(57)【要約】ウルトラワイドバンド(UWB)データをスクランブルするためのスクランブル方法を開示する。ペイロードデータ及び非ペイロードデータを有するUWBデータ(420)を、第１ビットストリング(412)を第１ビット数だけシフトし、第２ビットストリング(410)を第２ビット数だけシフトし、シフトした第１ビットストリングと第２ビットストリングとを結合し(411A〜414N)、シフトされ結合された第１及び第２ビットストリングからスクランブラ制御ビット(416)を生成(418)し、そしてこれらのスクランブラ制御ビットに応じてUWBデータの少なくとも一部をスクランブルする(424)ことによってスクランブルする。他の態様によれば、シード相関の低い複数のシードのシード組を有する擬似乱数発生器を用いてペイロードデータをスクランブルし、ここでシード組内の各シードは所定数のビットを有し、そしてランダムフレーム反転(428,430)を非ペイロードデータ及び／またはデータのフレーム全体に選択的に適用することによって、UWBデータをスクランブルする。
2007518368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）データをスクランブルするスクランブル方法において：
第１ビットストリングを第１ビット数だけシフトするステップと；
第２ビットストリングを第２ビット数だけシフトするステップと；
シフトされた前記第１ビットストリングと前記第２ビットストリングとを結合するステップと；
シフトされ結合された前記第１及び第２ビットストリングからスクランブラ制御ビットを生成するステップと；
生成された前記スクランブラ制御ビットに応じて、前記ＵＷＢデータの少なくとも一部をスクランブルするステップと
を具えていることを特徴とするＵＷＢデータのスクランブル方法。
【請求項２】
さらに、前記第１ビットストリング及び前記第２ビットストリングをランダムに初期化するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１ビットストリング及び前記第２ビットストリングを、擬似乱数列を用いてランダムに初期化することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１ビットストリング及び前記第２ビットストリングを、乱数列を用いてランダムに初期化することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ＵＷＢデータをスクランブルするスクランブル方法を、フレーム毎に適用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ＵＷＢデータがペイロードデータ及び非ペイロードデータを含み、前記スクランブルするステップが、前記ペイロードデータをスクランブルすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方法がさらに：
前記非ペイロードデータにランダムフレーム反転を選択的に適用するステップを具えていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記非ペイロードデータにランダムフレーム反転を選択的に適用するステップが：
均等分布関数により擬似乱数列を発生するサブステップと；
前記擬似乱数列に応じて、データ列を選択的に反転させるサブステップと
を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ペイロードデータ及び非ペイロードデータを有するウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）データをスクランブルするスクランブル方法において：
ほぼ無相関のシード値から成るシード組を用いた初期化用に構成された擬似乱数列を用いて、前記ペイロードデータをスクランブルするステップと；
前記非ペイロードデータにランダムフレーム反転を選択的に適用するステップと
を具えていることを特徴とするＵＷＢデータのスクランブル方法。
【請求項１０】
前記非ペイロードデータにランダムフレーム反転を選択的に適用するステップが：
均等分布関数により乱数列を発生するサブステップと；
前記乱数列に応じて、データ列を選択的に反転させるサブステップと
を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ＵＷＢデータをスクランブルするスクランブラにおいて：
第１ビットストリングを第１ビット数だけシフトする第１シフトレジスタと；
第２ビットストリングを第２ビット数だけシフトする第２シフトレジスタと；
シフトされた前記第１ビットストリングと前記第２ビットストリングとを結合する結合回路と；
シフトされ結合された前記第１及び第２ビットストリングをロードするための第３シフトレジスタと；
