單載波UWB系統(tǒng)物理層幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

孫 沖，肖振宇，蘇 厲，金德鵬，曾烈光

（清華大學(xué) 電子工程系 微波與數(shù)字通信技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 SC-UWB系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于ECMA-368的MB-OFDM-UWB方案性能良好，但由于OFDM信號(hào)峰均比高、載波頻偏敏感等特性，該體制對(duì)射頻器件的線性度、帶寬和ADC的精度、速度等要求較高，系統(tǒng)復(fù)雜度也比較高，基于傳統(tǒng)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)存在較大困難。為此，清華大學(xué)提出了單載波UWB方案（SC-UWB）[1]。該方案將單載波頻譜搬移至特定的頻率范圍，采用直序擴(kuò)頻技術(shù)占據(jù)超過(guò)500 MHz的帶寬，可降低ADC和射頻器件的壓力，整個(gè)系統(tǒng)易于單芯片化。這些優(yōu)點(diǎn)使得SC-UWB具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，使其成為目前國(guó)家C-WPAN標(biāo)準(zhǔn)的重要競(jìng)爭(zhēng)方案之一。

1.1 SC-UWB物理層（PHY）

SC-UWB PHY結(jié)構(gòu)如圖1所示[2-3]。

圖1 SC-UWB PHY結(jié)構(gòu)框圖

1.2 SC-UWB媒體接入控制層（MAC）

SC-UWB MAC采用WiMedia的ECMA-368標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。ECMA-368 MAC是一種完全分布式的MAC協(xié)議，設(shè)備之間相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源共享，并且通過(guò)預(yù)保留機(jī)制或者優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制搶占信道。

ECMA-368 MAC通過(guò)符合標(biāo)準(zhǔn)的MAC幀，實(shí)現(xiàn)與PHY的數(shù)據(jù)交互和控制信息交互，其幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。因此，所設(shè)計(jì)的SC-UWB幀結(jié)構(gòu)必須支持標(biāo)準(zhǔn)ECMA-368 MAC幀。

圖2 ECMA-368 MAC幀結(jié)構(gòu)

1.3 問(wèn)題的引出

對(duì)于SC-UWB系統(tǒng)，MAC采用ECMA-368方案，PHY采用單載波方案，如何使兩層協(xié)調(diào)高效地工作是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。這里介紹一種能夠同時(shí)適配ECMA-368 MAC和SC-UWB PHY的幀結(jié)構(gòu)，很好地解決了上述問(wèn)題。這種幀結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：1）增加了前導(dǎo)序列、跟蹤序列等必要的輔助單元，很好地適配了SCUWB PHY；2）支持ECMA-368 MAC幀結(jié)構(gòu)，使SC-UWB物理層能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的MAC幀與ECMA-368媒體接入控制層數(shù)據(jù)交互；3）增加了CRC校驗(yàn)和、RS編碼等輔助模塊，大大降低了PHY幀頭、MAC幀頭等關(guān)鍵信息的錯(cuò)誤概率；4）兼顧了幀效率、幀延時(shí)、幀同步等性能。下面詳細(xì)介紹這種幀結(jié)構(gòu)。

2 基于ECMA-368 MAC和SC-UWB PHY的幀結(jié)構(gòu)

上文介紹的SC-UWB接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，對(duì)于幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的要求：幀同步模塊需要在幀結(jié)構(gòu)中增加擴(kuò)頻捕獲序列；遲早環(huán)需要用跟蹤序列進(jìn)行擴(kuò)頻跟蹤；RAKE模塊需要信道估計(jì)序列以判斷無(wú)線信道多徑情況；DFE模塊需要訓(xùn)練序列來(lái)調(diào)整抽頭系數(shù)。同時(shí)，為了保護(hù)幀頭的重要信息，有必要在幀結(jié)構(gòu)中增加RS編碼、頭校驗(yàn)（HCS）等保護(hù)措施。

