. 펄스의 절반 이상이 잘못 인식되면 오류가 발생하고, 비트 오류의 확률은 수학식 10과 같이 주어진다.In the hard decision, the number of pulses falling at a position above the threshold is given, and if the number of falling pulses is compared with the number of pulses falling at a position below the threshold, the predicted bit matches the larger of the two pulses. . If more than half of the pulses are incorrectly recognized, an error occurs, and the probability of a bit error is given by Equation 10.

Figure 112009049778211-PAT00033
Figure 112009049778211-PAT00033

단,

Figure 112009049778211-PAT00034
는 하나의 프레임에서의 판정 오류율이다.only,
Figure 112009049778211-PAT00034
Is the decision error rate in one frame.

2. 제어 채널2. Control channel

2-1. 협대역 필터(501)가 없는 경우2-1. Without narrowband filter 501

먼저, 단일 펄스에 대한 수신기 성능을 산출한다.First, the receiver performance for a single pulse is calculated.

제어 채널에는 다음 네 가지의 수신 신호가 있을 수 있다.The control channel may have four received signals.

Figure 112009049778211-PAT00035
Figure 112009049778211-PAT00035

여기서, E X 은 펄스 당 수신된 에너지이다. 또한, a는 데이터 채널의 전송된 비트이고, b는 제어 채널의 전송된 비트이다.Where E X is the energy received per pulse. Also, a is the transmitted bit of the data channel and b is the transmitted bit of the control channel.

신호가 서로 직교하고 (

Figure 112009049778211-PAT00036
) 상관관계의 결과를 얻기 위하여 템플리트를 사용한다고 가정하면, 적분기(503)를 통과한 후의 신호는
Figure 112009049778211-PAT00037
와 같다.The signals are orthogonal to each other (
Figure 112009049778211-PAT00036
Assume that we use a template to obtain the correlation result, the signal after passing through the integrator 503
Figure 112009049778211-PAT00037
Same as

여기서, n 0 는 평균이 제로이고 분산이 N 0 인 가우시안 확률변수이고,

Figure 112009049778211-PAT00038
이다. 독립적이고 확률이 동일한 전송 비트에 대하여 평균오류확률은 Where n 0 is a Gaussian random variable with mean zero and variance N 0 ,
Figure 112009049778211-PAT00038
to be. The average error probability for independent and equally transmitted bits is

Figure 112009049778211-PAT00039
와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009049778211-PAT00039
It can be expressed as

전체 오류 확률은 수학식 11과 같이 표현된다.The overall error probability is expressed as in Equation 11.

Figure 112009049778211-PAT00040
Figure 112009049778211-PAT00040

제어 채널의 오류율은 데이터 채널의 오류율과 동일하고, 이는 기존의 PAM-TH UWB보다 열등하다. 적분기(503)의 지속기간이 길수록 수신기에는 더 많은 잡음이 발생하기 때문이다.The error rate of the control channel is the same as that of the data channel, which is inferior to the conventional PAM-TH UWB. This is because the longer the duration of the integrator 503, the more noise is generated in the receiver.

단일 펄스의 경우와 유사하게 연 판정의 성능은 얻기가 쉽다.Similar to the case of a single pulse, the performance of the soft decision is easy to obtain.

Figure 112009049778211-PAT00041
Figure 112009049778211-PAT00041

여기서, E C 는 데이터 채널의 비트 당 수신된 에너지이고, E X 는 펄스 당 수신 된 에너지이다. 수신된 비트는 지속기간이 T a /2인 밀러 코드화 비트이므로 수신된 비트의 지속기간은 T a /2이다. N s ×N a /2 개의 펄스가 하나의 수신 비트에 포함된다. 밀러 디코더(505)에서의 디코딩 영향에 대해서는 이후에 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.Where E C is the energy received per bit of the data channel and E X is the energy received per pulse. Since the received bit is a Miller coded bit with a duration of T a / 2, the duration of the received bit is T a / 2. N s x N a / 2 pulses are included in one receive bit. Decoding effects in the Miller decoder 505 will be described later with reference to FIG. 7.

경 판정의 성능은 수학식 11을 수학식 10에 대입하여 얻을 수 있다.The performance of the hard decision can be obtained by substituting Equation 11 into Equation 10.

2-2. 협대역 필터(501)가 있는 경우2-2. If there is a narrowband filter 501

이 경우, 제어 채널의 비트는 펄스 모양이 아니라 구형으로 표현된다. 구형의 지속기간은 T a /2이고, 제어 채널의 비트는 PAM방식으로 변조된 것이다. 복조 성능은 다음과 같이 표현된다.In this case, the bits of the control channel are represented by rectangles rather than pulse shapes. The spherical duration is T a / 2, and the bits of the control channel are modulated by PAM. Demodulation performance is expressed as follows.

