Chaotic signal has several advantages: aperiodic, difficult to predict, reconstructive, white wideband power spectra, and easy to generate. Due to above benefits, chaotic signal can be used in communication system. Slightly different starting condition can make infinite number of signal sets with very low correlation feature. Also, autocorrelation function can be made into an impulse-like signal that makes it hard to detect, it is robust in multipath fading, and anti-jamming. WPAN(Wireless Personal Area Networks) is a network that is made up with wireless connection between devices. IEEE 802.15 WPAN is a working group for a short distance wireless network. It can be divided into 4 Task Group(TG). TG4 is for sensor network which requires several months or years battery life, low complexity, and low data rate transmission properties. IEEE 802.15.4 technology is highlighted because of ubiquitous sensor networking. IEEE 802.15.4a is an alternative physical layer of IEEE 802.15.4. With properties of IEEE 802.15.4, IEEE 802.15.4a provides precise localization, ultra low power consumption, longer service area, low cost, and scalability of data rate. To satisfy those properties, IEEE 802.15.4a uses UWB(Ultra Wide Band) technology which is employed in IEEE 802.15.3a. IR(Impulse Radio), MB-OFDM(Multiband - Orthogonal Frequency Division Multiplex), Chirp signal, and Chaotic signal have UWB properties.
Chaotic modulations, which are proposed in IEEE 802.15.4a standard, is divided into three different receiver types:coherent receiver, differential coherent receiver, and non-coherent receiver. CSK(Chaos Shift Keying)modulation requires coherent receiver. Implementation of CSK receiver is not easy since basis function cannot be regenerated at the receiver unless the receiver has the initial condition of the transmitter chaotic signal generator. Whereas, DCSK(Differential Chaos Shift Keying) is easier to embody basis function in that, it is restorable from the reference signal. DCSK modulation uses differential coherent receiver. However, the half symbol period delay line for DCSK is not feasible for the standard chip process. Because of above reasons, COOK(Chaotic On-Off Keying) is proposed to realize a simple and cheap receiver. Due to the non-coherent system, it does not require restoring basis function in receiver. Also, non-coherent COOK has no implemental problem it can avoid delay line problem. Moreover, non-coherent COOK is more energy efficient over DCSK by 3 dB since it does not send the reference signal. However, COOK demands optimum threshold which is half of symbol energy plus noise energy. Optimum threshold can make COOK to have better performance.
We suggest some modulations. First, it is RD(Reduced Delay)-DCSK. By using constant bandwidth chaotic signal property, we reduce reference signal and data signal period until minimum bandwidth requirement. We can reduce delay line length from $\beta$ to $\frac{2\beta}{M}$ , where M is even number. Indeed, we use majority rule method. It can make RD-DCSK have same performance with DCSK. Second, we suggest PPB-CM(Pulse Position Based - Chaotic Modulation) modulation. PPB-CM does not require delay line and optimum threshold nevertheless it has same performance with DCSK and COOK. From IEEE 802.15.4a channel simulation results, we find that there are intra symbol interference and inter symbol interference. To reduce interference, we insert IGI(intra guard interval) in DCSK and PPB-CM modulation. We derive the performance of DCSK, COOK, RD-DCSK, and IGI DCSK on AWGN channel. Besides, we compare it with simulated results on both AWGN channel and IEEE 802.15.4a channel.
카오스 신호는 비주기성, 광대역 특성, 신호 예측의 어려움, 간단한 구현이 가능하다는 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들로 인해 카오스 신호를 사용하는 통신 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 한 예로써 현재 카오스 시스템은 데이터 전송 정확한 위치 측정, 초 저전력 소모, 낮은 가격을 목적으로 하는 저속 WPAN(Wireless Personal Area Networks)의 표준화인 IEEE802.15.4a 표준안으로 제안되어있다.
본 논문에서는 카오스 신호를 사용하는 기존 변조 방식들의 AWGN 채널에서의 성능을 분석하고 새로운 변조 방식의 제안 및 IEEE 802.15.4a 채널에서의 성능 개선 방법을 제안하였다.
카오스 신호를 사용하는 변조 방식으로는 CSK(Chaos Shift Keying), COOK(Chaotic On-Off Keying), DCSK(Differential Chaos Shift Keying) 방식이 있다. 이 중 IEEE802.15.4a의 표준안으로 DCSK, COOK 변조방식이 제안되었다. 이러한 이유로 인해 DCSK, COOK 변조 방식의 AWGN 채널에서의 성능을 분석하였다. DCSK 변조 방식은 기저 신호를 수신신호로부터 복구할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 기저 신호의 복구를 위해 사용되는 지연선의 길이가 길어 실제 구현시 센서 네트워크에서 요구하는 크기의 송수신기 구현이 어렵다. 위의 문제점을 해결하고자 변조 방식인 COOK 방식이 제안되었다. COOK 변조 방식 또한 optimum threshold를 알지 못하면 성능 열화가 발생하여 새로운 변조 방식의 제안이 필요하게 되었다. PPB-CM 변조 방식은 위의 문제점을 해결하고자 제안된 변조방식이다. 기존에 사용된 PPM 변조방식의 개념과 같이 전송 비트의 정보를 위치 정보에 실어 전송하는 방식이다. PPB-CM 변조 방식에서는 기저 신호 복구를 위한 지연선도 필요하지 않고 Optimum threshold가 필요 없다는 장점이 있다. 또한 AWGN 채널에서는 DCSK, COOK, PPB-CM 방식 모두 유사한 성능을 가진다.
본 논문에서는 또한 DCSK 변조 방식의 단점을 해결하고자 RD-DCSK 변조방식을 제안하였다. RD-DCSK 변조 방식을 사용함으로써 기존 dCSK 변조 방식에서 필요한 지연선의 길이를 $\beta$에서 $\frac{2\beta}{M}$으로 줄일 수 있었다. 또한 majority rule 블록을 통해 기준 DCSK 변조 방식과 같은 성능을 가질 수 있다.
IEEE802.15.4a 채널 환경의 경우 시뮬레이션 결과 channel 5의 성능이 channel 1,9의 성능보다 열악하게 나옴을 확인할 수 있다. 또한 inter symbol interference와 intra symbol interference가 발생함을 확인할 수 있다. 이에 대한 해결책으로 IGI(Intra Guard Interval) 시스템을 제안하였다. IGI를 통해 0.11~6.66dB 성능 향상을 가져온다.
또한 IEEE802.15.4a preamble을 디자인하여 packet detection 성능을 시뮬레이션 하였다. Packet detection을 위해 double sliding window방식을 사용하였다.