為了適配SC-UWB接收機(jī)，同時(shí)能夠支持ECMA-368 MAC與SC-UWB PHY數(shù)據(jù)和控制信息交互，提出一種新型的物理層幀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

SC-UWB PHY幀結(jié)構(gòu)主要分為幀前導(dǎo)和幀體兩部分。幀前導(dǎo)由擴(kuò)頻捕獲序列、信道估計(jì)序列和擴(kuò)頻訓(xùn)練序列3部分組成。擴(kuò)頻捕獲序列由8個(gè)PN序列組成，用于擴(kuò)頻碼初始捕獲以及確認(rèn)；信道估計(jì)序列由8個(gè)PN序列組成，用于信道估計(jì)，也就是RAKE多徑搜索及合并系數(shù)估計(jì)；訓(xùn)練序列有800 bit和200 bit兩種模式，分別用于一般模式和突發(fā)模式，用于接收端均衡器進(jìn)行自適應(yīng)訓(xùn)練，以調(diào)整抽頭系數(shù)。擴(kuò)頻捕獲序列和信道估計(jì)序列均采用長(zhǎng)度為31個(gè)碼片的PN序列｛-1，-1，-1，-1，1，1，-1，-1，1，-1，1，1，-1，1，1，1，1，-1，1，-1，1，-1，-1，-1，1，-1，-1，1，1，1，-1｝，訓(xùn)練序列用擴(kuò)頻長(zhǎng)度為 2 的序列｛-1，+1｝進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。

幀體部分由若干個(gè)數(shù)據(jù)單元組成，每個(gè)數(shù)據(jù)單元由1個(gè)凈荷數(shù)據(jù)段和1個(gè)2 bit的跟蹤序列組成。凈荷數(shù)據(jù)被擴(kuò)頻長(zhǎng)度為2的序列｛-1，+1｝進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，跟蹤序列用上述長(zhǎng)度為31的PN序列擴(kuò)頻，用于接收機(jī)的擴(kuò)頻同步跟蹤，糾正由晶振漂移等造成的定時(shí)偏差。只有最后一個(gè)凈荷數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度是可變的，其他數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度都是512 byte。

第一個(gè)凈荷數(shù)據(jù)段的前23 byte分別對(duì)應(yīng)PHY幀頭、MAC幀頭、頭校驗(yàn)和（HCS）以及RS編碼比特，這4部分構(gòu)成SC-UWB幀的幀頭信息。PHY幀頭、MAC幀頭分別來(lái)自于ECMA-368 MAC幀的前兩部分，其中包含了諸如幀長(zhǎng)度、幀模式、MAC源地址、MAC目標(biāo)地址等重要信息；HCS和RS編碼比特的作用是對(duì)前面兩部分進(jìn)行差錯(cuò)和糾錯(cuò)處理，以便在接收端能正確地提取重要參數(shù)和信息。第一個(gè)凈荷數(shù)據(jù)段的剩余部分以及其他的凈荷數(shù)據(jù)段對(duì)應(yīng)MAC負(fù)荷、幀校驗(yàn)和（FCS）以及填充（PAD）比特，這3部分構(gòu)成SC-UWB幀的幀凈荷。MAC負(fù)荷、FCS對(duì)應(yīng)于ECMA-368 MAC幀的后兩部分，填充比特的作用是保證凈荷數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度是16 byte的整數(shù)倍，便于接收端維特比譯碼。假設(shè)SC-UWB幀的幀頭、MAC負(fù)荷、FCS以及填充比特的長(zhǎng)度分別為 Lheader，Lpayload，LFCS，Lpad，則有

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會(huì)上對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的人才需求也越來(lái)越大，實(shí)際的高職院校教學(xué)中，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教育已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)于高職院校人才的需求，因此要用現(xiàn)代化教學(xué)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)模式的創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程微課資源，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)技術(shù)人員，促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展。

