ＤＳ－ＵＷＢ在家庭網絡中的應用

摘要：家庭網絡可以在家庭區域內，融合各類數字電子設備，將業務和功能集于一體，為家庭用戶打造無所不在的數字化個性空間。在IEEE 1394b基礎上，家庭網絡無線系統引入頻譜利用率高效的超寬帶(UWB)脈沖無線電技術，可提供具有靈活性和移動性的寬帶無線接入?；谥睌U序列超寬帶(DS-UWB)直接序列無線脈沖高寬帶傳輸技術的家庭網絡能連接眾多電子娛樂設備，無隙縫地擴展家庭無線通信環境，提供互操作功能和多媒體業務。

關鍵詞：直擴序列超寬帶；家庭網絡； IEEE 1394b

Abstract: Home networks integrate all kinds of digital electronic devices and services so that home users can enjoy the digital experience anywhere at home. Based on IEEE 1394b， home wireless networks adopt the ultra wide band (UWB) or impulse radio to achieve high spectral efficiency and to offer flexibility for mobile broadband wireless access. By utilizing the impulsive direct sequence UWB (DS_UWB)， home networks may interconnect various home entertainment devices， provide seamless wireless connectivity in the home， ensure interoperation between different devices and support delivery of multimedia services.

Key words:DS-UWB; home network; IEEE 1394b

1 家庭網絡

近些年來，眾多數字電子設備如：數字家電、數碼相機、高清晰度電視(HDTV)、掌上電腦(PDA)和MP3等在一般家庭中已普及起來。同時，越來越多的家庭擁有多個PC和多重鏈路(如電話線、光纖和電纜)連接到公眾電信網和廣播網。然而，目前上述電子設備仍以適合各自的工作模式安置在家庭中，如何通過家庭網絡連接眾多電子設備，為這些電子設備提供互操作功能和多媒體業務成為IT產業面臨的挑戰和機遇^[1-2]。

家庭網絡的構成如圖1所示，家庭網絡不僅可實現家庭范圍內電子娛樂設備的互聯，而且還可與室外公眾通信網和廣播網組合成一個網絡，成為本地電信網不可缺少的部分。家庭網絡應具備下述功能：

●綜合利用無線和有線網絡、家庭電子設備和遠程資源，隨機接入Internet，按需應用Internet資源。

●共享數字音頻/視頻和其他電子設備，提供遠程學習、醫療等福利業務。

●遙控家庭安全系統。通過家庭網關、家庭智能安防和監控告警設備的相互配合，實現設備狀態信息和告警信息的遠程查詢與控制。

家庭網絡不同于無線本地局域網，主要特點如下：

●可靈活處理范圍從開比特每秒到兆比特每秒傳輸率的實時數據流和連續數據。

●可實時性傳輸。

●具有大容量，支持寬帶多媒體業務。

●易操作，具有即插即用特性。

●受家庭環境限制，需要克服人體陰影效應。

●不僅服務于PC機，也服務于家庭中的各個含有存儲空間的電子設備。

●占用7.5 Hz的頻譜帶寬，而無線局域網(WLAN)占用17 MHz的頻譜帶寬。

●功率低，平均傳輸功耗只有WLAN的500分之一。

2 DS-UWB的應用

家庭網絡系統由有線系統和無線系統綜合構成。其中，有線系統采用國際數字接口標準IEEE 1394b，用于高性能串行實時/異步數據總線接口，特別用于家庭多媒體流娛樂網絡內容的傳輸，但不支持電子設備在家庭范圍的漫游。在IEEE 1394b基礎上，家庭網絡無線系統引入頻譜高效率的超寬帶(UWB)脈沖無線電技術，可提供具有靈活性和移動性的寬帶無線接入。直擴序列超寬帶(DS-UWB)的家庭網絡能把移動高速高性能無線網無隙縫地擴展至有線1394骨干網。