シフトされ結合された前記第１及び第２ビットストリングからスクランブラ制御ビットを生成し、生成された前記スクランブラ制御ビットに応じて前記ＵＷＢデータの少なくとも一部をスクランブルする制御回路と
を具えていることを特徴とするスクランブラ。
【請求項１２】
さらに、前記第１ビットストリング及び前記第２ビットストリングを初期化するための擬似乱数列を発生する多項式発生器を具えていることを特徴とする請求項１１に記載のスクランブラ。
【請求項１３】
前記多項式発生器によって発生した乱数列が１５ビット以上であることを特徴とする請求項１２に記載のスクランブラ。
【請求項１４】
前記第１シフトレジスタ及び前記第２シフトレジスタを、新たなフレームに応じて初期化することを特徴とする請求項１１に記載のスクランブラ。
【請求項１５】
前記ＵＷＢデータの各フレームがペイロードデータ及び非ペイロードデータを含み、前記スクランブラがさらに：
スクランブルされた各フレームの少なくとも非ペイロードデータを選択的に反転する選択型ランダムフレーム反転回路を具えていることを特徴とする請求項１４に記載のスクランブラ。
【請求項１６】
前記選択型ランダムフレーム反転回路が：
均等分布関数により擬似乱数列を発生する乱数列発生器と；
前記擬似乱数列に応じて、データ列を選択的に反転させるインバータと
を具えていることを特徴とする請求項１５に記載のスクランブラ。
【請求項１７】
ペイロードデータ及び非ペイロードデータを有するウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）信号のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を低減するためのデータ白色化用のスクランブラシステムにおいて：
前記ペイロードデータをスクランブルすべく構成されたスクランブラであって、ほぼ無相関のシード値から成るシード組を用いた初期化用に構成された線形フィードバック・シフトレジスタを具えたスクランブラと；
前記非ペイロードデータを選択的に反転させるべく構成された選択型ランダムフレーム反転回路と
を具えていることを特徴とするスクランブラシステム。
【請求項１８】
前記シード組が少なくとも４つのシード値を含み、前記シード組内のシード値が少なくとも１６ビットを有することを特徴とするスクランブラシステム。
【請求項１９】
前記選択型ランダムフレーム反転回路が：
均等分布関数により擬似乱数列を発生する乱数列発生器と；
前記擬似乱数列に応じて、データ列を選択的に反転させるインバータと
を具えていることを特徴とするスクランブラシステム。
【請求項２０】
コンピュータを制御して、ＵＷＢデータをスクランブルするスクランブル方法を実現すべく構成されたソフトウェアを含むコンピュータで読み取り可能な担体において、前記スクランブル方法が：
第１ビットストリングを第１ビット数だけシフトするステップと；
第２ビットストリングを第２ビット数だけシフトするステップと；
シフトされた前記第１ビットストリングと前記第２ビットストリングとを結合するステップと；
シフトされ結合された前記第１及び第２ビットストリングからスクランブラ制御ビットを生成するステップと；
生成された前記スクランブラ制御ビットに応じて、前記ＵＷＢデータの少なくとも一部をスクランブルするステップと
を具えていることを特徴とするコンピュータ読取可能担体。
【請求項２１】
コンピュータを制御して、ペイロードデータ及び非ペイロードデータを有するＵＷＢデータをスクランブルするスクランブル方法を実現すべく構成されたソフトウェアを含むコンピュータで読み取り可能な担体において、前記スクランブル方法が：
ほぼ無相関のシード値から成るシード組を用いた初期化用に構成された擬似乱数列を用いて、前記ペイロードデータをスクランブルするステップと；
前記非ペイロードデータにランダムフレーム反転を選択的に適用するステップとを具え、
前記ランダムフレーム反転のステップが：
均等分布関数により乱数列を発生するサブステップと；
前記乱数列に応じて、データ列を選択的に反転させるサブステップと；
選択的に反転された前記データ列を伝送するサブステップと
を具えていることを特徴とするコンピュータ読取可能担体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明はウルトラワイドバンド（超広帯域）伝送技術に関するものであり、特にウルトラワイドバンド信号スクランブル方法、及びウルトラワイドバンド信号の離散周波数成分によるパワースペクトル密度を低減する装置に関するものである。
【０００２】
（発明の背景）
ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ：Ultra Wideband）技術は、非常に短い持続時間のベースバンド・パルスを用いて、伝送信号のエネルギーを０付近から数GHzまでに非常に薄く広く拡散させる。ＵＷＢ技術は現在、軍事用途に用いられ、ＵＷＢ信号を発生させる技法は周知である。米連邦通信委員会（ＦＣＣ：Federal Communications Committee）により公表された、ＵＷＢ技術を内蔵する民生品の市場調査及び運用を許可する近年の決定により、商業用途も間もなく可能になる。