SC-UWB幀長(zhǎng)度是可變的，這主要是因?yàn)镸AC凈荷長(zhǎng)度是可變的。假設(shè)SC-UWB幀結(jié)構(gòu)中有N個(gè)數(shù)據(jù)單元，Lpayload與SC-UWB幀凈荷數(shù)據(jù)段個(gè)數(shù)N的關(guān)系為

式中：「·?表示向上取整，mod 表示取模運(yùn)算，Lheader≡23 byte，LFCS≡4 byte。

3 SC-UWB幀構(gòu)造過(guò)程

ECMA-368 MAC幀由4部分組成，如圖4所示。SCUWB幀組裝過(guò)程就是把ECMA-368 MAC幀組裝成SCUWB幀的過(guò)程，分為3個(gè)主要步驟：

1）ECMA-368 MAC幀頭字節(jié)的處理過(guò)程。MAC幀中的PHY幀頭直接映射為SC-UWB幀的PHY幀頭；MAC幀中的MAC幀頭經(jīng)過(guò)生成多項(xiàng)式為g1（D）=1+D14+D15的擾碼器擾碼后映射為SC-UWB幀的MAC幀頭；MAC幀中的PHY幀頭和MAC幀頭經(jīng)過(guò)校驗(yàn)多項(xiàng)式為g2（D）=1+D5+D12+D16的CRC校驗(yàn)和擾碼后，映射為SC-UWB幀的頭校驗(yàn)比特；用縮短的（23，17）RS編碼器對(duì)SC-UWB幀的PHY幀頭、加擾后的MAC幀頭和HCS進(jìn)行編碼，編碼信息映射為SC-UWB幀的RS奇偶校驗(yàn)字節(jié)。

圖4 ECMA-368 MAC幀頭信息的保護(hù)處理過(guò)程

2）ECMA-368 MAC幀凈荷處理過(guò)程。首先根據(jù)MAC幀凈荷和幀校驗(yàn)和的字節(jié)數(shù)，根據(jù)式（1）確定填充字節(jié)的長(zhǎng)度，然后對(duì)這3部分進(jìn)行擾碼，形成SC-UWB幀凈荷。

3）SC-UWB幀組裝過(guò)程。首先根據(jù)MAC控制信息，構(gòu)造幀前導(dǎo)的3個(gè)部分，然后根據(jù)式（2）計(jì)算出數(shù)據(jù)單元個(gè)數(shù)N，把SC-UWB幀頭和幀凈荷組裝到這N個(gè)數(shù)據(jù)單元中，其中最后一個(gè)數(shù)據(jù)單元長(zhǎng)度是可變的，其他長(zhǎng)度固定為512 byte。最后在每個(gè)凈荷數(shù)據(jù)段間插入2 bit跟蹤序列，如圖5所示。

4 性能分析

4.1 幀效率

在SC-UWB幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，前導(dǎo)、跟蹤序列、頭校驗(yàn)和等模塊的加入，大大降低了物理層的誤碼率和誤幀率，但同時(shí)也降低了物理層的效率。將物理層的幀效率定義為在一幀范圍內(nèi)，把幀前導(dǎo)等輔助模塊考慮在內(nèi)，幀凈荷歷時(shí)占1幀總歷時(shí)的百分比。假設(shè)SC-UWB的PHY凈荷速率為200 Mbit/s，一般模式下平均凈荷長(zhǎng)度為2048 byte（最大凈荷長(zhǎng)度的一半），則凈荷數(shù)據(jù)段數(shù)N=5，Lpad=5 byte，碼片速率為 400 Mchip/s（兆片/秒），那么平均幀長(zhǎng)意義下的SC-UWB幀效率為

式中：Dpayload，Dpreamble，Dtracking，Dheader，DFCS和 Dpad分別代表 SCUWB幀中負(fù)荷、前導(dǎo)、跟蹤序列、幀頭、幀校驗(yàn)和填充比特的延時(shí)。