2.1 IEEE 1394b

由Apple公司和IEEE 1394工作小組研發的國際標準IEEE 1394可提供即插即用、寬帶高速的數字接口，構成高性能串行總線體系結構，形成家庭網絡的有線骨干網。新型IEEE 1394b技術規范提供了更高的性能、更長的傳輸距離以及與所有應用相適應的各種電纜媒體，從而成為家庭網絡的理想選擇。它具有以下特點：

●數據傳輸率更快

●傳輸距離更長

●實時

●拓撲結構靈活

●即插即用

2.2 DS-UWB

近年來，UWB無線通信成為短距離、高速無線網絡最熱門的物理層技術之一。目前UWB被列為IEEE 802.15.3a(TG3a)標準的最具競爭力的物理層技術。這個標準的初衷是為了規范數字家庭中的各種電子設備之間的無線互聯。標準要求滿足低復雜度、低成本、低功耗和高速率的無線傳輸。

目前已有的系統方案可以分為單頻帶和多頻帶兩種體制，在多頻帶體制中，根據子帶調制方式又分為多帶脈沖無線電超寬帶(IR—UWB)系統、多帶正交頻分復用(OFDM)系統。兩種體制中單頻帶體制的DS-UWB系統是家庭網絡比較理想的方案^[3-4]。

DS-UWB無線系統被應用于室內寬帶無線通信，有下述優點：

●傳輸速率高，空間容量大：在甚寬帶頻譜上擴展信號能量，呈現白噪聲功率譜。根據仙農信道容量公式，在加性高斯白噪聲(AWGN)下，系統無差錯傳輸速率的上限為：C=B×log2(1+SNR)，其中B為信道帶寬，SNR為信噪比。在UWB系統中，信號帶寬高達7.5 GHz，即使SNR很低，UWB也可以在短距離上是實現吉比特每秒數量級的傳輸速率。因此，UWB非常適合高速、短距離無線網絡傳輸。

●低功耗，短距離：按照美國聯邦通信委員會(FCC)規定，UWB系統3.1 GHz～10.6 GHz頻段總輻射功率僅有0.55 mW，覆蓋半徑小。

●低多徑衰落概率：基于短窄脈沖的數據傳輸，多徑分辨率在時延1 ns以下數量級，可明顯減弱多徑衰落效應。

●有干擾免疫力：對干擾的免疫力正比于帶寬，帶寬越寬，干擾的免疫力就越強。

●時間分集和空間分集：UWB脈沖持續時間非常窄，在前后脈沖間離散分布著空隙，RAKE接收機把不同路徑抵達的UWB脈沖組合起來可增強被檢測信號的強度，有效降低多徑衰落。

●采用空時編碼^[5](STBC)技術改善接收可靠性。

●信道估計采用恒定振幅零自相關(CAZAC)序列。該序列有恒定振幅零自相關特性，能夠檢測信噪比恒定的任意頻段的信道特性。

DS-UWB無線通信系統如圖2所示，運用了空時編碼(STBC)和RAKE接收機的DS-UWB無線通信系統。

DS-UWB無線系統被應用于室內寬帶無線通信存在如下問題：

●占據極寬頻譜(3.1～10.6 GHz)，應研究UWB系統與現有窄帶全球定位系統(GPS)、蜂窩電話、WLAN和廣播電視系統的共存和兼容措施。

●為保護現有系統(如GPRS、移動蜂窩系統、WLAN等)不被UWB系統干擾，對UWB系統的輻射譜密度進行了嚴格限制，UWB脈沖無線信號頻譜應盡可能平坦，而且被控制在-41.3 dBm/MHz以下，如此低的功率，如何提高接收信號的信噪比、降低誤碼率是必須解決的問題。

●UWB網絡拓撲最好為集中結構，采取自組網(Ad hoc)中對等通信和自組織集中控制模式。若UWB網絡拓撲結構為分布模式，會無法控制輸出功率和干擾。

●由于最大發射UWB信號功率不能對重疊的現有窄帶系統產生嚴重干擾，短距離多跳比長距離單跳更可行和有效。這樣，不可避免地將增加時延和額外設備投資，應研究媒介間時延節點和路由的確定技術。

