單載波UWB系統(tǒng)物理層幀結(jié)構(gòu)設計與實現(xiàn)*

孫 沖，肖振宇，蘇 厲，金德鵬，曾烈光

（清華大學 電子工程系 微波與數(shù)字通信技術(shù)國家重點實驗室，北京 100084）

1 SC-UWB系統(tǒng)簡介

基于ECMA-368的MB-OFDM-UWB方案性能良好，但由于OFDM信號峰均比高、載波頻偏敏感等特性，該體制對射頻器件的線性度、帶寬和ADC的精度、速度等要求較高，系統(tǒng)復雜度也比較高，基于傳統(tǒng)CMOS工藝實現(xiàn)片上系統(tǒng)存在較大困難。為此，清華大學提出了單載波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，采用直序擴頻技術(shù)占據(jù)超過500 MHz的帶寬，可降低ADC和射頻器件的壓力，整個系統(tǒng)易于單芯片化。這些優(yōu)點使得SC-UWB具有較強的競爭力，使其成為目前國家C-WPAN標準的重要競爭方案之一。

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標準[4-5]。ECMA-368 MAC是一種完全分布式的MAC協(xié)議，設備之間相互協(xié)作實現(xiàn)無線資源共享，并且通過預保留機制或者優(yōu)先級競爭機制搶占信道。

ECMA-368 MAC通過符合標準的MAC幀，實現(xiàn)與PHY的數(shù)據(jù)交互和控制信息交互，其幀結(jié)構(gòu)見圖2。因此，所設計的SC-UWB幀結(jié)構(gòu)必須支持標準ECMA-368 MAC幀。

圖2 ECMA-368 MAC幀結(jié)構(gòu)

1.3 問題的引出

對于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)高效地工作是一個十分關(guān)鍵的問題。這里介紹一種能夠同時適配ECMA-368 MAC和SC-UWB PHY的幀結(jié)構(gòu)，很好地解決了上述問題。這種幀結(jié)構(gòu)具有以下特點：1）增加了前導序列、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物理層能夠通過標準的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)鍵信息的錯誤概率；4）兼顧了幀效率、幀延時、幀同步等性能。下面詳細介紹這種幀結(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接收機的結(jié)構(gòu)，對于幀結(jié)構(gòu)的設計有一定的要求：幀同步模塊需要在幀結(jié)構(gòu)中增加擴頻捕獲序列；遲早環(huán)需要用跟蹤序列進行擴頻跟蹤；RAKE模塊需要信道估計序列以判斷無線信道多徑情況；DFE模塊需要訓練序列來調(diào)整抽頭系數(shù)。同時，為了保護幀頭的重要信息，有必要在幀結(jié)構(gòu)中增加RS編碼、頭校驗（HCS）等保護措施。

為了適配SC-UWB接收機，同時能夠支持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)主要分為幀前導和幀體兩部分。幀前導由擴頻捕獲序列、信道估計序列和擴頻訓練序列3部分組成。擴頻捕獲序列由8個PN序列組成，用于擴頻碼初始捕獲以及確認；信道估計序列由8個PN序列組成，用于信道估計，也就是RAKE多徑搜索及合并系數(shù)估計；訓練序列有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行自適應訓練，以調(diào)整抽頭系數(shù)。擴頻捕獲序列和信道估計序列均采用長度為31個碼片的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｝，訓練序列用擴頻長度為 2 的序列｛-1，+1｝進行擴頻調(diào)制。

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

第一個凈荷數(shù)據(jù)段的前23 byte分別對應PHY幀頭、MAC幀頭、頭校驗和（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幀頭分別來自于ECMA-368 MAC幀的前兩部分，其中包含了諸如幀長度、幀模式、MAC源地址、MAC目標地址等重要信息；HCS和RS編碼比特的作用是對前面兩部分進行差錯和糾錯處理，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)段對應MAC負荷、幀校驗和（FCS）以及填充（PAD）比特，這3部分構(gòu)成SC-UWB幀的幀凈荷。MAC負荷、FCS對應于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)段的長度是16 byte的整數(shù)倍，便于接收端維特比譯碼。假設SC-UWB幀的幀頭、MAC負荷、FCS以及填充比特的長度分別為 Lheader，Lpayload，LFCS，Lpad，則有

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會上對于計算機專業(yè)的人才需求也越來越大，實際的高職院校教學中，傳統(tǒng)的計算機教育已經(jīng)不能夠滿足社會對于高職院校人才的需求，因此要用現(xiàn)代化教學手段實現(xiàn)對計算機專業(yè)課程教學模式的創(chuàng)新，開發(fā)計算機專業(yè)課程微課資源，培養(yǎng)專業(yè)的計算機技術(shù)人員，促進我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展。