【０００３】
商業用途を許可するＦＣＣの決定のキーとなる動機は、ＵＷＢ伝送は新たな通信スペクトルを必要としない、ということにある、というのは、ＵＷＢ信号は、適正に構成されていれば、他の用途の信号と同一スペクトル内に共存することができ、相互干渉は無視できるからである。しかし、無視できる相互干渉を保証するために、ＦＣＣはＵＷＢの応用に対して放射制限を指定している。例えば、ＦＣＣの基本的な要求は、ＵＷＢシステムが他のナローバンド（狭帯域）通信システムと干渉しない信号を発生しないことである。
【０００４】
【非特許文献１】Moe他、”On the Power Spectral Density of Digital Pulse Streams Generated by M-ary Cyclostationary Sequences in the Presence of Stationary Timing Jitter”
【０００５】
ＵＷＢ信号の放射特性は、そのパワースペクトル密度（ＰＳＤ：Power Spectral Density）を調べることによって定めることができる。確率論に基づく理想的な同期データパルス・ストリーム（流）は周知である。確率論的な取り組みを用いた、ランダムなタイミングのジッタの存在下での「タイム−ホッピング拡散スペクトル」シグナリング（信号伝送）方式の特徴付けは、Moe他による文献：”On the Power Spectral Density of Digital Pulse Streams Generated by M-ary Cyclostationary Sequences in the Presence of Stationary Timing Jitter”、IEEE Transactions on Communications, Vol. 46, No. 9, 1998年9月の1135〜1145ページに開示されている。この文献によれば、ＵＷＢ信号のパワースペクトルは連続成分及び離散成分から成る。一般的に言えば、離散成分の方が連続成分よりもＰＳＤに寄与する。従って、離散成分は連続成分よりもナローバンド無線システムに対する妨害を生じさせる。
【０００６】
データの白色化（ホワイトニング）は離散成分の存在を減らすことができ、これによりＵＷＢ信号のＰＳＤを低減することができる。従来の通信システムでは、一般にスクランブラ（スクランブル器）を用いてデータの白色化、例えばタイミング回復及び等化を行っている。しかし、スクランブラのＰＳＤを抑制する性能は、ＵＷＢ用には不十分である。例えば、データのブロックが反復される際には、ブロック内部でデータをスクランブルしても強い線スペクトルが発生し得る。このことは、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ：Institute of Electrical and Electronic Engineers）によって開発されたIEEE 802.15.3aの場合である。従来のスクランブラは、IEEE 802.5.3aに伴う高いパルス反復周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）、即ち約100Mbps〜500Mbps、及びこれらのスクランブラの時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access）フレーム構造により、IEEE 802.5.3aにおけるＰＳＤを抑制するには不十分である。
【０００７】
従って、ＵＷＢ信号のＰＳＤを低減するための改善されたスクランブラが必要である。本発明はとりわけ、この必要性を満たす。
【０００８】
（発明の概要）
本発明は、第１ビットストリング（ビット列）を第１ビット数だけシフト（桁ずらし）し、第２ビットストリングを第２ビット数だけシフトし、シフトされた第１ビットストリングと第２ビットストリングとを結合し、そしてシフトされ結合された第１及び第２ビットストリングからスクランブラ制御ビットを生成することによってＵＷＢデータをスクランブルする装置及び方法で具体化される。ＵＷＢデータの少なくとも一部は、生成されたスクランブラ制御ビットに応じてスクランブルされる。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、ほぼ無相関のシード値から成るシード組から選択したシード（乱数列等発生の種となる初期値）を用いて初期化した擬似乱数列（ランダムシーケンス）を用いてペイロード（正味の）データをスクランブルすることによって、ＵＷＢデータをスクランブルする。そして、スクランブルされたデータの非ペイロード（付随的な）部分は選択的に反転される。
【００１０】
本発明は、以下の図面を参照した実施例の詳細な説明を読めば最もよくわかる。各図面中では、同様の構成要素は同じ参照番号で示す。