●類似藍牙的網絡拓撲應是UWB家庭網絡的首選方案，它由若干微微小網組成，每個微微小網選擇一個主站并自動控制其他副站。

3 DS-UWB通信子網技術

3.1 含有無線1394網橋的家庭網絡

圖3為與無線1394網橋綜合的家庭網絡結構，它支持IEEE 1394b固定連接和DS-UWB無線連接。

IEEE 1394網橋提供下述功能：

●等時信道建立和信道與UWB數據鏈路信道的映射。

●有線與無線間異步分組和控制數據流的路由。

●對在IEEE 1394b骨干網和UWB總線間數據流，提供至關重要的IEEE 1394b時鐘同步、幀和分組同步。

●實現局限性總線重啟動過程。

●提供IEEE 1394b節點和UWB移動終端的可增加數。

●實現局限性帶寬安置。

無線子系統(UWB總線)有如下特征：

●含一個集線器(HUB)和若干子站。

●拓撲結構呈現星形。

●位置并不固定不變的HUB管理所有掛在無線總線上的子站，負責維護幀結構，分配周期定時信息；監控在總線注冊的子站狀態；顯示同步和等時模式子站的時隙安排；在子站與子站間廣播通信質量信息；控制多址接入過程；保證輸出功率在某一電平之下。

●UWB總線以無線1394網橋連接有線骨干網，邏輯拓撲為多跳總線。子站可隨需在UWB總線上脫線或上線，也可在不同UWB總線間移動。

●數據流傳輸為Ad hoc網絡中對等通信模式。當一對子站間直接鏈路受到阻斷時，HUB和子站也可承擔中繼多跳數據功能。

3.2 DS-UWB物理層

表1列示了DS-UWB總線物理層基本技術^[6-9]。其中，典型高斯單周脈沖寬帶為0.2～2.0 ns，脈沖間隔為10～100 ns，脈沖位置可以是等間隔、隨機或偽隨機間隔。假設，雙相脈沖調制數據信號為：

其中，p(t)為高斯脈沖波形，b_n為第n個數據比特，T_f為脈沖重復時間，T_m為UWB多徑衰落信道的時延擴展，一般T_f≥T_m。

在符號間隔Tf內，均勻重復單周期脈沖K次可獲得時間分集增益，其表示式為：

根據RAKE接收中的最大比合成(MRC)準則，可獲得空間分集增益，其表示式為：

其中，L為RAKE接收的分集路徑數目；α分別表示第l路徑的幅度衰減。r^k(p)表示經過解調后的第k個用戶，在第p 條路徑上的信號。

3.3 DS-UWB數據鏈路層

在DS-UWB鏈路控制層中，UWB數據鏈路控制(DLC)層由一系列幀長為IEEE 1394周期數倍的DLC幀組成，如圖4所示。DLC幀由管理區域、數據區域、隨機區域等組成。管理區域負責HUB和子站間通信控制、UWB總線拓撲維護、幀結構管理、傳輸質量校證、相連/注冊、多址接入控制等。數據區域負責HUB和子站間數據傳輸，處理同步和等時傳輸格式，提供可靠性和實時性。

UWB總線利用動態邊界非固定時隙結構，在同步和等時時隙之間動態安排帶寬資源。UWB DLC把資源分成兩部分：用于等時時隙的預留帶寬和用于同步時隙的動態帶寬。HUB通過會話調整預留帶寬，而動態帶寬直接取決于總線資源空閑程度。幀的數據區域含有多個時隙，時隙是幀的數據傳輸單元。在管理區域，HUB確定和廣播每個用戶時隙安排信息，包括用于等時模式的等時時隙，至少有一個同步時隙位于數據區域的末端。同步時隙的長度取決于欲發射同步分組的類型和數量。

