DS-UWB在家庭网络中的应用

1 家庭网络
      近些年来，众多数字电子设备如：数字家电、数码相机、高清晰度电视(HDTV)、掌上电脑(PDA)和MP3等在一般家庭中已普及起来。同时，越来越多的家庭拥有多个PC和多重链路(如电话线、光纤和电缆)连接到公众电信网和广播网。然而，目前上述电子设备仍以适合各自的工作模式安置在家庭中，如何通过家庭网络连接众多电子设备，为这些电子设备提供互操作功能和多媒体业务成为IT产业面临的挑战和机遇[1-2]。

      家庭网络的构成如图1所示，家庭网络不仅可实现家庭范围内电子娱乐设备的互联，而且还可与室外公众通信网和广播网组合成一个网络，成为本地电信网不可缺少的部分。家庭网络应具备下述功能：

• 综合利用无线和有线网络、家庭电子设备和远程资源，随机接入Internet，按需应用Internet资源。
• 共享数字音频/视频和其他电子设备，提供远程学习、医疗等福利业务。
• 遥控家庭安全系统。通过家庭网关、家庭智能安防和监控告警设备的相互配合，实现设备状态信息和告警信息的远程查询与控制。
  

      家庭网络不同于无线本地局域网，主要特点如下：

• 可灵活处理范围从开比特每秒到兆比特每秒传输率的实时数据流和连续数据。
• 可实时性传输。
• 具有大容量，支持宽带多媒体业务。
• 易操作，具有即插即用特性。
• 受家庭环境限制，需要克服人体阴影效应。
• 不仅服务于PC机，也服务于家庭中的各个含有存储空间的电子设备。
• 占用7.5 Hz的频谱带宽，而无线局域网(WLAN)占用17 MHz的频谱带宽。
• 功率低，平均传输功耗只有WLAN的500分之一。
  

2 DS-UWB的应用
      家庭网络系统由有线系统和无线系统综合构成。其中，有线系统采用国际数字接口标准IEEE 1394b，用于高性能串行实时/异步数据总线接口，特别用于家庭多媒体流娱乐网络内容的传输，但不支持电子设备在家庭范围的漫游。在IEEE 1394b基础上，家庭网络无线系统引入频谱高效率的超宽带(UWB)脉冲无线电技术，可提供具有灵活性和移动性的宽带无线接入。直扩序列超宽带(DS-UWB)的家庭网络能把移动高速高性能无线网无隙缝地扩展至有线1394骨干网。

2.1 IEEE 1394b
      由Apple公司和IEEE 1394工作小组研发的国际标准IEEE 1394可提供即插即用、宽带高速的数字接口，构成高性能串行总线体系结构，形成家庭网络的有线骨干网。新型IEEE 1394b技术规范提供了更高的性能、更长的传输距离以及与所有应用相适应的各种电缆媒体，从而成为家庭网络的理想选择。它具有以下特点：

• 数据传输率更快
• 传输距离更长
• 实时
• 拓扑结构灵活
• 即插即用

2.2 DS-UWB
      近年来，UWB无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。目前UWB被列为IEEE 802.15.3a(TG3a)标准的最具竞争力的物理层技术。这个标准的初衷是为了规范数字家庭中的各种电子设备之间的无线互联。标准要求满足低复杂度、低成本、低功耗和高速率的无线传输。

      目前已有的系统方案可以分为单频带和多频带两种体制，在多频带体制中，根据子带调制方式又分为多带脉冲无线电超宽带(IR—UWB)系统、多带正交频分复用(OFDM)系统。两种体制中单频带体制的DS-UWB系统是家庭网络比较理想的方案[3-4]。

      DS-UWB无线系统被应用于室内宽带无线通信，有下述优点：

• 传输速率高，空间容量大：在甚宽带频谱上扩展信号能量，呈现白噪声功率谱。根据仙农信道容量公式，在加性高斯白噪声(AWGN)下，系统无差错传输速率的上限为：C=B×log2(1+SNR)，其中B为信道带宽，SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽高达7.5 GHz，即使SNR很低，UWB也可以在短距离上是实现吉比特每秒数量级的传输速率。因此，UWB非常适合高速、短距离无线网络传输。
• 低功耗，短距离：按照美国联邦通信委员会(FCC)规定，UWB系统3.1 GHz～10.6 GHz频段总辐射功率仅有0.55 mW，覆盖半径小。
• 低多径衰落概率：基于短窄脉冲的数据传输，多径分辨率在时延1 ns以下数量级，可明显减弱多径衰落效应。
• 有干扰免疫力：对干扰的免疫力正比于带宽，带宽越宽，干扰的免疫力就越强。
• 时间分集和空间分集：UWB脉冲持续时间非常窄，在前后脉冲间离散分布着空隙，RAKE接收机把不同路径抵达的UWB脉冲组合起来可增强被检测信号的强度，有效降低多径衰落。
• 采用空时编码[5](STBC)技术改善接收可靠性。
• 信道估计采用恒定振幅零自相关(CAZAC)序列。该序列有恒定振幅零自相关特性，能够检测信噪比恒定的任意频段的信道特性。
  