【００１１】
（実施例の詳細な説明）
本発明を理解するためには、クロック動作乱数列のＰＳＤの分析が有用である。ディジタル制御される信号は、基本クロック周期Ｔcの倍数においてランダム伝送がなされるものと仮定する。このシグナリング技法は次の(1)式のようにモデル化される：
【数１】
2007518368.tif 000003
ここに、{ａn}は、不平衡バイナリ（２進数）の独立、一様分布（ｉ．ｉ．ｄ．：Independent Identically Distributed）の乱数列であり、ｗは、パルス形状及び伝送パワーを決める時間領域パルスである。{ａn}は、次式(2)に示す確率関数を有し定常的であるものと仮定する：
【数２】
2007518368.tif 000004
【００１２】
ＵＷＢ信号の連続成分Ｓc(f)及び離散成分Ｓd(f)は、それぞれ次の(3a)式及び(3b)式に示すようにモデル化することができることは、当業者にとって既知である：
【数３】
2007518368.tif 000005
【００１３】
これらの式は、ＰＳＤが次の３つのパラメータによって決まることを示す：
・Ｗ(f)−パルス形状及び伝送パワー；
・Ｔc−クロック周期またはパルスレート；
・ｐ−ａnの分布。
以上の定義より、次の条件が導出される：
・ｐ＝０である際には、Ｓc(f, 0)＝０ 及び Ｓd(f, 0)＝max(Ｓd(f))；
・ｐ＝１である際には、Ｓc(f, 1)＝０ 及び Ｓd(f, 1)＝max(Ｓd(f))。
（これらの場合には、Ｓd(f)が最大に達し、どのような波形をパルスに用いても、すべてのエネルギーが離散成分に行く。）
・ｐ＝0.5である際には、Ｓc(f, 0.5)＝max(Ｓc(f)) 及び Ｓd(f, 0.5)＝０。
（この場合には、Ｓc(f)が最大に達し、どのような波形をパルスに用いても、すべてのエネルギーが連続成分に行く。）
従って、総ＰＳＤが一定に保たれれば、上記乱数列の分布が、連続成分と離散成分との間のＰＳＤの分布を決める。
【００１４】
図１Ａに、１パルスのパワースペクトルを示し、図１Ｂ〜１Ｄに、それぞれが異なる確率分布を有するクロック動作乱数列のＰＳＤを示す。特に、図１Ｂにはｐ＝0.25のＰＳＤ、図１Ｃにはｐ＝0.5のＰＳＤ、そして図１Ｄにはｐ＝1.0のＰＳＤを示す。これらの図は、ｐを変化させれば、連続成分と離散成分との間のＰＳＤの分布が変化し、離散成分は連続成分よりも高いＰＳＤをもたらすことを示す。明らかに、ｐ＝1.0である際には線スペクトルのみが存在し；ｐ＝0.5である際には連続成分のみが存在し；そしてｐ＝0.25である際には連続成分及び離散成分が共に存在する。これらの図は、式(3a)及び(3b)から導かれる結論を確証する。
【００１５】
ここで、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）システムのＰＳＤについて説明する。IEEE 802.15.3a規格は、IEEE 802.15.3メディアアクセス制御（ＭＡＣ：Media Access Control）層を用い、これはＴＤＭＡシステムである。ＴＤＭＡフレーム中のパルスが１と−１の間で均等に分布していなければ線スペクトルが現われる。図２Ａ及び２Ｂに、この問題を図式的に示す。図２ＡはＴＤＭＡシステムの一般的な構造を示し、ここでは各フレームの始点はＴcずつ分離されている。図２Ｂは、フレーム中のビットが反復パルス列を形成する様子を示す。図１Ｃに示すように、パルスがＹ方向（即ち、１と−１の間）にランダムかつ均等に分布した際のみに、線周波数が抑制される。上記反復パルス列は、ブロック内部でデータがスクランブルされていても線スペクトルを生成する。従って、従来のスクランブラはＰＳＤを抑制するには不十分である、というのは、Ｙ方向のデータが均等に分布していないからである。
【００１６】
図３Ａ及び３Ｂに、ＴＤＭＡシステムのＰＳＤを示し、ここでフレームは８パルスから成る。これらの図は、パルスが１と−１の間でＹ方向に均等分布していなければ、フレーム内部でパルスがランダムに分布していても線スペクトルが出現することを示す。図３Ａは元のデータのＰＳＤを示し、図３Ｂは従来技術の方式によって処理したデータのＰＳＤを示す。データはランダムかつ独立に変化するものと仮定する。しかし、これらのデータは必ずしもＹ方向に均等に分布しておらず、従ってｐは必ずしも0.5に等しくない。ｐが必ずしも0.5ではないので、これらのデータ連続スペクトル及び離散スペクトルを共に生成することがわかる。
【００１７】
現在は、IEEE 802.15.3aに対するシステムの提案の大部分は、IEEE 802.15.3のＭＡＣ、及び１５ビットの線形フィードバック・シフトレジスタ（ＬＦＳＲ：Linear Feedback Shift Register）を有するスクランブラを用いて、スクランブラ用のバイナリ（２進数）擬似乱数列（ＰＲＢＳ：Pseudo Random Binary Sequence）を発生する。IEEE 802.15.3では、ペイロードデータ及び非ペイロードデータを含むデータ列（シーケンス）のペイロードデータにスクランブラを適用し、そして一部の上位層のデータにも適用する。各フレームの先頭では、スクランブラに所定値をロードし、本明細書ではこれらの所定値を初期設定と称する。初期設定としての選択のために、２ビットの識別子（ｂ1，ｂ0）で表わす４つのシードを次の表１のように定義する：