3.4 DS-UWB網絡層

在UWB總線上，與IEEE 1394b兼容的協議棧結構如圖5所示。1394匯聚層(CL)類似IEEE 1394b鏈路層，負責1394事務處理層和UWB低層次之間的映射；1394匯聚層含有IEEE 1394特定業務會聚子層(SSCS)和公共部分會聚子層(CPCS)。

4 結束語

DS-UWB是當前通信領域的熱門技術，以其低功耗、高速率、構造簡單等特性成為室內無線通信的首選技術；而IEEE 1394b是大有可為的高性能串行總線，加上其低廉的價格，穩定的應用領域，操作簡單等特性，預期將來會有更強的生命力，是家庭網絡和高速數據傳輸應用的理想選擇?；贗EEE 1394b和DS-UWB的家庭網絡體現了上述兩種技術的結合，為構建家庭有線以及無線環境的融合提供了基礎。

5 參考文獻

[1] NAKAGAWA M， ZHANG Honggang， SATO H. Ubiquitous home links based on IEEE 1394 and ultra wideband solutions [J]. IEEE Communications Magazine， 2003，41(4):74-82.

[2] IGARASHI T， HAYAKAWA K.NISHIMURA T， et al. Home network file system for home network based on IEEE-1394 technology [J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 1999，45(3):1000-1003.

[3] CARDINALI R，DE NARDIS L， LOMBARDO P， et al. Lower bounds for ranging accuracy with multi band OFDM and direct sequence UWB signals [C]//Proceedings of International Conference on Ultra-wideband， Sep 5-8，2005， Zurich， Switzerland. 2005:302-307.

[4] SHIN Oh-Soon， GHAZZEMZADEH S S， GREENSTEIN L J， et al. Performance evaluation of MB-OFDM and DS-UWB systems for wireless personal area networks [C]//Proceedings of International Conference on Ultra-wideband， Sep 5-8，2005， Zurich， Switzerland， 2005:214-219.

[5] LEE Chul-Seung， CHO Dong-Jun， YOU Young-Hwan， et al. A solution to improvement of DS-UWB system in the wireless home entertainment network[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2005，51(2):529-533.

[6] WILSON R D， SCHOLTZ R A.!Comparison of CDMA and modulation schemes for UWB radio in a multipath environment [C]//Proceedings of Global Telecommunications Conference(GLOBECOM '03): Vol 2， Dec 1-5， 2003， San Francisco， CA，USA. Piscataway， NJ， USA:IEEE， 2003:754-758.

[7] NASSAR C R， ZHU Fang， WU Zhi-qiang. Direct sequence spreading UWB systems: frequency domain processing for enhanced performance and throughput [C]//Proceedings of IEEE International Conference on Communications: Vol 3，?May 11-15， 2003， Anchorage， AK，USA. Piscataway， NJ，USA: IEEE， 2003:2180-2186.

[8] DURISI G， BENEDETTO S. Performance evaluation and comparison of different modulation schemes for UWB multiaccess systems [C]//Proceedings of IEEE International Conference on Communications: Vol 3，?May 11-15， 2003， Anchorage， AK，USA. Piscataway， NJ，USA: IEEE， 2003:2187-2191.

[9] CHOI Yun-Sung， KIM Su-Nam.KANG Dong-Wook， et al. The performance analysis of the DS-UWB system with multiband RAKE receivers [C]//Proceedings of International conference on Consumer Electronics， Jan 8-12，2005， Las Vegas， NV，USA. Piscataway， NJ，USA:IEEE， 2005:89-90.

收稿日期：2006-06-21

作者簡介

張令文，北京交通大學在讀博士研究生，從事無線、移動通信的研究。

談振輝，北京交通大學校長，教授，博士生導師。第一、二、三屆國家“863”計劃通信主題個人通信專業專家組成員，電子信息與電氣學科教學指導委員會副主任委員，電子信息科學與工程類專業教學指導分委員會主任委員。主要從事無線ATM、擴頻通信、個人通信方面的研究。