템플리트 m 2 ’(t)을 사용하면, 도 5에서 제어 채널의 상관자(504)의 출력은

Figure 112009049778211-PAT00042
이고, n’ 0 는 평균이 제로이고 분산이 N 0 /2인 가우시안 확률변수이고,
Figure 112009049778211-PAT00043
이다.Using template m 2 '(t) , the output of correlator 504 of the control channel in FIG. 5 is
Figure 112009049778211-PAT00042
And, n '0 is the mean is zero and variance N 0/2 of Gaussian random variables,
Figure 112009049778211-PAT00043
to be.

E C E D 가 동일한 경우, 제어 채널의 오류율은 데이터 채널의 오류율과 동일하다. 그러나, E C = N a /2×E D 의 경우에 수신 성능을 고려하면, 제어 채널의 수신 성능이 데이터 채널의 수신 성능보다 월등함을 알 수 있다. 이는, WBAN 네트워크를 제어 및 유지하는데 유용하다. 데이터 채널과 유사하게 제어 채널의 수신 성능은 경 판정에서 수학식 13과 같이 표현될 수 있다. If E C and E D are the same, the error rate of the control channel is equal to the error rate of the data channel. However, considering the reception performance in the case of E C = N a / 2 × E D , it can be seen that the reception performance of the control channel is superior to the reception performance of the data channel. This is useful for controlling and maintaining WBAN networks. Similar to the data channel, the reception performance of the control channel may be expressed as Equation 13 in the hard decision.

Figure 112009049778211-PAT00044
Figure 112009049778211-PAT00044

3. 밀러 디코딩을 위한 오류 고려사항3. Error Considerations for Miller Decoding

제어 채널에서의 오류율 계산에 있어서는 밀러 디코딩 이전의 오류율만 고려하며, 밀러 디코딩의 영향은 다음과 같다.In calculating the error rate in the control channel, only the error rate before Miller decoding is considered. The influence of Miller decoding is as follows.

밀러 디코더(505)에서 디코딩하기 전에 오류 신호가 있으면, 한 비트의 오류가 발생한다.If there is an error signal before decoding at Miller decoder 505, a bit of error occurs.

도 7 (a)에서 두 개의 인접하는 수신 비트에 오류가 있으면, 디코드되는 비트 시퀀스에 두 개의 비트 오류가 발생한다. 또한, 도 7 (b)에 도시된 바와 같이 비트 오류가 없는 경우도 있다. 오류의 무작위성으로 인하여 이 두 가지 경우의 확률은 동일하다. 따라서, 디코드되는 오류는 두 개의 인접한 오류 비트에 대하여 한 비트가 된다.In FIG. 7A, if two adjacent received bits have an error, two bit errors occur in the decoded bit sequence. In addition, as shown in FIG. 7B, there may be no bit error. Because of the randomness of the error, the probability of both cases is the same. Thus, the error to be decoded is one bit for two adjacent error bits.

이와 유사하게, m=[1,2,…]일 때, n 개의 연속하는 오류에 대하여 하나의 비트 오류만 존재한다. 오류 확률은 수학식 14와 같다.Similarly, m = [1, 2,... ], There is only one bit error for n consecutive errors. The error probability is as shown in Equation 14.

Figure 112009049778211-PAT00045
Figure 112009049778211-PAT00045

여기서, Pr m m 개의 연속하는 오류 입력 비트의 디코딩 오류율이다. m개 의 연속 오류 비트는 m개의 연속 오류 비트와 각 오류 시퀀스의 마지막에 위치하는 하나의 정정 비트로 구성되므로 수학식 15와 같은 수식을 얻을 수 있다.Where Pr m is the decoding error rate of m consecutive error input bits. Since m consecutive error bits are composed of m consecutive error bits and one correction bit positioned at the end of each error sequence, the following equation (15) can be obtained.

Figure 112009049778211-PAT00046
Figure 112009049778211-PAT00046

수학식 14 및 수학식 15로부터 수학식 16Equation 16 from Equation 14 and Equation 15

Figure 112009049778211-PAT00047
을 얻고,
Figure 112009049778211-PAT00047
Gained,

제어 채널의 오류율 수식(수학식 13)을 수학식 16에 대입하면 제어 채널의 최종 비트 오류율을 얻을 수 있다.Substituting the error rate equation (13) in the control channel into Equation (16) yields the final bit error rate of the control channel.

