單載波UWB系統物理層幀結構設計與實現*

孫 沖，肖振宇，蘇 厲，金德鵬，曾烈光

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

1 SC-UWB系統簡介

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，系統復雜度也比較高，基于傳統CMOS工藝實現片上系統存在較大困難。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，采用直序擴頻技術占據超過500 MHz的帶寬，可降低ADC和射頻器件的壓力，整個系統易于單芯片化。這些優點使得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結構如圖1所示[2-3]。

圖1 SC-UWB PHY結構框圖

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協議，設備之間相互協作實現無線資源共享，并且通過預保留機制或者優先級競爭機制搶占信道。

ECMA-368 MAC通過符合標準的MAC幀，實現與PHY的數據交互和控制信息交互，其幀結構見圖2。因此，所設計的SC-UWB幀結構必須支持標準ECMA-368 MAC幀。

圖2 ECMA-368 MAC幀結構

1.3 問題的引出

對于SC-UWB系統，MAC采用ECMA-368方案，PHY采用單載波方案，如何使兩層協調高效地工作是一個十分關鍵的問題。這里介紹一種能夠同時適配ECMA-368 MAC和SC-UWB PHY的幀結構，很好地解決了上述問題。這種幀結構具有以下特點：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幀結構，使SC-UWB物理層能夠通過標準的MAC幀與ECMA-368媒體接入控制層數據交互；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構。

2 基于ECMA-368 MAC和SC-UWB PHY的幀結構

上文介紹的SC-UWB接收機的結構，對于幀結構的設計有一定的要求：幀同步模塊需要在幀結構中增加擴頻捕獲序列；遲早環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整抽頭系數。同時，為了保護幀頭的重要信息，有必要在幀結構中增加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數據和控制信息交互，提出一種新型的物理層幀結構，如圖3所示。

SC-UWB PHY幀結構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模式，用于接收端均衡器進行自適應訓練，以調整抽頭系數。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｝進行擴頻調制。

幀體部分由若干個數據單元組成，每個數據單元由1個凈荷數據段和1個2 bit的跟蹤序列組成。凈荷數據被擴頻長度為2的序列｛-1，+1｝進行擴頻調制，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據段的長度是可變的，其他數據段長度都是512 byte。

第一個凈荷數據段的前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和信息。第一個凈荷數據段的剩余部分以及其他的凈荷數據段對應MAC負荷、幀校驗和（FCS）以及填充（PAD）比特，這3部分構成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據段的長度是16 byte的整數倍，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

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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幀結構中有N個數據單元，Lpayload與SC-UWB幀凈荷數據段個數N的關系為

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。

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MAC幀凈荷和幀校驗和的字節數，根據式（1）確定填充字節的長度，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MAC控制信息，構造幀前導的3個部分，然后根據式（2）計算出數據單元個數N，把SC-UWB幀頭和幀凈荷組裝到這N個數據單元中，其中最后一個數據單元長度是可變的，其他長度固定為512 byte。最后在每個凈荷數據段間插入2 bit跟蹤序列，如圖5所示。

4 性能分析

4.1 幀效率

在SC-UWB幀結構的設計中，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，把幀前導等輔助模塊考慮在內，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），則凈荷數據段數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優于ECMA-368幀結構。也就是說，在相同PHY標稱速率下，SCUWB系統實際有效凈荷速率要高于ECMA-368系統。

4.2 發射延時

這里的發射延時，指的是從MAC通知PHY在某個信道以某個功率發送某種模式的幀開始，到PHY天線開始發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，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射幀，幀前導幾乎可以馬上發送到RF模塊，發射延時很小，僅需納秒。發射延時小，意味著MAC可以更好地對PHY進行發射控制，避免無線信道的波形碰撞，從而提高系統效率。

4.3 硬件實現

所提幀結構已經應用到清華大學提出的SC-UWB系統物理層的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構的性能進行了驗證。試驗結果表明，這種幀結構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組幀協議的硬件復雜度進行了比較。從表中可以看出，SC-UWB組幀協議具有較低的復雜度和較快的速度。

表1 SC-UWB和ECMA-368組幀協議復雜度比較

5 小結

筆者介紹了一種基于SC-UWB的幀結構。這種幀結構能夠很好地同時適配ECMA-368 MAC協議和SCUWB PHY協議，同時具有良好的性能和較低的復雜度。目前這種幀結構已經被運用于國家“863”課題《超寬帶SoC芯片設計及組網試驗》，取得了良好的效果。

[1]肖振宇，金德鵬，朱亮，等.實現直接擴頻超寬帶的發射端、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.