穿戴式超寬帶接收機(jī)誤碼率性能分析*

徐衛(wèi)林，吳 迪，覃玉良，韋保林，段吉海

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004)

1 引 言

人體穿戴式健康監(jiān)護(hù)與遙測(cè)系統(tǒng)是未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢(shì)之一，這種穿戴式系統(tǒng)需要滿足便攜化、遠(yuǎn)程化和實(shí)時(shí)性的要求。超寬帶(UWB)具有傳輸速率高、消耗電能小、不需要復(fù)雜的射頻轉(zhuǎn)換電路和調(diào)制電路、抗干擾能力強(qiáng)和保密性能好等突出特點(diǎn)［1］。利用UWB 的優(yōu)勢(shì)通過(guò)信道建模與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立一種新的可穿戴式無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN)用UWB 通信體制，并將系統(tǒng)集成到芯片中才能更好地滿足穿戴式系統(tǒng)的需要。體域網(wǎng)信道模型及其BER 特性的分析和研究對(duì)收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)性意義［1－3］。

目前關(guān)于人體信道的特性分析主要集中在路徑損耗上［4］，因?yàn)樗怯绊慤WB 收發(fā)信機(jī)靈敏度的關(guān)鍵因素之一，但是在設(shè)計(jì)收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)時(shí)，降低BER、減少電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和滿足低功耗的要求是相輔相成的。文獻(xiàn)［5］采用4 個(gè)分支的部分RAKE(PRAKE)接收機(jī)來(lái)進(jìn)行BER 的評(píng)估，但并沒(méi)有和同分支數(shù)的選擇性RAKE(SRAKE)接收機(jī)的BER 進(jìn)行性能對(duì)比，同時(shí)也沒(méi)有考慮在進(jìn)行重復(fù)編碼的情況下軟判決和硬判決對(duì)BER 的影響。文獻(xiàn)［6］通過(guò)研究接收機(jī)在人體表面位置的變化對(duì)接收信號(hào)的影響，分析了收發(fā)天線角度的變化造成的不同路徑損耗，但是并未考慮天線角度的變化對(duì)BER造成的影響。本文綜合考慮了接收機(jī)的架構(gòu)、分支數(shù)、收發(fā)天線的角度和接收機(jī)的判決方式等，通過(guò)MATLAB 仿真人體信道的沖激響應(yīng)，確定如何合理地選用相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)［7］，以利用多徑信道的時(shí)間分集提高判決過(guò)程的性能，以降低BER。文中利用CLEAN 算法進(jìn)行UWB 信道傳播分析，通過(guò)去卷積的方法得到人體信道的沖激響應(yīng)，從三個(gè)方面展開(kāi):體表－體表(CM3)環(huán)境下［8］不同的RAKE 接收機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)BER 的影響;體表－體外(CM4)環(huán)境下［8］收發(fā)天線角度對(duì)BER 的影響;重復(fù)編碼［9］時(shí)采用軟判決和硬判決方式對(duì)BER 性能的影響。

2 RAKE 接收機(jī)結(jié)構(gòu)與BER

UWB 無(wú)線通信采用占空比很低的極窄脈沖進(jìn)行短距離通信，穿戴式WBAN 的一個(gè)顯著特點(diǎn)是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在多條傳播路徑，發(fā)射信號(hào)在經(jīng)過(guò)人體傳播之后會(huì)產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)過(guò)時(shí)延和衰減的信號(hào)。因此，無(wú)線信道的沖激響應(yīng)和多徑數(shù)量、多徑增益的大小、多徑的到達(dá)時(shí)間和相位緊密相關(guān)。利用CLEAN 算法可獲取人體信道沖激響應(yīng)，其表達(dá)式如式(1)所示:

式中，al、tl、φl(shuí)分別對(duì)應(yīng)著多徑增益系數(shù)、第l 徑相對(duì)于第1 徑的到達(dá)時(shí)間和第l 徑的相位，L 是多徑數(shù)目，δ 代表狄拉克函數(shù)。多徑增益系數(shù)al如式(2)所示［9］:

