（通信与信息系统专业论文）超宽带小区域无线通信媒体接入控制协议设计和优化研究.pdf

摘要 摘要 超宽带 u w b u l t r aw i d eb a n d 技术在与传统窄带通信系统共存的情况下能够提供 低功耗 高速率的数据传输服务 已逐渐成为无线通信领域研究 开发的一个热点 并被视 为下一代无线通信的关键技术之一 现在绝大多数的超宽带无线通信的研究集中于物理层 对于m a c m a c m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 层的研究相比之下还不够深入 如何针对超宽带 物理层的特性 设计相应的m a c 层协议 对超宽带无线通信系统的性能提高具有十分重要 的意义 本文研究的内容为超宽带小区域无线通信媒体接入控制协议设计和优化研究 主要通过 分析两大类u w b 物理层方案在特定场景中的特性 有针对性地设计适合m a c 协议 以提 高网络吞吐率 时延等性能 最后 探讨了u w b 系统m a c 协议的f p g a 实现方案 本文共分为六章 主要针对本文研究的不同侧面进行分析 第一章是绪论 首先介绍了无线网络的发展概况及其分类 然后简要介绍了无线个域网 w p a n w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k 的几种主要技术 进而介绍了本文重点研究的 u w b 技术的背景与发展 最后简述了论文的安排 第二章从u w b 技术的标准化现状出发 介绍了现有的物理层和媒体接入控制层方案 其中物理层重点介绍了u w b 技术两大类方案 基于脉冲的方案和基于多带o f d m 的方案 各自的特性和优势 媒体接入控制层主要介绍了且前可能被成为u w b 媒体接入控制标准的 i e e e 8 0 2 1 5 3 标准和e c m a 标准 第三章主要研究了一种适合基于脉冲的u w b 通信系统的w p a n 的m a c 层优化算法 首先建立了一个基于脉冲的u w b 通信系统的多用户干扰模型 然后提出了在干扰限制下的 基于 专属区域 的并发通信的m a c 算法 相比传统的竞争接入算法 如c s m a 该算 法在同一时隙允许更多的链路并发通信 提高了网络的吞吐量和时延性能 第四章进行基于多带o f d m 技术的u w b 系统的m a c 层算法研究 首先研究了现有物 理层和m a c 层的关键技术 进而结合物理层信息 基于 最大比率合并 的接收机进一步 对实际系统的m a c 层中的子带和功率分配问题进行联合优化 并在 独享微微网 的场景 中进行了性能分析 第五章主要研究了基于多带o f d m 技术的u w b 系统m a c 协议的f p g a 设计 首先介 绍了当前u w b 芯片的研发进展 接着将现有m a c 协议的功能进行了解析 对m a c 协议 的不同功能 分别选择了适合的器件资源实现 最后分析了物理层和媒体接入控制层之间接 口的设计 第六章总结了全文的工作 并对下一步的工作进行了展望 关键词 专属区域 无线个域网 正交频分复用 超宽带 多子带分配 f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r aw i d e b a n d u w b t e c h n o l o g ya t t r a c t st h ew o r l db yi t sh i g hd a t ar a t e l o wc o s ta n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o nw h i l ec o e x i s t i n gw i t ho t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s n o wi t i sa l s ol o o k e d a so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s ss h o r t r a n g ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s u w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a st os u p p o r tv a r i o u sp r o f i l e sa n dq u a l i t yo f s e r v i c er e q u e s t t h e r e c e n tr e s e a r c ho fu w bi sf o c u s e do nt h ep h y s i c a ll a y e ni nu w b w i r e l e s sn e t w o r k s h o w e v e r m a c m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 i se s s e n t i a lt oc o o r d i n a t et h ec h a n n e la c c e s sa m o n g c o m p e t i n gd e v i