【００１８】
【表１】
2007518368.tif 000006
【００１９】
表１に示すように、これらのシード値どうしには高い相関があり（即ち、各シード値の最初の２ビットのみが一意的であり）、従って、適度なランダム性の欠如により線スペクトルが生じ得る。４Gbpsのデータレートを提供する次世代ＵＷＢにとっては、この問題はより顕著になる。
【００２０】
ここで、例えばIEEE 802.15.3aシステムにおけるＰＳＤ抑制用の、本発明によるスクランブラのアーキテクチャ（造り）及び方式を説明する。好適例では、スクランブラの初期設定のランダム性を増加させ、これによりＹ方向のランダム性を増加させるための、ペイロードデータ用の２層ＬＦＳＲアーキテクチャを提案する。
【００２１】
図４に、好適な２層ＬＦＳＲを示す。好適な回路４２２は、２つのシフトレジスタ４１０及び４１２、複数のエクスクルーシブ・オア（排他的論理和、ＸＯＲ：Exclusive OR）回路４１４ａ〜４１４ｎ、制御シフトレジスタ４１６、及びＸＯＲ回路４１８を具えている。好適例では、図４を参照すれば、２層ＬＦＳＲは次のように動作する：
１．各フレームの先頭では、sign_ctl_org1（シフトレジスタ）４１０をｎ1ビットだけ右シフトし、sign_ctl_org2（シフトレジスタ）４１２をｎ2ビットだけ右シフトし、ここにｎ1及びｎ2の各々は、１と最大シフト数、例えば図４に示す１５ビットのシフトレジスタについては１４との間の所定値である。
２．ＸＯＲ回路４１４Ａ〜４１４Ｎにおいて、上記右シフトした元の数どうしのエクスクルーシブ・オア（ＸＯＲ）をとり、即ちsign_ctl_orig＝sign_ctl_orig1(+)sign_ctl_orig2とする。
３．上記sign_ctl_origをsign_ctl_reg（制御シフトレジスタ）４１６にロードする。
４．sign_ctl_reg４１６を用いて、ペイロードデータをスクランブルするために必要な符号制御ビットを生成する。
５．ステップ１に戻り、次のフレームを処理する。
【００２２】
ここで、スクランブラの異なる初期設定についてのシミュレーションについて説明する。これらのシミュレーションでは、ペイロードデータはすべて”１”であり、非ペイロードデータは存在しない。パルスレートは４Gbpsであり、分解能は100kHzである。1024バイト、256バイト、及び64バイトのフレームサイズを用いた。1024バイトのフレームサイズはIEEE 802.15.3aにおける評価のために必要であり、64バイトのフレームサイズは仕様における最小のフレームサイズである。シミュレーション結果は、1024バイトのフレームサイズについては図５Ａ及び５Ｂに示し、256バイトのフレームサイズについては図５Ｃ及び５Ｄに示し、64バイトのフレームサイズについては図５Ｅ及び５Ｆに示す。図５Ａ、５Ｃ及び５Ｅは、表１に示す４つのシードによるＬＦＳＲ−１５（１５ビットのＬＦＳＲ）の結果を示し、図５Ｂ、５Ｄ及び５Ｆは、１層当たり１５シフトビットを有する（即ち、１層がＬＦＳＲ−１５の）２層ＬＦＳＲの結果を示す。２層ＬＦＳＲ−１５用のシフトビットは、バイナリ擬似乱数列（ＰＲＢＳ）を発生する１５ビットの多項式発生器を用いて生成され、これらの結果は、この２層ＬＦＳＲ−１５はＰＳＤをそれぞれ約13dB、26dB、34dBだけ低減することを示している。
【００２３】
あるいはまた、乱数列は、収集した物理的な雑音（ノイズ）系列、例えばショット雑音、ジョンソン雑音、１／Ｆ雑音、海の周囲雑音、及び光子雑音から発生することができる。他の雑音系列を用いることもできる。これらの雑音系列は増幅してＡ／Ｄ変換することができる。そして、このディジタル化した系列からのビットストリームを乱数列として用いることができる。受信機と送信機を同期させるために、乱数列でスクランブルされるメッセージの前文として、この乱数列を送信することが望ましいことがある。
【００２４】
上述した方法は、線スペクトルの抑制における改善をもたらす。この改善のために、送信機内のスクランブラと受信機内のスクランブラとが同期することが求められる。
【００２５】
なお、表１に示すIEEE 802.15.3におけるスクランブラのシード選択メカニズムは、互いに高い相関のシードを生じさせる。この実現では、ＬＦＳＲ−１５は（２15−１）通りの状態を有する。これらのシードは、シード４＝状態(ｎ)；シード２＝状態(ｎ＋１)；及びシード１＝状態(ｎ＋２)として定義することができる。なお、これら３つのシード間には状態のオーバラップ（重複）が過剰に存在し得る。例えば、1024バイトの１フレームが２13通りの状態を用いる場合には、４フレームは２13(シード３)＋(２13＋２)＝２14＋２＜(２15−１)通り以下の状態を用いる。従って、このスクランブラはすべての用途にとって十分なランダム性を提供することができない。