본 발명의 일실시예는 하나의 변조 신호를 통하여 제어 채널 정보와 함께 데이터 채널 정보를 전송할 수 있는, WBAN 망을 위한 새로운 트랜시버 구조를 제공할 수 있다. 이러한 방식을 이용하면, UWB 신호가 주파수 영역에서 개선되므로 신호는 FCC 마스크를 보다 쉽게 충족할 수 있다. 제어 채널의 수신 성능은 전송 속도의 영향을 받을 수 있고, 전송 속도와 수신 성능 사이의 조정이 새로운 방식으로 해석될 수 있다. 개선된 수신 성능으로 인하여, 제어 채널의 정보를 더욱 멀리 전송할 수 있으며, 이는 망의 구축 및 유지보수에 유리하다. 무엇보다도, 이러한 방식은 실현하기가 매우 간단하고 기존의 펄스 기반 UWB 시스템과 호환성이 있으므로 WBAN 센서 망에 적합하다.One embodiment of the present invention can provide a new transceiver structure for a WBAN network, which can transmit data channel information along with control channel information through one modulation signal. Using this approach, the UWB signal is improved in the frequency domain so that the signal can more easily meet the FCC mask. The reception performance of the control channel can be affected by the transmission rate, and the adjustment between the transmission rate and the reception performance can be interpreted in a new way. Due to the improved reception performance, the information of the control channel can be transmitted farther, which is advantageous for the construction and maintenance of the network. Best of all, this approach is very simple to implement and is compatible with existing pulse-based UWB systems, making it suitable for WBAN sensor networks.

본 발명의 일실시예에서 제안된 방식은 M-ary 케이스로 용이하게 확장될 수 있다. M-ary 방법은 성능을 더욱 개선할 수 있다. 이러한 방식은 PAM UWB 시스템에 기반하여 실현될 수 있고, 다른 다중 접근 코딩 방법이 이와 같은 시스템에 사용될 수 있다.The proposed scheme in one embodiment of the present invention can be easily extended to the M-ary case. The M-ary method can further improve performance. This approach can be realized based on a PAM UWB system, and other multi-access coding methods can be used for such a system.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by specific embodiments such as specific components and the like. For those skilled in the art to which the present invention pertains, various modifications and variations are possible.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims as well as the claims to be described later will belong to the scope of the present invention. .

도 1은 데이터 채널의 일례를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an example of a data channel.

도 2는 데이터 채널과 제어 채널의 복합된 신호의 일례를 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating an example of a combined signal of a data channel and a control channel.

도 3은 PSD의 시뮬레이션을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the simulation of the PSD.

도 4와 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 UWB 송수신 장치의 송신기 구조와 수신기 구조를 도시한 도면이다.4 and 5 are diagrams illustrating a structure of a transmitter and a receiver of a UWB transceiver according to an embodiment of the present invention.

도 6은 수신기에 대한 템플리트의 일례를 도시한 도면이다.6 shows an example of a template for a receiver.

도 7은 밀러 디코딩에서 발생되는 두 개의 비트 오류를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 illustrates two bit errors generated in Miller decoding.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

400: 송신기400: transmitter

500: 수신기500: receiver

Claims (5)

WBAN(wireless body area network) 시스템의 데이터 통신을 위한 UWB(ultra-wideband) 송수신 장치에 있어서,In the ultra-wideband (UWB) transceiver for data communication of a wireless body area network (WBAN) system, WBAN 망의 데이터 채널에서 사용되는 데이터 채널 신호 및 상기 WBAN 망의 제어 채널에서 사용되는 제어 채널 신호를 단일 변조 신호로 전송하는 송신기; 및,A transmitter for transmitting a data channel signal used in a data channel of a WBAN network and a control channel signal used in a control channel of the WBAN network as a single modulation signal; And, 상기 단일 변조 신호로부터 상기 데이터 채널 신호와 제어 채널 신호를 분리하여 수신하는 수신기A receiver which receives the data channel signal and the control channel signal separately from the single modulated signal 를 포함하는 UWB 송수신 장치.UWB transceiver device comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 데이터 채널은,The data channel, TH 코드(time hopping code)에 따라 PPM(pulse position modulation) 변조된 신호를 사용하는, UWB 송수신 장치.UWB transmission and reception apparatus using a pulse position modulation (PPM) modulated signal in accordance with a time hopping code (TH code). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제어 채널은,The control channel, 밀러 코드(miller code)에 따라 PAM(pulse amplitude modulation) 변조된 신호를 사용하는, UWB 송수신 장치.A UWB transmission / reception apparatus using a pulse amplitude modulation (PAM) modulated signal in accordance with a miller code. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수신기는,The receiver, 상기 제어 채널 신호가 협대역(narrow band)을 사용하지 않을 경우, 하나의 펄스를 포함하는 심볼 단위로 이루어지는 경 판정(hard decision)과 복수의 펄스를 포함하는 비트 단위로 이루어지는 연 판정(soft decision)을 수행하여 상기 데이터 채널 신호와 제어 채널 신호를 분리하는, UWB 송수신 장치.When the control channel signal does not use a narrow band, a hard decision made in a symbol unit including one pulse and a soft decision made in a bit unit including a plurality of pulses And separating the data channel signal from the control channel signal. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수신기는,The receiver, 상기 제어 채널 신호가 협대역(narrow band)을 사용할 경우, 복수의 펄스를 포함하는 비트 단위로 PAM 복조에 의해 상기 데이터 채널 신호와 제어 채널 신호를 분리하는, UWB 송수신 장치.If the control channel signal uses a narrow band (Narrow band), UWB transmitting and receiving device for separating the data channel signal and the control channel signal by PAM demodulation in units of bits including a plurality of pulses.
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