c e s t h e u n i q u eu w b c h a r a c t e r i s t i c so f f e rg r e a to p p o r t u n i t i e si ne f f i c i e n tu w b m a c d e s i g n t h ec o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni st h ed e s i g na n dt h eo p t i m i z a t i o no f t h em a c p r o t o c o lo f u w b w i r e l e s sn e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o no p t i m i z e sp e r f o r m a n c eo f t h r o u g h p u t a v e r a g ep a c k e td e l a ya n d p o w e rc o n s u m p t i o no f n e t w o r k b y t h e m e t h o d o f d e s i g np r o t o c o l ss u p p o r t i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c s o f u w b s y s t e m t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e ro n e t h ec l a s s i f i c a t i o no f w i r e l e s sn e t w o r k m a i nt e c h n o l o g i e so f w p a na n dt h e b a c k g r o u n do f u w ba r ep r e s e n t a sw e l la st h ea r c h i t e c t u r eo f t h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r t w o t h ep h y a n d m a c t e c h n o l o g yo f b o t h t h ep u l s e b a s e d u w ba n d t h e m u l t i b a n d o f d mu w b s y s t e ma r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e rt h r e e ac o n c u r r e n tm a c a l g o r i t h mw h i c hi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h r o u g h p u ta n d p a c k e td e l a yo f n e t w o r ki si n t x o d u c e d t h i sp r o t o c o lb a s e so nt h ep u l s e b a s e du w bc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i nc h a p t e rf o u r am a ca l g o r i t h mb a s e do nt h em u l t i b a n do f d mu w b i sp r e s e n t e d t h i s a l g o r i t h mr e d u c e s t h e p o w e rc o n s u m p t i o n a n d i n c r e a s e s t h e t h r o u g h p u to f n e t w o r k b ye f f e c t i v e l y a l l o c a t i n gt h er e s o u r c eo f s u b b a n d sa m o n gt h em u l t i u s e r sa n dt h ep o w e ri ne a c hs u b b a n d i nc h a p t e rf i v e t h ei m p l e m e n t a t i o no f u w bm a c p r o t o c o lb yf p g ai sd i s c u s s e d i n c l u d i n gt h e f r a m e w o r ko f m a c i m p l e m e n t a t i o na n d t h e i n t e r f a c e d e v e l o p m e n t b e t w e e n p h y a n d m a c i nc h a p t e rs i x t h es u m m a r i z a t i o no f t h ew h o