【００２６】
この知見は、互いに独立な他のシード組が、スクランブラの設定において従来技術よりも良好なランダム性を提供することを示唆する。
【００２７】
互いにほぼ無相関なシードを有する好適なシード組を次の表２に示す：
【００２８】
【表２】
2007518368.tif 000007
【００２９】
これら４つの新たなシードは次式のように記述することができる：
シード１＝状態(ｎ)
シード２＝状態(mod(ｎ＋１×２15-2，２15))
シード３＝状態(mod(ｎ＋２×２15-2，２15))
シード４＝状態(mod(ｎ＋３×２15-2，２15))
これらのシードを用いれば、４つのシード間に状態のオーバラップが存在しない。１Ｋバイトの１フレームは２13通りの状態を有し、４フレームは４×２13＝２15＞２14＋２通りの状態を用いる。この分析は、４つの無相関のシードの仕様はスクランブルのランダム性を増加させることを示す。
【００３０】
ここで、シミュレーションについて説明する。スクランブラに対するペイロードデータはすべて”１”であり、非ペイロードデータは存在しない。パルスレートは４Gbpsであり、分解能は100kHzである。256バイトのフレームサイズを用いた。シミュレーション結果を図６Ａ及び６Ｂに示し、図６Ａは、表１に示す４つの相関のあるシードによるＬＦＳＲ−１５の結果を示し、図６Ｂは、表２に示す４つの無相関のシードによるＬＦＳＲ−１５の結果を示す。これらのシミュレーション結果は、無相関のシードがＰＳＤを約10dB低減することを示している。
【００３１】
図６Ｂに示すように、改善されてはいるが、スペクトルの線がまだ存在する。これらの線は比較的少数のシードに関連する。スペクトルの線をさらに減らすために、ランダムフレーム反転を提案する。ランダムフレーム反転を導入する他の理由は次の段落に説明する。
【００３２】
IEEE 802.15.3aはIEEE 802.15.3のＭＡＣを利用するので、最大フレーム長は２Ｋバイトである。ＵＷＢのデータレートを４Gbpsと仮定すれば、最小フレームレートは次式のようになる：
４Ｇ／(２Ｋ×８)＝２５６Ｋ
Ｔf＝４×１０-6                                            (4)
Ｔf＜＜１であるので、非ペイロードデータ（例えば同期語）は、より高解像度で見た場合に強いスペクトル線を生成し得る。表２は、Ｔf＝１０-3の仮定の下で非ペイロードデータがＰＳＤに寄与するいくつかの値を挙げ、ここにｐs+はフレーム内の非ペイロードデータの比率である。この表は、非ペイロードデータはフレームの小部分を構成するが、そのＰＳＤに対する寄与は、フレームのパルス反復周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）が高いことにより無視できないことを示す。過酷環境でより小さいフレーム長を用いてフレームのエラーレート（誤り率）を低減するならば、同じ比率の非ペイロードデータがより強いスペクトル線を生成し、そして次の表３に挙げるものより大きいＰＳＤを生成する。
【００３３】
【表３】
2007518368.tif 000008
【００３４】
新たなスクランブラのＰＳＤをさらに低減し、そして非ペイロードデータによって生成されるＰＳＤを低減するために、次のランダムフレーム反転（ＲＦＲ：Random Frame Reversion）方法を提案する。フレーム化したデータストリームは次の(5)式に示すように表現することができる：
【数４】
2007518368.tif 000009
ここに、ｌ及びｋはそれぞれ、フレーム、及びフレーム内のパルスの指標（インデックス）値である。
【００３５】
ＲＦＲは、スクランブルされていない非ペイロードデータによって生成されるスペクトル線を低減することができる。好適例では、ＲＦＲを次のように実現する：
・次式の均等分布関数によって乱数列{ｂn}を発生する：
【数５】
2007518368.tif 000010
・そして上記データ列に次式の演算を適用して、新たな列を生成する：
【数６】
2007518368.tif 000011
・{ｃl,k}は新たなデータ列として伝送される。
【００３６】
ランダムフレーム反転を実行するための好適な回路を図４Ｂに示す。この図では、ペイロードデータは回路４２４内で、スクランブル発生器、例えば上述したスクランブル発生器４２２によって供給されるスクランブル列に応じてスクランブルされる。非ペイロードデータは、ペイロードデータがスクランブルされた後に回路４２６によってフレーム内に挿入され、従ってスクランブルされない。回路４２６の出力信号は、乱数ビット発生期４３０に応答する選択型インバータ（論理反転器）４２８に供給される。インバータ４２８は、フレームのデータを受信した通りに通過させるか、あるいは乱数発生器４３０からの信号に応じてフレームのデータを反転させるかのいずれかを行う。この回路を用いて、乱数発生器４３０によって供給される乱数ビットに応じてフレーム全体を選択的に反転させるか、あるいは、フレーム全体を反転させずに通過させることができる。
