UWB通信需要公共信令模式

虽然超宽带(UWB)很灵活,但没有一种UWB适合所有应用场合。例如,时间调制UWB(TM-UWB)特别适合于低检测概率(LPD)应用和那些涉及测距和成像的应用,而直接序列(DS)UWB方法则主要针对定位应用。

在高数据率无线个人区域网领域,由多频段正交频分复用(Multiband-OFDM)联盟和UWB论坛分别提出的两个解决方案令人刮目相看,它们所提供数据速率和通信距离范围很相似。不过,与其详细讨论这两个建议的规范细节和仅仅指出它们在任何特定应用中的性能优势,不如简单地认识到这样一个事实,即市场上正涌现多种UWB架构以满足不同的价格、数据速率和能耗要求,以及必须想出一种方法来让它们能够共存。这可以通过一个公共物理层(PHY)标准来实现,它允许遵从该标准的UWB设备使用DS-UWB、MB-OFDM和/或未来的一些UWB技术,同时在共享的UWB频谱内仍可相互通信和协调。

UWB方案可用许多截然不同的方法实现,它们各自有其独一无二的属性,包括TM-UWB技术、多频段OFDM(MB-OFDM)技术、直接序列UWB(DS-UWB)技术以及多频段脉冲(MB-I)技术,每一种都支持公共信令模式(CSM)。CSM基于最小500MHz带宽的二进制移相键控(BPSK)前导信号,是这些技术的“最小公分母”。

TM-UWB脉冲技术面向非商业应用,是迄今为止唯一通过FCC产品认证的技术。脉冲发送间隔为平均100纳秒,脉冲位置采用伪噪声(SN)序列编码,多个PN序列提供多址能力。脉冲“精细位移”结合脉冲极性可使数据速率高达40Mbps。TM-UWB尤其适合低检测/截获(LPD/LPI)概率应用,精细位移时间调制本身就能提供厘米级的测距精度。通过以预定的均匀速率发送脉冲并采用极性调制,TM-UWB可实现CSM。

直接序列UWB(DS-UWB)PHY协议采用亚纳秒脉冲序列,占用3.1到5G Hz较低和/或6到10.4GHz更高的频段。通过可变长度扩频序列结合1/2或3/4速率的前向纠错(FEC)码,能够实现不同的数据速率。这些数据率包括ALT="图:公共信令模式允许各种UWB设备共存"> 28、55、110、220、500、660、1000和1320Mbps。其中660Mbps和1320Mbps的速率模式在低功耗应用场合没有进行前向纠错,尤其是对于手持无线设备。CSM工作在较低频段的中心,信号带宽500MHz。

多频段脉冲UWB的频谱被分成若干个至少500MHz带宽的子频段,以跳频序列方式在几个子频段内发送脉冲,脉冲最大持续时间为2纳秒。时频跳变脉冲采用极性或M进制双正交数据调制。MB-I一些改动版最初在IEEE802.15.3a中提议。通过在一个公共子信道内均匀发送BPSK调制脉冲,MB-I协议很容易支持CSM。

同步必不可少

MB-OFDM物理层协议 在每个528MHz带宽的OFDM信道上使用跳频方式。协议规定采用122个载波(话音),其中100个为QPSK调制。640Mb/s的基本速率加上11/32、1/2、5/8或3/4 FEC码率,以及各载波的扩频比达到1、2、4,使数据率达到55、80、110、160、200、320和480Mbps。 多种工作模式中包括工作在3.1到5GHz的频段范围内的强制性三频段模式(模式1)。任意两种MB-OFDM无线电设备在以高速OFDM模式通信之前,必须先使用基于时间的序列进行同步。在同步阶段,当工作于模式1的中心频段时,MB-OFDM可轻松支持CSM协议。

CSM业务处在IEEE 802.15.3媒体访问控制(MAC)协议子层以及MB-OFDM与DS-UWB信令协议的框架之内。MAC协议允许多个无线设备利用时分多址(TDMA)为同一个人局域网内不同设备分配时隙来共享一个无线电信道,时间预约机制可以有效共享公共无线信道。公共时隙中的控制和信标消息能被所有接入的无线设备接收和解释。这些MAC特性使CSM十分有效,它能对两个或多个不同的PHY协议进行仲裁。CSM作为一种基本模式,会被每一种遵从标准的设备采纳。作为单一的多模式标准的一部分,设备也会支持一种(简单设备)或多种(复杂设备)高速PHY。

CSM使用的中心频率与MB-OFDM所规定三个子频段中中间频段的中心频率严格一致,也和DS-UWB较低频段的中心频率一致。CSM采用UWB脉冲,在至少500MHz带宽内以公共码速率发送脉冲。MB-OFDM收发信机和DS-UWB收发信机使用的基本处理模块均能够方便地产生和接收CSM信号。

CSM信号由一个很简单的BPSK信号构成,其编码方式可获得良好的微微网(piconet)同步性能。CSM PHY的关键参数是信号中心频率和前导时间序列的公共信令速率,不同UWB系统均可同等实现该速率。MAC还要求合适的控制与协调信息。

CSM 适合于采用MB-OFDM 和DS-UWB以及其它UWB信号格式的场合,并带来三个特殊功能:多种非兼容设备可接收CSM广播信标和控制信号；允许从其它非兼容设备获取原始消息交换和其它控制信息；时隙调整有利于异型设备间的数据传输。这些功能可在802.15.3微微网环境下为MB-OFDM和DS-UWB设备提供协调能力。

John Santhoff(jsanthoff@)是Pulse~Link公司的首席技术官；Yasaman Bahreini(ybahreini@)和Kazimierz "Kai" Siwiak(kai@)均为该公司的顾问。

作者:John Santhoff

首席技术官

Yasaman Bahreini, Kazimierz (Kai) Siwiak

顾问

Pulse Link公司