l ed i s s e r t a t i o na n dt h eo u t l i n e so f t h ef u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n sa r eg i v e n k e y w o r d s w p a n e x c l u s i o nr e g i o n o f d m u w b s u b b a n da l l o c a t i o n f p g a i i 图表索弓 列图索引 图2 2 典型高斯单周期脉冲的时域和频域 图2 3d s c d m a u 糟系统频谱 图2 4 提案所使用的频带 图2 5u w b 通信系统应用场景 图2 6i e e e 8 0 2 1 5 3 协议m a c 协议中的超帧结构 图2 7 w i m e d i a 协议中设备传输数据的协议 图2 8 专属区域的示意图 图3 1p p m 的u w b 物理层模型 图3 2 多用户的1 7 i p p m 的u w b 系统 图3 3 不同的多跳路由策略 图3 4 节点移动性对网络性能的影响 图3 5 并发通信的干扰 图3 6 链路选择策略对允许并发通信链路的影响 图3 7c t m a c 的干扰模型 图3 8c t m a c 示意图 图3 9c t m a c 流程 图3 1 0 网络节点分布图 图3 1 1 并发干扰最大的场景 图3 1 2 并发通信链路的选择 图3 一1 3 链路选择造成的误覆盖情况 图3 1 4s c t m a c 算法的帧流程 图3 1 5 并发通信的最简拓扑结构 图3 一1 6 静态环结构算法性能 图3 1 7 节点随机分布的网络吞吐率性能 图4 1i e e e 8 0 2 1 5 3 c a 竞争接入算法 图4 2 独享微微网模型 图 独享微微网 超帧结构 图4 4 时隙分配方案 图4 5 基于簇的多带o f d m 系统 图4 6 多用户随机分布的网络性能 图5 1u w b 协议模型 图5 2m a c 层管理实体子层划分 图5 3m a c 层的分层方案 图5 4m a c 层与物理层的接口信号 一 图5 5 功能框架 图5 6 低层m a c 状态 薰兰薰兰圣兰三兰兰 查堕查兰堡 兰堡垒奎 一 图5 7 模块间的连接 图5 8 物理层状态转移图 图5 9 物理层的复位操作 图5 i o 休眠 待机与就绪状态的转换 图5 n 收发状态之间的转换 图5 1 2 接口寄存器控制物理层 图5 1 3 读操作实例 地址o x 2 0 图5 1 4 写操作实例 8 0 加肌m m 卫m m i 图表索弓 列表索引 表2 一lf c c 对室内和掌上u w b 系统的要求 1 0 表2 2 m b 一1 下1 o f d m 方案系统参数 1 4 表2 3 提案的时频码序列 1 4 表3 l 静态环拓扑结构仿真参数 表4 1 用户速率参数 8 1 4 2 5 2 缩略词 缩略词 a c k a c k n o w l e d g e 确认 a p a c c e s sp o i n t 接入点 b e r b i te r r o rr a t i o 误码率 b p s k b i n a r yp h a s es h i f tk e y 二进制移相键控 c a p c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d 竞争接入期 c d m a c o d ed i v e r s i o nm u r i p l ea c c e s s 码分多址接入 c t a c h a n n e lt i m ea l l o c a t i o n 信道保证时隙 c t m a c c o n c u r r e n tt r a n s m i s s i o nm a c 并发通信媒体接入控制 d ie d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r 判决反馈均衡器 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器 d s s s d f f e as e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 直接序列扩频 f c c f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n 联邦通信委员会 f d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址接入 f p g a f i l e d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 现场可编程门阵列 i e e e t h ei n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s 电子与电器工程师协会 m a c m e d i a a c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 m a s m e d i aa c c e s ss