【００３７】
図７Ａ及び７Ｂにシミュレーション結果を示す。パルスレートは４Gbpsであり分解能は100kHzである。256バイトのフレームサイズを用いた。スクランブラに対するペイロードデータはすべて”１”である。図７Ａに、新たなシードのＬＦＳＲ−１５によってＲＦＲ無しで処理したデータのＰＳＤを示し、図７Ｂに、新たなシードのＬＦＳＲ−１５によってＲＦＲ有りで処理したデータのＰＳＤを示す。この結果は、ＲＦＲがＰＳＤを約10dBだけ低減することを示す。
【００３８】
代案の好適例では、次の方法を提案する：
１．シード選択用の異なる（即ち、よりランダムな）シード値；
２．少なくとも非ペイロードデータに対する選択的なランダムフレーム反転（ＲＦＲ）。
【００３９】
表２には４つのシード値が存在し、各シード値は１５ビットを含む。これらのシード値はほぼ無相関であり、従って、これらのシード値を用いて発生される擬似乱数列はほぼ無相関である。表２に示すシード組は例示に過ぎず、異なるシード値を持つシードを有するシード組、より多数またはより少数のシードを有するシード組、及びシード当たりより多数またはより少数のビットのシード組を採用することができる。シード組に用いる適切な無相関のシード値を生成する方法は、当業者にとって、本明細書の説明より明らかである。異なる数のシードを有するシード組によるシミュレーションを、上述したのと同じ構成を用いて行った。これらのシミュレーション結果を図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ及び８Ｄに示して、８シードのランダムシード組と１６シードのランダムシード組とを比較する。図８Ａ及び８ＢはＲＦＲ無しの、それぞれ８シード及び１６シードのシード組の結果を示し、図８Ｃ及び８ＤはＲＦＲ有りの、それぞれ８シード及び１６シードのシード組の結果を示す。図８Ａ〜８Ｄに示すシミュレーション用のシードは、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のrand()関数を用いて生成したものである。
【００４０】
このシミュレーションは次のことを示す：
・新たな方法はＵＷＢ信号のＰＳＤを大幅に低減する；
・ＲＦＲを用いなければ、１６シードのシード組は８シードのシード組より約５dB良好であり、８シードのシード組は４シードのシード組より約１dB良好である；
・ＲＦＲを用いれば、１６シードのシード組は８シードのシード組より約１dB良好であり、８シードのシード組は４シードのシード組より約３dB良好である。これら３つのシード組は非常に似た性能を示す。
【００４１】
従って、結論として、線スペクトル制御用のスクランブラの単純かつ有効な設計は次のようにすることができる：
１．低いシード相関を有する（即ち、ランダムな）４シード（またはそれ以上）のシード組からのシード選択を用いる；
２．非ペイロードデータ用には選択的なＲＦＲを用いる。
【００４２】
以上の説明は、IEEE 802.15.3aシステムにおけるＵＷＢ信号のＰＳＤに対するスクランブルの効果の分析を提供し、ＰＳＤを含む新たな白色化方法を提案する。シミュレーションは、IEEE 802.15.3aに提唱されている現在のスクランブラは不十分であり、新たな白色化方法はＰＳＤを抑制する性能を改善することができることを示している。この新たな方法は実現が容易であり、ＭＡＣ層の変更を必要としない。この方法はIEEE 802.15.3aスクランブラの開発に用いることができる。
【００４３】
本発明の構成要素は特定の構成要素について説明してきたが、１つ以上の構成要素は汎用コンピュータ上で実行されるソフトウェアで実現可能であると考えられる。こうした実施例では、種々の構成要素の機能の１つ以上を、汎用コンピュータを制御するソフトウェアで実現することができる。このソフトウェアは、コンピュータで読み取り可能な担体、例えば磁気または光ディスク、メモリーカード、あるいは可聴周波数、無線周波数、または光の搬送波で具現することができる。
【００４４】
これに加えて、本明細書では本発明を、特定実施例を参照して例示及び説明しているが、本発明はこれらの詳細事項に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲と等価な範囲内で本発明の範囲を逸脱することなしに、これらの詳細事項に種々の変形を加えることができる。例えば、本発明は、IEEE 802.15.3aの下でＵＷＢ信号のＰＳＤを低減することを参照して説明してきたが、他の通信システム及び規格において、本発明を用いてＰＳＤを低減することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１Ａ】１パルスについての周波数対パワースペクトル密度（ＰＳＤ）を示すグラフである。