其中，Γ 為指數(shù)衰減因子，γ0為RICIAN 系數(shù)，S 為服從標(biāo)準(zhǔn)差σs的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。tl服從到達(dá)率為λ 的泊松分布，如式(3)所示:

對(duì)CM3 可以通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)平均值，并不區(qū)分是視距(Line of Sight，LOS)還是非視距(Non Line of Sight，NLOS)傳播［6］。由遞減噪聲功率值(對(duì)應(yīng)ERX/NO =［0 3 6 9］，其中ERX 為一個(gè)單脈沖的接收能量，NO 為產(chǎn)生噪聲電平的高斯隨機(jī)變量的方差)產(chǎn)生接收機(jī)的4 個(gè)不同的高斯噪聲信號(hào)，將發(fā)射信號(hào)和離散時(shí)間信道沖激響應(yīng)卷積，然后疊加高斯噪聲得到接收機(jī)輸入信號(hào)［7］。

仿真RAKE 接收機(jī)時(shí)，將不同的多徑分量首先經(jīng)過(guò)加權(quán)，然后再進(jìn)行疊加(即MRC 方式)，其權(quán)重按照使判決過(guò)程中信噪比(SNR)最大的原則確定。接收機(jī)接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)和判決過(guò)程即可得到接收信號(hào)的BER?？紤]5 種典型的情況:處理所有多徑分量的理想RAKE(ARAKE)，S =5 的SRAKE－5，S=2 的SRAKE－2，L =5 的PRAKE－5 和L =2的PRAKE－2。對(duì)TH－PPM UWB 信號(hào)的發(fā)射和接收的分析流程如圖1所示。

圖1 TH－PPM UWB 信號(hào)流程圖Fig.1 Flowchart of TH－PPM UWB signal

其中，TL是觀測(cè)時(shí)間，NR是RAKE 接收機(jī)分支數(shù)目，wj是第j 個(gè)分量的加權(quán)系數(shù)，m(t)是傳輸符號(hào)的相關(guān)掩膜，τj是第j 個(gè)分支的多徑時(shí)延。

根據(jù)表1的CM3 信道沖激響應(yīng)的基本參數(shù)值［9］(在辦公室中，人體處于靜態(tài)時(shí)30 次測(cè)量的平均值進(jìn)行理論計(jì)算，由于參數(shù)來(lái)源于真實(shí)場(chǎng)景測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的平均值，能較好地模擬真實(shí)場(chǎng)景，下同)，仿真CM3 環(huán)境下人體信道的沖激響應(yīng)、等價(jià)的離散時(shí)間信道沖激響應(yīng)、功率延遲分布(PDP)以及不同結(jié)構(gòu)的RAKE 接收機(jī)的BER，其仿真結(jié)果分別如圖2～5所示。

表1 CM3 信道沖激響應(yīng)的參數(shù)值Table 1 Parameters of impulse response of body channel of CM3

圖2 連續(xù)時(shí)間信道沖激響應(yīng)Fig.2 Impulse response of body channel in continuous time

圖3 離散時(shí)間信道沖激響應(yīng)Fig.3 Impulse response of body channel in discrete time

圖4 信道沖激響應(yīng)的PDPFig.4 PDP of impulse response of body channel

圖5 BER 與ERX/NO 的關(guān)系曲線Fig.5 BER performance for different ERX/NO

根據(jù)圖2和圖3，依據(jù)式(7)可以獲得UWB 信道的τrms［9］，它是接收端判斷ISI 存在與否的最基本的參數(shù)，如果兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔小于τrms，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生BER 和引起ISI。