SC-UWB幀長度是可變的，這主要是因為MAC凈荷長度是可變的。假設SC-UWB幀結(jié)構(gòu)中有N個數(shù)據(jù)單元，Lpayload與SC-UWB幀凈荷數(shù)據(jù)段個數(shù)N的關(guān)系為

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

3 SC-UWB幀構(gòu)造過程

ECMA-368 MAC幀由4部分組成，如圖4所示。SCUWB幀組裝過程就是把ECMA-368 MAC幀組裝成SCUWB幀的過程，分為3個主要步驟：

1）ECMA-368 MAC幀頭字節(jié)的處理過程。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)過生成多項式為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)過校驗多項式為g2（D）=1+D5+D12+D16的CRC校驗和擾碼后，映射為SC-UWB幀的頭校驗比特；用縮短的（23，17）RS編碼器對SC-UWB幀的PHY幀頭、加擾后的MAC幀頭和HCS進行編碼，編碼信息映射為SC-UWB幀的RS奇偶校驗字節(jié)。

圖4 ECMA-368 MAC幀頭信息的保護處理過程

2）ECMA-368 MAC幀凈荷處理過程。首先根據(jù)MAC幀凈荷和幀校驗和的字節(jié)數(shù)，根據(jù)式（1）確定填充字節(jié)的長度，然后對這3部分進行擾碼，形成SC-UWB幀凈荷。

3）SC-UWB幀組裝過程。首先根據(jù)MAC控制信息，構(gòu)造幀前導的3個部分，然后根據(jù)式（2）計算出數(shù)據(jù)單元個數(shù)N，把SC-UWB幀頭和幀凈荷組裝到這N個數(shù)據(jù)單元中，其中最后一個數(shù)據(jù)單元長度是可變的，其他長度固定為512 byte。最后在每個凈荷數(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)的設計中，前導、跟蹤序列、頭校驗和等模塊的加入，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)，把幀前導等輔助模塊考慮在內(nèi)，幀凈荷歷時占1幀總歷時的百分比。假設SC-UWB的PHY凈荷速率為200 Mbit/s，一般模式下平均凈荷長度為2048 byte（最大凈荷長度的一半），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幀中負荷、前導、跟蹤序列、幀頭、幀校驗和填充比特的延時。

根據(jù)ECMA-368，可以計算出ECMA-368物理層幀的效率ηECMA=85%。可見，在幀效率方面，SC-UWB優(yōu)于ECMA-368幀結(jié)構(gòu)。也就是說，在相同PHY標稱速率下，SCUWB系統(tǒng)實際有效凈荷速率要高于ECMA-368系統(tǒng)。

4.2 發(fā)射延時

這里的發(fā)射延時，指的是從MAC通知PHY在某個信道以某個功率發(fā)送某種模式的幀開始，到PHY天線開始發(fā)射幀前導波形的歷時。考慮到DA和射頻延時很小，可以忽略不計，那么幀延時主要取決于PHY基帶延時。對于SC-UWB系統(tǒng)，由于天線和邏輯信道是唯一的，所以不存在選擇時頻碼和前導樣式的問題，前導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，幀前導幾乎可以馬上發(fā)送到RF模塊，發(fā)射延時很小，僅需納秒。發(fā)射延時小，意味著MAC可以更好地對PHY進行發(fā)射控制，避免無線信道的波形碰撞，從而提高系統(tǒng)效率。

4.3 硬件實現(xiàn)

所提幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)應用到清華大學提出的SC-UWB系統(tǒng)物理層的PLCP（Physical Layer Converge Protocol）子層，并且以Xilinx公司的Virtex4芯片為實驗平臺對這種結(jié)構(gòu)的性能進行了驗證。試驗結(jié)果表明，這種幀結(jié)構(gòu)能夠很好地適配物理層接收機，在無線密集多徑信道下，誤碼率可以達到10-6以下；同時能使PHY與MAC進行速率達200 Mbit/s以上的幀交換，MAC凈速率可達50 Mbit/s以上，滿足播放高清視頻的要求。

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

表1 SC-UWB和ECMA-368組幀協(xié)議復雜度比較

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)能夠很好地同時適配ECMA-368 MAC協(xié)議和SCUWB PHY協(xié)議，同時具有良好的性能和較低的復雜度。目前這種幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)被運用于國家“863”課題《超寬帶SoC芯片設計及組網(wǎng)試驗》，取得了良好的效果。

[1]肖振宇，金德鵬，朱亮，等.實現(xiàn)直接擴頻超寬帶的發(fā)射端、接收端及其方法：中國，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.