l o t 媒体接入时隙 m b m u l t i p l eb a n d 多带 m b o a m u l t i p l eb a n do f d m a l l i a n c e 多带o f d m 联盟 m r c m a x i m u mr a t i oc o m b i n e r 最大比率合并器 n t i a n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s a n d i n f o r m a t i o n a d m i n i s t r a t i o n 国家电信与信息管理局 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i g i m lm u l t i p l e x i n g 正交数字频分复用 p a m p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n 脉冲幅度调制 p e r p a c k e te r r o rr a t i o 误包率 p p m p u l s ep o s f f i o nm o d u l a t i o n 脉冲位置调制 q o s q u a l i t yo f s e r v i c e 服务质量 r a r e s o u r c ea l l o c a t i o n 资源分配 r t s r e q u e s tt os e n d 发送请求 s c t m a c s l o tc o n c u r r e n tt r a n s m m i s i o nm a c 时隙并发通信m a c t d m a t l m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址接入 t f i t u n ef r e q u e n c yl m e f l e a v e 时频交织 v 东南大学硕上学位论文 t h t i m eh o p p i n g 跳时 u n i i u n l i c e n s e d n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e 非特许的国家信息基础设施 u w b u l t r aw i d e b a n d 超宽带 w l a n w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k 无线局域网 w m a n w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k 无线城域网 w p a n w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 无线个域网 w w a n w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k 无线广域网 v i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其它人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 瑶蕴拯日期 兰 翌2 主 至 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论 文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 爱红垃 导师签名 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 现代社会离不开通信 人类社会的发展与通信密不可分 近些年来 通信更是以爆炸式 的速度发展 其中 从有线到无线是通信发展中的一个飞跃 相对有线通信 无线通信最大 的优点是摆脱了电缆的柬缚 而付出的代价则是需要面对恶劣的无线信道环境和有限的频谱 资源 因此面临更多的挑战 1 2 无线个域网简介 无线网络作为移动通信技术和计算机互联网结合的产物 将成为人们实现随时随地自由 传递信息的主要手段和信息社会人们赖以生存的必要条件之一 根据无线网络的应用范围 可以分成以下四类 1 无线广域网 w w n w n e l e s s w i d e a r e a n e t w o r k 2 无线城域网 w m a n w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k 3 无线 局域网 w i a n w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k 4 无线个域网 w p a n w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k 其中 w p a n 是一种用于连接家庭中的各种家电 娱乐设备的无线网络 作用距离在 l o 米范围内 w p a n 分低速和高速两种 i e e e 8 y 2 1 5 4 和蓝牙 b l u e t o o t h 是低速w p a n 标准 而i e e e 8 0 2 1 