圖4的信道沖激響應(yīng)PDP 反映了95%以上的信號(hào)能量集中在前40 個(gè)多徑分量中，因此在仿真時(shí)，通過(guò)設(shè)定平均多徑數(shù)目Pt =40，以控制信道沖激響應(yīng)的產(chǎn)生。圖5比較了理想RAKE 接收機(jī)、SRAKE 接收機(jī)和PRAKE 接收機(jī)等5 個(gè)RAKE 接收機(jī)的性能，噪聲電平根據(jù)給定的ERX/NO 值確定。帶菱形的虛線曲線對(duì)應(yīng)的是SNR 最大的兩個(gè)分支的SRAKE，帶六角星的深色曲線對(duì)應(yīng)的是SNR 最大的兩個(gè)分支的SRAKE。顯然，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)ERX/NO=3 dB時(shí)，PARKE 接收機(jī)的BER 損失要比SRAKE 接收機(jī)高3 dB。

總體來(lái)說(shuō)，包含全部分支的ARAKE 接收機(jī)由于復(fù)雜度很大，現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一般不予采用。PRAKE 接收機(jī)與SRAKE 接收機(jī)相比，在處理相同分支數(shù)時(shí)，PRAKE 接收機(jī)的BER 性能損失更大，但其信道估值和信道跟蹤的復(fù)雜性比較低，而且PRAKE 接收機(jī)的電路復(fù)雜性也較低。在實(shí)際設(shè)計(jì)中選擇接收方案時(shí)，可以采用能處理更多分支的PRAKE 接收機(jī)來(lái)代替SRAKE 接收機(jī)，雖然PRAKE接收機(jī)的分支較多但是電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。例如用PRAKE－5 接收機(jī)來(lái)代替SRAKE－2 接收機(jī)。相反，如果對(duì)RAKE 接收機(jī)的分支數(shù)有明確限制，可以選用SRAKE 接收機(jī)來(lái)獲得更高的BER 性能，如圖5所示，可以用SRAKE－5 接收機(jī)來(lái)代替PRAKE－5 接收機(jī)，但相應(yīng)的信道估值和信道跟蹤以及接收機(jī)的復(fù)雜性也會(huì)相應(yīng)提高。

3 收發(fā)天線角度與BER

CM4 即體表－體外信道，典型環(huán)境如醫(yī)生的監(jiān)控通信裝置置于墻邊，病人的穿戴式UWB 通信設(shè)備置于人體體表，其信道基本參數(shù)可以通過(guò)多次試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量，并不區(qū)分是視距(LOS)還是非視距(NLOS)傳播。CM4 環(huán)境下信道沖激響應(yīng)的多徑增益αl和CM3 有所不同，需要對(duì)式(2)進(jìn)行修正［9］，得到式(8):

根據(jù)表2的CM4 環(huán)境下不同收發(fā)天線角度對(duì)應(yīng)的基本參數(shù)值［2］(在辦公室中，人體處于靜態(tài)時(shí)30 次測(cè)量的平均值進(jìn)行理論計(jì)算，由于參數(shù)來(lái)源于真實(shí)場(chǎng)景測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的平均值，能較好地模擬真實(shí)場(chǎng)景)，通過(guò)MATLAB 仿真可以獲得不同收發(fā)天線角度下的BER 性能，如圖6和圖7所示。

表2 CM4 環(huán)境下不同天線角度對(duì)應(yīng)的參數(shù)Table 2 Channel parameters for different angles of antennas

圖6 接收與發(fā)射天線角度為0°Fig.6 BER performance at 0°

圖7 接收與發(fā)射天線角度為90°Fig.7 BER performance at 90°

圖6和圖7中，CM4 環(huán)境下不同結(jié)構(gòu)不同分支數(shù)的RAKE 接收機(jī)的性能與CM3 環(huán)境下的不同結(jié)構(gòu)不同分支數(shù)的RAKE 接收機(jī)的性能變化趨勢(shì)基本類似。同時(shí)，可以看到收發(fā)天線角度在90°時(shí)得到的BER 在ERX/NO 為3 dB 和6 dB 時(shí)有不同程度的上升趨勢(shì)，這說(shuō)明接收天線位于人體的側(cè)面時(shí)，由于胳膊和手腕等反射作用，會(huì)造成大量的多徑分量，此時(shí)相當(dāng)于τrms增大，大于脈沖平均周期，出現(xiàn)碼間干擾，導(dǎo)致BER 上升。當(dāng)收發(fā)天線角度在0°時(shí)，BER 的上升趨勢(shì)并不明顯。仿真結(jié)果給穿戴式UWB 通信中收發(fā)信機(jī)如何相對(duì)放置提供了理論依據(jù)，顯然，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)盡量避免收發(fā)天線垂直。