【図１Ｂ】0.25のランダムシーケンス確率についての周波数対ＰＳＤを示すグラフである。
【図１Ｃ】0.5のランダムシーケンス確率についての周波数対ＰＳＤを示すグラフである。
【図１Ｄ】１のランダムシーケンス確率についての周波数対ＰＳＤを示すグラフである。
【図２Ａ】ＴＤＭＡシステムの一般的構造を示す図である。
【図２Ｂ】ＴＤＭＡシステムにおける連続フレームについてのフレーム内のデータを示すグラフである。
【図３Ａ】多数の原データパルスを有するフレームのＰＳＤを示す図である。
【図３Ｂ】従来技術によりデータ処理した多数のパルスを有するフレームのＰＳＤを示す図である。
【図４Ａ】本発明の一実施例によるスクランブラに用いる２層線形フィードバック・シフトレジスタ（ＬＦＳＲ）のブロック図である。
【図４Ｂ】本発明の好適な実施例によるランダムフレーム反転回路のブロック図である。
【図５Ａ】１０２４バイトのフレームサイズを有するデータで使用する際の、従来技術による４シードについての、スクランブラの初期設定のＰＳＤを示す図である。
【図５Ｂ】１０２４バイトのフレームサイズを有するデータで使用する際の、本発明による２層ＬＦＳＲについての、スクランブラの初期設定のＰＳＤを、図５Ａと比較して示す図である。
【図５Ｃ】２５６バイトのフレームサイズを有するデータで使用する際の、従来技術による４シードについての、スクランブラの初期設定のＰＳＤを示す図である。
【図５Ｄ】２５６バイトのフレームサイズを有するデータで使用する際の、本発明による２層ＬＦＳＲについての、スクランブラの初期設定のＰＳＤを、図５Ｃと比較して示す図である。
【図５Ｅ】６４バイトのフレームサイズを有するデータで使用する際の、従来技術による４シードについての、スクランブラの初期設定のＰＳＤを示す図である。
【図５Ｆ】６４バイトのフレームサイズを有するデータで使用する際の、本発明による２層ＬＦＳＲについての、スクランブラの初期設定のＰＳＤを、図５Ｅと比較して示す図である。
【図６Ａ】４つの相関のあるシードで用いる際の、本発明による１５ビットの２層ＬＦＳＲ（ＬＦＳＲ−１５）についてのスクランブラのＰＳＤを示す図である。
【図６Ｂ】４つの無相関のシードで用いる際の、本発明による１５ビットの２層ＬＦＳＲ（ＬＦＳＲ−１５）についてのスクランブラのＰＳＤを、図６Ａと比較して示す図である。
【図７Ａ】ランダムフレーム反転（ＲＦＲ）無しで４つの無相関シードで用いた、本発明による２層ＬＦＳＲ−１５のＰＳＤを示す図である。
【図７Ｂ】ランダムフレーム反転（ＲＦＲ）有りで４つの無相関シードで用いた、本発明による２層ＬＦＳＲ−１５のＰＳＤを、図７Ａと比較して示す図である。
【図８Ａ】ＲＦＲ無しで８つの無相関シードで用いた、従来技術のスクランブラのＰＳＤを示す図である。
【図８Ｂ】ＲＦＲ無しで１６の無相関シードで用いた、本発明による２層ＬＦＳＲ−１５のＰＳＤを、図８Ａと比較して示す図である。
【図８Ｃ】ＲＦＲ有りで８つの無相関シードで用いた、従来技術のスクランブラのＰＳＤを示す図である。
【図８Ｄ】ＲＦＲ有りで１６の無相関シードで用いた、本発明による２層ＬＦＳＲ−１５のＰＳＤを、図８Ｃと比較して示す図である。
【図１Ａ】
2007518368.tif 000012
【図１Ｂ】
2007518368.tif 000013
【図１Ｃ】
2007518368.tif 000014
【図１Ｄ】
2007518368.tif 000015
【図２Ａ】
2007518368.tif 000016
【図２Ｂ】
2007518368.tif 000017
【図３Ａ】
2007518368.tif 000018
【図３Ｂ】
2007518368.tif 000019
【図４Ａ】
2007518368.tif 000020
【図４Ｂ】
2007518368.tif 000021
【図５Ａ】
2007518368.tif 000022
【図５Ｂ】
2007518368.tif 000023
【図５Ｃ】
2007518368.tif 000024
【図５Ｄ】
2007518368.tif 000025
【図５Ｅ】
2007518368.tif 000026
【図５Ｆ】
2007518368.tif 000027
【図６Ａ】
2007518368.tif 000028
【図６Ｂ】
2007518368.tif 000029
【図７Ａ】
2007518368.tif 000030
【図７Ｂ】
2007518368.tif 000031
【図８Ａ】
2007518368.tif 000032
【図８Ｂ】
2007518368.tif 000033
【図８Ｃ】
2007518368.tif 000034
【図８Ｄ】
2007518368.tif 000035
【国際調査報告】
2007518368.tif 000036
2007518368.tif 000037
2007518368.tif 000038