5 3 则是高速w p a n 标准 w p a n 和一般意义上的无线局域网之间有一个非常大的区别 w p a n 是移动中的网络 只能采取无线接入 而且要求自动接入 而其它的局域网既可以采用无线 也可以采用有线 方式互连 无线个人区域网的目的是 解决最后的几米电缆 的问题 正e e 组织对w p a n 的 规范标准主要集中在8 0 2 1 5 中 主要研究用于w p a n 的无线媒体接入控制 m a c 和物理 层 p h y 规范 1 3 超宽带无线通信技术简介 随着无线通信技术的发展 各种无线通信系统使可利用的频谱资源日趋饱和 为了满足 人们对更高的数据传输速率 成本更低 功耗更小的要求 在这样的背景下 超宽带 u w b u l t r aw i d e b a n d 技术引起了人们的重视 并被视为下一代无线通信的关键技术之一 事实上早在1 9 6 0 年 u w b 的研究就开始了 但限于军用 美国联邦通信委员会 f c c f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n 于2 0 0 2 年2 月准许该技术进入民用领域 用户不必进 行申请即可使用 作为室内通信用途 f c c 已将3 1 0 l o 6 0 h z 频带向u w b 通信开放 东南大学硕t 学位论文 与现有的短距离无线通信技术相比较 u w b 具有如下特点 1 传输速率很高 u w b 的数据传输速率轻易可达到1 0 0 m b p s 以上 第二代产品可 望达到5 0 0 m b p s 以上 2 低能耗 u w b 设各定位于1 0 米以内的w p a n 因此产品能耗较低 3 频带宽 一般说来 目前u w b 通信的频带宽度都很宽 大于5 0 0 m h z 而g s m 手机使用的带宽只有3 0 k h z 8 0 2 1 l b 的带宽也不过是2 0 m h z 左右 与现有的无线通信技术 相比 由于u w b 设备本身的发射功率较小 再加上频带宽度极宽 因此其功率谱密度非常 之低 具体来讲 比f c c 规定的计算机放射电磁噪音值 p a r t l 5 规定在 4 1 3 d b m m h z 以 下 还要低 也就是说 输出功率谱密度还不及设备本身的电磁辐射噪音 4 低成本 u w b 产品的目标是将这些电路都可以被集成到一个芯片上 因此其收 发电路的成本很低 5 抗干扰 u w b 对多路径干扰具有内在的抑制能力 因此特别适合用于室内环境 1 4 无线通信网的分层和m a c 层算法优化问题 o s i 模型中的下三层 即物理层 数据链路层和网络层是有线和无线通信的研究重点 在无线通信中 物理层主要目的是将数据尽量无差错的传送给收信者 数据链路层主要作用 是进行信道接入控制 功率控制 资源分配等等 数据链路层又细分为媒体接入控制子层 m a c 和链路控制子层 网络层的主要作用是进行路由选择 拥塞控制 向上层提供服 务质量 q o s q u a l i t yo f s e r v i c e 保证等 分层的设计方法在过去的几十年中应用得很好 但日益演进的无线网络正在挑战这种设 计哲学 正在出现的网络必须支持各式各样的业务类型及其q o s 要求 并支持网络拓扑结 构的变化 如何将分散在网络各个子层的特性参数协调融合 以提升整体网络的性能 这些 就对网络设计提出了新的挑战 本文的研究的目的是根据两大类u w b 物理层实现方案的特性 分别设计相应的m a c 子层的优化算法 提高全网的吞吐率和时延性能 本文并没有相通常的跨层研究一样提出协 调不同予层的参数 而是通过分析物理层的特性 提炼出相应的物理层的特性 在此基础上 针对m a c 层的调度 功率控制等问题给出了解决方案 从这个角度看 本文并非典型的跨 层研究 但在优化m a c 子层的算法时充分考虑了u w b 系统物理层的特性 1 5 论文章节安排 本文从现有的u w b 物理层方案出发 研究了现有u w b 方案相应的m a c 层算法改进 的可能性 分别提出了针对脉冲u w b 方案和针对多带o f d m 方案的u w b 方案的m a c 层 优化算法 最后 本文还简要介绍了m a c 协议的f p g a 实现的思路 2 第一章绪论 第一章是绪论 首先介绍了无线网络的发展概况及其分类 其次简要介绍了w p a n 的 几种主要技术 进而介绍了本文重点研究的u w b 技术的背景 最后简述了论文的研究安排 第二章主要从u w b 技术的标准化现状出发 介绍了现有的物理层方案和m a c 层方案 其中物理层重点介绍了本文研究的基于多带o f d m 技术的u w b 方案 m a c 方案主要介绍 了目前可能被应用于u w b 无线个域网媒体接入标准的i e e e 0 2 1 5 3m a c 标准和e c m a m a c 标准 第三章主要基于脉冲u w b 通信系统 分析了并发通信的m a c 算法的基本思想 并按 照并发干扰门限准则提出了一种时隙自适应调整接入方式的并发通信m a c 算法 并且对此 算法进行了性能分析 第四章进行了基于多带o f d m 技术的u w b 系统资源分配算法的研究 首先基于一种 称为 独享微微网 的场景提出了时隙 子带和功率分配方案 同时 为了降低功率超过相 关规定限制的情况发生的几率 