根據(jù)ECMA-368，可以計(jì)算出ECMA-368物理層幀的效率ηECMA=85%?？梢?jiàn)，在幀效率方面，SC-UWB優(yōu)于ECMA-368幀結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，在相同PHY標(biāo)稱(chēng)速率下，SCUWB系統(tǒng)實(shí)際有效凈荷速率要高于ECMA-368系統(tǒng)。

4.2 發(fā)射延時(shí)

這里的發(fā)射延時(shí)，指的是從MAC通知PHY在某個(gè)信道以某個(gè)功率發(fā)送某種模式的幀開(kāi)始，到PHY天線開(kāi)始發(fā)射幀前導(dǎo)波形的歷時(shí)?？紤]到DA和射頻延時(shí)很小，可以忽略不計(jì)，那么幀延時(shí)主要取決于PHY基帶延時(shí)。對(duì)于SC-UWB系統(tǒng)，由于天線和邏輯信道是唯一的，所以不存在選擇時(shí)頻碼和前導(dǎo)樣式的問(wèn)題，前導(dǎo)第一部分同步捕獲序列是固定不變的，所以一旦被告訴要發(fā)射幀，幀前導(dǎo)幾乎可以馬上發(fā)送到RF模塊，發(fā)射延時(shí)很小，僅需納秒。發(fā)射延時(shí)小，意味著MAC可以更好地對(duì)PHY進(jìn)行發(fā)射控制，避免無(wú)線信道的波形碰撞，從而提高系統(tǒng)效率。

4.3 硬件實(shí)現(xiàn)

所提幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用到清華大學(xué)提出的SC-UWB系統(tǒng)物理層的PLCP（Physical Layer Converge Protocol）子層，并且以Xilinx公司的Virtex4芯片為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種幀結(jié)構(gòu)能夠很好地適配物理層接收機(jī)，在無(wú)線密集多徑信道下，誤碼率可以達(dá)到10-6以下；同時(shí)能使PHY與MAC進(jìn)行速率達(dá)200 Mbit/s以上的幀交換，MAC凈速率可達(dá)50 Mbit/s以上，滿(mǎn)足播放高清視頻的要求。

表1對(duì)SC-UWB和ECMA-368組幀協(xié)議的硬件復(fù)雜度進(jìn)行了比較。從表中可以看出，SC-UWB組幀協(xié)議具有較低的復(fù)雜度和較快的速度。

表1 SC-UWB和ECMA-368組幀協(xié)議復(fù)雜度比較

5 小結(jié)

筆者介紹了一種基于SC-UWB的幀結(jié)構(gòu)。這種幀結(jié)構(gòu)能夠很好地同時(shí)適配ECMA-368 MAC協(xié)議和SCUWB PHY協(xié)議，同時(shí)具有良好的性能和較低的復(fù)雜度。目前這種幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)被運(yùn)用于國(guó)家“863”課題《超寬帶SoC芯片設(shè)計(jì)及組網(wǎng)試驗(yàn)》，取得了良好的效果。

[1]肖振宇，金德鵬，朱亮，等.實(shí)現(xiàn)直接擴(kuò)頻超寬帶的發(fā)射端、接收端及其方法：中國(guó)，200810115116.4[P].2008-10-22.

[2]XIAO Zhenyu， ZHU Liang，GE Ning，et al.The optimum SRAKE based RAKE-DFE receiver for carrier DS-UWB systems[C]//Proc.Int.Conf.Commun.Syst.Guangzhou，China：[s.n.]，2008：1529-1533.

[3]XIAO Zhenyu，SU Li，JIN Depeng，et al.Improving performance ofSC-UWB systems with the optimum SRAKE based RAKE-DFE receiver[J].IEICE Trans.Commun.，2009，E92-B（8）：2751-2754.

[4]ECMA International.ECMA-368:high rate ultra wideband PHY and MAC standard-3rd edition[S].2008.

[5]ECMA International.ECMA-369：MAC-PHY interface for ECMA-368-3rd edition[S].2008.