      DS-UWB无线通信系统如图2所示，运用了空时编码(STBC)和RAKE接收机的DS-UWB无线通信系统。

    DS-UWB无线系统被应用于室内宽带无线通信存在如下问题：

• 占据极宽频谱(3.1～10.6 GHz)，应研究UWB系统与现有窄带全球定位系统(GPS)、蜂窝电话、WLAN和广播电视系统的共存和兼容措施。
• 为保护现有系统(如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等)不被UWB系统干扰，对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，UWB脉冲无线信号频谱应尽可能平坦，而且被控制在-41.3 dBm/MHz以下，如此低的功率，如何提高接收信号的信噪比、降低误码率是必须解决的问题。
• UWB网络拓扑最好为集中结构，采取自组网(Ad hoc)中对等通信和自组织集中控制模式。若UWB网络拓扑结构为分布模式，会无法控制输出功率和干扰。
• 由于最大发射UWB信号功率不能对重叠的现有窄带系统产生严重干扰，短距离多跳比长距离单跳更可行和有效。这样，不可避免地将增加时延和额外设备投资，应研究媒介间时延节点和路由的确定技术。
• 类似蓝牙的网络拓扑应是UWB家庭网络的首选方案，它由若干微微小网组成，每个微微小网选择一个主站并自动控制其他副站。
  

3 DS-UWB通信子网技术

3.1 含有无线1394网桥的家庭网络
      图3为与无线1394网桥综合的家庭网络结构，它支持IEEE 1394b固定连接和DS-UWB无线连接。

       IEEE 1394网桥提供下述功能：

• 等时信道建立和信道与UWB数据链路信道的映射。
• 有线与无线间异步分组和控制数据流的路由。
• 对在IEEE 1394b骨干网和UWB总线间数据流，提供至关重要的IEEE 1394b时钟同步、帧和分组同步。
• 实现局限性总线重启动过程。
• 提供IEEE 1394b节点和UWB移动终端的可增加数。
• 实现局限性带宽安置。
  

      无线子系统(UWB总线)有如下特征：

• 含一个集线器(HUB)和若干子站。
• 拓扑结构呈现星形。
• 位置并不固定不变的HUB管理所有挂在无线总线上的子站，负责维护帧结构，分配周期定时信息；监控在总线注册的子站状态；显示同步和等时模式子站的时隙安排；在子站与子站间广播通信质量信息；控制多址接入过程；保证输出功率在某一电平之下。
• UWB总线以无线1394网桥连接有线骨干网，逻辑拓扑为多跳总线。子站可随需在UWB总线上脱线或上线，也可在不同UWB总线间移动。
• 数据流传输为Ad hoc网络中对等通信模式。当一对子站间直接链路受到阻断时，HUB和子站也可承担中继多跳数据功能。

3.2 DS-UWB物理层
      表1列示了DS-UWB总线物理层基本技术[6-9]。其中，典型高斯单周脉冲宽带为0.2～2.0 ns，脉冲间隔为10～100 ns，脉冲位置可以是等间隔、随机或伪随机间隔。假设，双相脉冲调制数据信号为：

      其中，p(t )为高斯脉冲波形，bn为第n个数据比特，Tf为脉冲重复时间，Tm为UWB多径衰落信道的时延扩展，一般Tf≥Tm。

      在符号间隔Tf内，均匀重复单周期脉冲K次可获得时间分集增益，其表示式为：

      根据RAKE接收中的最大比合成(MRC)准则，可获得空间分集增益，其表示式为：

      其中，L为RAKE接收的分集路径数目；α1分别表示第l路径的幅度衰减。r k(p )表示经过解调后的第k个用户，在第p 条路径上的信号。

3.3 DS-UWB数据链路层
      在DS-UWB链路控制层中，UWB数据链路控制(DLC)层由一系列帧长为IEEE 1394周期数倍的DLC帧组成，如图4所示。DLC帧由管理区域、数据区域、随机区域等组成。管理区域负责HUB和子站间通信控制、UWB总线拓扑维护、帧结构管理、传输质量校证、相连/注册、多址接入控制等。数据区域负责HUB和子站间数据传输，处理同步和等时传输格式，提供可靠性和实时性。

      UWB总线利用动态边界非固定时隙结构，在同步和等时时隙之间动态安排带宽资源。UWB DLC把资源分成两部分：用于等时时隙的预留带宽和用于同步时隙的动态带宽。HUB通过会话调整预留带宽，而动态带宽直接取决于总线资源空闲程度。帧的数据区域含有多个时隙，时隙是帧的数据传输单元。在管理区域，HUB确定和广播每个用户时隙安排信息，包括用于等时模式的等时时隙，至少有一个同步时隙位于数据区域的末端。同步时隙的长度取决于欲发射同步分组的类型和数量。

3.4 DS-UWB网络层
      在UWB总线上，与IEEE 1394b兼容的协议栈结构如图5所示。1394汇聚层(CL)类似IEEE 1394b链路层，负责1394事务处理层和UWB低层次之间的映射；1394汇聚层含有IEEE 1394特定业务会聚子层(SSCS)和公共部分会聚子层(CPCS)。

4 结束语
      DS-UWB是当前通信领域的热门技术，以其低功耗、高速率、构造简单等特性成为室内无线通信的首选技术；而IEEE 1394b是大有可为的高性能串行总线，加上其低廉的价格，稳定的应用领域，操作简单等特性，预期将来会有更强的生命力，是家庭网络和高速数据传输应用的理想选择。基于IEEE 1394b和DS-UWB的家庭网络体现了上述两种技术的结合，为构建家庭有线以及无线环境的融合提供了基础。

5 参考文献
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收稿日期：2006-06-21

[摘要] 家庭网络可以在家庭区域内，融合各类数字电子设备，将业务和功能集于一体，为家庭用户打造无所不在的数字化个性空间。在IEEE 1394b基础上，家庭网络无线系统引入频谱利用率高效的超宽带(UWB)脉冲无线电技术，可提供具有灵活性和移动性的宽带无线接入。基于直扩序列超宽带(DS-UWB)直接序列无线脉冲高宽带传输技术的家庭网络能连接众多电子娱乐设备，无隙缝地扩展家庭无线通信环境，提供互操作功能和多媒体业务。

[关键词] 直扩序列超宽带；家庭网络； 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.

[Keywords] DS-UWB; home network; IEEE 1394b