4 重復(fù)編碼時(shí)采用軟判決和硬判決對(duì)BER的影響

為了進(jìn)一步降低BER，UWB 發(fā)射機(jī)可以采用重復(fù)編碼。而在接收機(jī)進(jìn)行判決時(shí)，采用軟判決還是硬判決將影響其BER 性能。軟判決的BER 如式(9)所示［7］，硬判決的BER 如式(10)所示［10］:

在加性高斯白噪聲(AWGN)信道情況下，對(duì)于大多數(shù)編碼方案，軟判決一般要優(yōu)于硬判決，這是因?yàn)閷?duì)于一般的單比特判決而言，軟硬判決的不同在物理實(shí)現(xiàn)上表現(xiàn)為其對(duì)信號(hào)量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對(duì)信號(hào)量化的比特?cái)?shù)為1 位，其判決結(jié)果非“0”即“1”，沒(méi)有回旋余地。軟判決則采用多個(gè)比特對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，一個(gè)比特為猜測(cè)信息，額外的比特提供該猜測(cè)的可信度信息。

仿真在CM3 環(huán)境下采用發(fā)射數(shù)據(jù)數(shù)Numbit =700，比特重復(fù)次數(shù)Ns =2，選擇S =5 的SRAKE 來(lái)對(duì)比收發(fā)天線不同角度時(shí)的軟、硬判決對(duì)應(yīng)的BER，得到的結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 收發(fā)天線角度為0°時(shí)的軟硬判決對(duì)比Fig.8 BER comparison between hard and soft decision when angle of antenna is 0°

圖9 收發(fā)天線角度為90°時(shí)的軟硬判決對(duì)比Fig.11 BER comparison between hard and soft decision when angle of antenna is 90°

仿真結(jié)果表明軟判決優(yōu)于硬判決，當(dāng)收發(fā)信機(jī)天線角度為0°，在ERX/NO=3 dB時(shí)，由于胳膊和手腕等反射作用較小，噪聲可以看作是AWGN，平均干擾功率小，軟判決明顯優(yōu)于硬判決0.2～0.4 dB;而在90°時(shí)，由于胳膊和手腕等反射作用增強(qiáng)，在非高斯噪聲情況下，干擾功率變化大，BER 上升，軟判決優(yōu)于硬判決0.1 dB 左右，區(qū)別不大。

5 結(jié) 論

本文研究了基于CLEAN 算法的人體信道建模方法，發(fā)現(xiàn)已有研究集中在對(duì)收發(fā)機(jī)的信道路徑損耗上，而對(duì)影響B(tài)ER 的因素分析不足，導(dǎo)致進(jìn)行全定制通信芯片設(shè)計(jì)時(shí)架構(gòu)復(fù)雜，性能不佳。由此展開(kāi)對(duì)CM3、CM4 兩種穿戴式體域網(wǎng)環(huán)境下RAKE 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)、收發(fā)天線的角度和接收信號(hào)的判決方式等對(duì)BER 的影響的分析，并通過(guò)仿真驗(yàn)證得到量化評(píng)估結(jié)果;指出了同分支數(shù)的PRAKE 接收機(jī)和SRAKE 接收機(jī)，收發(fā)天線角度為0°和90°以及采用軟硬判決造成的BER 的區(qū)別，從而為收發(fā)信機(jī)集成電路設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)，在具體設(shè)計(jì)中可綜合考慮應(yīng)用的要求、信道環(huán)境和實(shí)現(xiàn)的難易程度來(lái)進(jìn)行選擇。本文只是對(duì)人體處于靜態(tài)時(shí)進(jìn)行了建模及誤碼率特性分析研究，至于人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的沖激響應(yīng)、信道特性則有待將來(lái)采用改進(jìn)模型進(jìn)行更深入的研究。

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