本人提出了一种在子带内进一步分配功率的算法 并对算法 其性能进行了分析 第五章主要研究了基于多带o f d m 技术的u w b 系统的m a c 子层协议的f p g a 实现 该章重点在进一步讨论了m a c 的f p g a 实现 最后研究了p h y m a c 联合实现时的接口连 接和控制 第六章总结了全文的工作 并对进一步工作做了展望 3 第二章超宽带w p a n 物理层与媒体接入控制技术 第二章超宽带w p a n 物理层与媒体接入控制技术 2 1 引言 本章在简要介绍u w b 物理层发展历史和研究现状的基础上 分析了两大类超宽带物理 层技术各自的特点和优势 此外 本章还介绍了可能应用于u w b 系统的媒体接入控制技术 为后续章节研究适应超宽带物理层特性的媒体接入控制方案奠定了基础 2 2 超宽带无线通信物理层技术及其标准化 u w b 技术的历史 可以追溯到1 9 4 2 年d er o s a 提交的随机脉冲系统的专利 这项专 利因为第二次世界大战的原因 直到5 0 年代才发表 在这段时间 人们对m a x w e l l 方程的 通解也有了较深入的研究 到了2 0 世纪6 0 年代 对时域电磁学的研究进一步促进了u w b 技术的发展 早期的u w b 系统利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信 所以又称为基带 无 载波或脉冲系统 但是由于其宽带干扰 为了便于频率资源的共享和管理 通信领域后来主 要选择了窄带无线传输方式而暂时放弃了宽带通信 u w b 技术主要应用于军用的雷达 以 及低截获率 f 氐被侦测率的通信系统 近年来 u w b 技术开始应用于民用高速无线通信领域 并有了较大的发展和变化 产生了进行载波调制的直接序列码分多址 d s c d m a 和多带 正交频分复用 m b o f d m 等多种实现方式 什么是超宽带呢 美国联邦通信委员会定义超宽带信号为基带带宽对载波频率的比值 大于0 2 0 如式 2 1 所示 其中丘和五分别表示系统的高端频点和低端频点 或者带宽大 于5 0 0 m h z 的信号 其中超宽带带宽定义为 低于最高发射功率1 0 d b 的截止频率间的带宽 e 丽t l 2 2 1 超宽带标准化现状 2 1 无论是早期的基带脉冲方式 还是近年来提出的载波调制方式 u w b 技术的基本特点 是采用共享的方式使用极宽 高达数g h z 的频谱 从而可能提供很高的数据速率 最高 可达i g b p s 以上 为了不影响在其频谱范围内的其它通信系统 世界各地负责频率资源管 理的机构对超宽带的发射功率进行了限制 文献 i 介绍了超宽带标准化的进程 在美国 亚洲和欧洲 超宽带规范化活动正在进行中 图2 一l 显示了世界各地标准化机构对超宽带信 号的发射功率限制 5 东南大学硕士学位论文 r f 一 1 唾 粕 b i l 新加坡超宽带 自由区域 一 日銮垂挚照 一一 欧洲e t s 提案 收发机 图2 1 世界各地对u w b 辐射功率限制 在美国 f c c 在1 9 9 8 年上半年发起了制定u w b 发射功率限制标准的活动 经过激烈 的讨论之后 联邦通信委员会在2 0 0 0 年公开了建议的规范 f c c 对无执照无线电设备的第 1 5 条例进行了修正 增加了有关超宽带设备的规定 并且在2 0 0 2 年2 月1 4 日发布了对超 宽带设备的功率限制规范 f c c 的工作得到美国国家电信与信息管理局 n t n n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o n a d m i n i s t r a t i o n 的支持 表2 一i 显示了f c c 对室内和掌 上u w b 系统在不同频带上的功率限制 表2 1f c c 对室内和掌上u w b 系统的要求 工作频率在3 1 1 0 6 g h z 频率范围平均e i r p d b m m h z 9 6 0 1 6 1 0 h z一7 5 3 一7 5 3 1 6 1 0 1 9 0 0 h z 一5 3 3 一6 3 3 1 9 0 0 3 1 0 0 h z 5 1 3 6 1 3 3 1 0 0 1 0 6 0 0 h z一4 1 3 一4 i 3 超过1 0 6 0 0 h z 5 1 3 一6 1 3 带内峰值辐射功率 大于平均辐射功率6 0d b 最高等待传输时间 1 0 秒 2 0 0 2 年1 2 月 i e e e8 0 2 1 5 工作组下属的t g 3 a 任务组开始公开征集可选物理层方案 到2 0 0 3 年5 月 共收集到来自各公司 研究机构的2 3 份提案 其中i n t e l t i m e d o m a i n 等 8 家公司 研究机构组成了多带脉冲方案的联盟 提出了具体实现方式各异的多带脉冲方案 6 第二章超宽带w p a n 物理层与媒体接入控制技术 1 1 公司提出了多带o f d m 方案 x t r e m e s p c c t m m 等公司则提出了单载波d s c d m a 方案 2 0 0 3 年7 月 在t g 3 a 任务组中 原来的各种多带脉冲方案和t i 的多带o f d m 方案进 行了合并 相关公司组成了多带o f d m 方案联盟 m b o a m u l t i b a n d o f d m a l l i a n c e 而 相应的f h c a l e 等公司也组成了d s c d m a 方案联盟 即u w b 论坛 u w bf o r u m 由于 两大联盟为各自的利益争持不下 标准制定陷入僵局 2 0 0 6 年1 月 t g 3 a 任务组由于长期 无法达成协议 经内部投票 很遗憾地宣布解散 i e e e8 0 2 1 5 的s g 4 a 研究组于2 0 0 3 年7 月成立 其目标为研究具有高精确度的定位功 能 可以方便地对传输速率 范围 功耗 成本进行折衷的物理层方案 u w b 技术目前为 其主要考虑的技术 2 0 0 5 年3 月 多带o f d m 方案联盟m b o a 和w i m e d i a 联盟合并 w i i v l e d i a 联盟是由 美国e a s u n a nk o d a k 公司等9 家企业于2 0 0 2 年成立的为促进便携式设备以及视听设备之间 高速无线多媒体传输的通信规格的业内团体 与w i m e d i a 联盟合并之后 m b o a 的m a c 层规范加速制定完成 w i m e d i a 联盟和m b o a 均为行业组织 并有着几近相同的成员和相 似的使命 他们的结合显著提高了开发u w b 标准和互操作性的效率 由于i e e e 的u w b 标 准化工作陷入僵局 w i m e d i a 联盟决定绕开 e e 先于其它国际标准化组织合作 加快u w b 标准化进程 2 0 0 5 年初 w l m e d i a 联盟建议欧洲的行业协会和标准化组织e c m ai n t e r n a t i o n a l 的成员采用其多频带o f d m m u l t i b a n d o f d m m b o f d m 无线电规范作为消费产品中 使用的u w b 全球标准 并将标准提交i s o i e cj t c l 快速通过 2 0 0 5 年1 2 月该标准的第 一版正式版本发布 包括如下两部分 1 e c m a 3 6 8 标准 定义p h y 和分布式的m a c 层 采用未授权的3 1 到1 0 6 g h z 的 u w b 频谱 强制支持至少5 3 3 1 0 6 7 和2 0 0 m b p s 数据速率 2 e c m a 3 6 9 标准 规定了m a c p h y 接口 2 2 2 超宽带物理层方案简介 1 脉冲方案 无载波脉冲方案是u w b 通信的传统方式 也是目前文献中介绍得最多的方式之一 这种方案中 发射杌产生基带窄脉冲序列 并通过脉冲位置调制 p p m p u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n 二进制移相键控 b p s k b i n a r yp h a s es h i f tk e y 或脉冲幅度调制 p a m p u l s e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n 等调制方式携带信息 基带窄脉冲序列直接发送到空中 而无需对 载波进行调制 其中p p m 采用单周期脉冲来携带信息和信道编码 一般工作脉宽0 1 1 5 n s 1 n s 一亿分之一秒 重复周期在2 5 1 0 0 0 m 图2 2 显示了实用的单周期高斯脉冲的时 域波形和频域特性 图中脉冲的中心频率在2 g h z 7 东南大学硕士学位论文 图2 2 典型高斯单周期脉冲的时域和频域 无载波脉冲u w b 通信中 常采用跳时 t h t i m eh o p p i n g 或直接序列扩频 d s s s d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 的多址方案 文献 2 介绍了一种典型的超宽带脉冲信号如 式 2 2 蹦f w f 一乃一 瓦一艿带 j 2 2 其中w 表示发送波形 无载波脉冲u w b 通信系统 因为直接利用了基带简单脉冲波形进行通信 收发信机结 构简单 实现成本低 但在f c c 关于u w b 通信功率普的规定下 频谱利用率不高 尽管 这个缺陷可以通过脉冲波形优化设计加以改善 但目前这方面的研究还没有十分理想的实用 性的结果 而另一条途径就是采用多带载波调制的方式 从而可以灵活 高效地利用频谱 提高系统性能 2 d s c d m a 方案 在单载波直扩码分多址 d s c d m a 方案中 经过d s c d m a 扩频之后的信号再对载 波进行调制 从而在合适的频带范围内传输 目前f c c 规定u w b 通信的实际频谱使用范 围为3 i g h z 1 0 6 g h z 传统的无载波脉冲方案中 存在较多低频分量 因此很难适应f c c 的限制 而单载波d s c d m a 的u w b 方案 通过频谱搬移较好地解决了这一问题 图2 3 为x t r e m e s p e c t r u m 等公司提出的单载波d s c d m a u w b 方案的信号频谱示意图 其中有两 个可用频段 3 1 g h z 5 1 5 g h z 低频段 和5 8 2 5 g h z m 0 6 g h z 高频段 u w b 信号可以 通过对载波进行调制 在这两个频段之一传输 或在这两个频段同时传输 两个频段之间的 部分没有利用 是为了避免与美国非特许的国家信息基础设施 u ni i u n l i c e n s e dn a t i o n a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e 频段和i e e e 8 0 2 1 l a 系统的干扰 在d s c d m a u w b 系统的接收机中 一般采用r a k e 接收器和判决反馈均衡器 d f e d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r 等技术以提高系统性能 第二章超宽带w p a n 物理层与媒体接入控制技术 f f 争 ll l 4567a3位1 1 用辜 o 蝴 图2 3d s c d m a u w b 系统频谱 文献 3 指出在单载波d s c d m a 方案中 每个用户使用一个专有的伪随机序列对数据 信号进行扩频 用户扩频序列之间互相关性很小 即使用户信号间发生冲突 解扩后互相的 干扰也会很小 可以通过使用不同的伪随机 p n 码集合划分不同的微微网 p i c o n e t 通过使用4 组码集以及高 低两个频段 可以同时支持8 个微微网 每个微微网内部使用 时分多址 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 的接入方案 与i e e e 8 0 2 1 5 3 的媒体接 入控制层 m a c 标准兼容 由于用户扩频序列之间存在互相关 远近效应是限制其性能 的重要因素 因此 在d s c d m a 系统中需要进行功率控制 在u w b 系统中 d s c d m a 通常与b p s k 结合 3 多带正交频分复用方案 多带一正交频分复用 m b o f d m m u l t i b a n do f d m 方案与传统的o f d m 通信有很多 相似之处 但同时又符合f c c 关于u w b 的定义 具有u w b 的优点 在m b o f d m 系统 中 将可用的频段分为多个子频带 每个子频带的信号为一个o f d m 信号 它由许多个正 交的子载波信号合成 在m b o f d m 系统中 合成信号在不同的时间调制不同中心频率的 载波 从而在不同的子频带内传播 如文献 4 o f d m 系统可以达到很高的频谱利用率 当子载波数较大时 各子载波幅 度谱的叠加的总信号的幅度谱有很好的矩形特性 因此可以充分利用频谱资源 m b o f d m 方案在频谱利用方面有很高的灵活性 根据各个u w b 设备之间或u w b 设备与其它无线通 信设备之间的干扰情况 可以降低某一个或某几个子频带的发射功率 或取消某一个或某几 个子频带的发射 以有效地降低干扰 提高网络性能 还可以通过抑制相应的子载波 更加 精确地控制合成信号的频谱形状 多带方式还为m a c 层提供了频分多址 f d m a f r e q u e n c y d i v e r s i o n m u l t j p l e a c c e s s 的选择 不同的u w b 终端或不同的微微网可以使用不同的子频带集合 或使用不同的跳频 序列作为地址码 以相互区别 还可以把这种f d m a 方式和c d m a t d m a 等相结合 进 9 东南大学硕 学位论文 行灵活多样的多址方案的设计 多带 时频交织 正交频分复用 m b t f i o f d m 方案是由t i 牵头的m b o a 联盟提出 的 该联盟于2 0 0 3 年成立 还包括i n t e l w i s a r s o n y t i n o k i a 等公司 该方案的改进 版本己被w i m e a d i a 联盟正式采纳为物理层解决方案 下文详解 并作为曾经的 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组的各选物理层方案之一 是在国际上己获得广泛认同的基于多带体制 o f d m 技术的u w b 物理层方案 其主要特点是采用对频交织 t f i t i m ef r e q u e n c y i n t e r l e a v e 技术和正交频分复用 o f d m 技术 系统参数见表2 2 表2 2m b t f i o f d m 方案系统参数 子带带贲 5 2 8 m h z 总子载波数 1 2 8 子载波间隔4 1 2 5 m h z f f t i f f t 周期2 4 2 4 n s 循环前缀长度 6 0 6 lps 保护间隔长度 9 4 7 n s 符号总长度3 1 25 n s m b t f i o f d m 方案的主要特点在于使用了时频交织技术 目口通过时频码来区分不同的 用户或者微微网 p i c o n e t 这为m a c 层提供了f d m a 的选择 时频码同时还提供了频率 分集和时间分集增益 大幅度提高了系统性能 文献 5 为m b o a 联盟于2 0 0 3 年向 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组提交的提案 其中将3 i g h z 1 0 3 g h z 的频带划分为5 2 8 m h z 大小的 1 3 个子带 文献 5 中规定的模式1 m o d e1 使用