单载波UWB系统物理层帧结构设计与实现*

孙 冲，肖振宇，苏 厉，金德鹏，曾烈光

（清华大学 电子工程系 微波与数字通信技术国家重点实验室，北京 100084）

1 SC-UWB系统简介

基于ECMA-368的MB-OFDM-UWB方案性能良好，但由于OFDM信号峰均比高、载波频偏敏感等特性，该体制对射频器件的线性度、带宽和ADC的精度、速度等要求较高，系统复杂度也比较高，基于传统CMOS工艺实现片上系统存在较大困难。为此，清华大学提出了单载波UWB方案（SC-UWB）[1]。该方案将单载波频谱搬移至特定的频率范围，采用直序扩频技术占据超过500 MHz的带宽，可降低ADC和射频器件的压力，整个系统易于单芯片化。这些优点使得SC-UWB具有较强的竞争力，使其成为目前国家C-WPAN标准的重要竞争方案之一。

1.1 SC-UWB物理层（PHY）

SC-UWB PHY结构如图1所示[2-3]。

图1 SC-UWB PHY结构框图

1.2 SC-UWB媒体接入控制层（MAC）

SC-UWB MAC采用WiMedia的ECMA-368标准[4-5]。ECMA-368 MAC是一种完全分布式的MAC协议，设备之间相互协作实现无线资源共享，并且通过预保留机制或者优先级竞争机制抢占信道。

ECMA-368 MAC通过符合标准的MAC帧，实现与PHY的数据交互和控制信息交互，其帧结构见图2。因此，所设计的SC-UWB帧结构必须支持标准ECMA-368 MAC帧。

图2 ECMA-368 MAC帧结构

1.3 问题的引出

对于SC-UWB系统，MAC采用ECMA-368方案，PHY采用单载波方案，如何使两层协调高效地工作是一个十分关键的问题。这里介绍一种能够同时适配ECMA-368 MAC和SC-UWB PHY的帧结构，很好地解决了上述问题。这种帧结构具有以下特点：1）增加了前导序列、跟踪序列等必要的辅助单元，很好地适配了SCUWB PHY；2）支持ECMA-368 MAC帧结构，使SC-UWB物理层能够通过标准的MAC帧与ECMA-368媒体接入控制层数据交互；3）增加了CRC校验和、RS编码等辅助模块，大大降低了PHY帧头、MAC帧头等关键信息的错误概率；4）兼顾了帧效率、帧延时、帧同步等性能。下面详细介绍这种帧结构。

2 基于ECMA-368 MAC和SC-UWB PHY的帧结构

上文介绍的SC-UWB接收机的结构，对于帧结构的设计有一定的要求：帧同步模块需要在帧结构中增加扩频捕获序列；迟早环需要用跟踪序列进行扩频跟踪；RAKE模块需要信道估计序列以判断无线信道多径情况；DFE模块需要训练序列来调整抽头系数。同时，为了保护帧头的重要信息，有必要在帧结构中增加RS编码、头校验（HCS）等保护措施。

为了适配SC-UWB接收机，同时能够支持ECMA-368 MAC与SC-UWB PHY数据和控制信息交互，提出一种新型的物理层帧结构，如图3所示。

SC-UWB PHY帧结构主要分为帧前导和帧体两部分。帧前导由扩频捕获序列、信道估计序列和扩频训练序列3部分组成。扩频捕获序列由8个PN序列组成，用于扩频码初始捕获以及确认；信道估计序列由8个PN序列组成，用于信道估计，也就是RAKE多径搜索及合并系数估计；训练序列有800 bit和200 bit两种模式，分别用于一般模式和突发模式，用于接收端均衡器进行自适应训练，以调整抽头系数。扩频捕获序列和信道估计序列均采用长度为31个码片的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｝，训练序列用扩频长度为 2 的序列｛-1，+1｝进行扩频调制。

帧体部分由若干个数据单元组成，每个数据单元由1个净荷数据段和1个2 bit的跟踪序列组成。净荷数据被扩频长度为2的序列｛-1，+1｝进行扩频调制，跟踪序列用上述长度为31的PN序列扩频，用于接收机的扩频同步跟踪，纠正由晶振漂移等造成的定时偏差。只有最后一个净荷数据段的长度是可变的，其他数据段长度都是512 byte。

第一个净荷数据段的前23 byte分别对应PHY帧头、MAC帧头、头校验和（HCS）以及RS编码比特，这4部分构成SC-UWB帧的帧头信息。PHY帧头、MAC帧头分别来自于ECMA-368 MAC帧的前两部分，其中包含了诸如帧长度、帧模式、MAC源地址、MAC目标地址等重要信息；HCS和RS编码比特的作用是对前面两部分进行差错和纠错处理，以便在接收端能正确地提取重要参数和信息。第一个净荷数据段的剩余部分以及其他的净荷数据段对应MAC负荷、帧校验和（FCS）以及填充（PAD）比特，这3部分构成SC-UWB帧的帧净荷。MAC负荷、FCS对应于ECMA-368 MAC帧的后两部分，填充比特的作用是保证净荷数据段的长度是16 byte的整数倍，便于接收端维特比译码。假设SC-UWB帧的帧头、MAC负荷、FCS以及填充比特的长度分别为 Lheader，Lpayload，LFCS，Lpad，则有

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SC-UWB帧长度是可变的，这主要是因为MAC净荷长度是可变的。假设SC-UWB帧结构中有N个数据单元，Lpayload与SC-UWB帧净荷数据段个数N的关系为

式中：「·⏋表示向上取整，mod 表示取模运算，Lheader≡23 byte，LFCS≡4 byte。

3 SC-UWB帧构造过程

ECMA-368 MAC帧由4部分组成，如图4所示。SCUWB帧组装过程就是把ECMA-368 MAC帧组装成SCUWB帧的过程，分为3个主要步骤：

1）ECMA-368 MAC帧头字节的处理过程。MAC帧中的PHY帧头直接映射为SC-UWB帧的PHY帧头；MAC帧中的MAC帧头经过生成多项式为g1（D）=1+D14+D15的扰码器扰码后映射为SC-UWB帧的MAC帧头；MAC帧中的PHY帧头和MAC帧头经过校验多项式为g2（D）=1+D5+D12+D16的CRC校验和扰码后，映射为SC-UWB帧的头校验比特；用缩短的（23，17）RS编码器对SC-UWB帧的PHY帧头、加扰后的MAC帧头和HCS进行编码，编码信息映射为SC-UWB帧的RS奇偶校验字节。

图4 ECMA-368 MAC帧头信息的保护处理过程

2）ECMA-368 MAC帧净荷处理过程。首先根据MAC帧净荷和帧校验和的字节数，根据式（1）确定填充字节的长度，然后对这3部分进行扰码，形成SC-UWB帧净荷。

3）SC-UWB帧组装过程。首先根据MAC控制信息，构造帧前导的3个部分，然后根据式（2）计算出数据单元个数N，把SC-UWB帧头和帧净荷组装到这N个数据单元中，其中最后一个数据单元长度是可变的，其他长度固定为512 byte。最后在每个净荷数据段间插入2 bit跟踪序列，如图5所示。

4 性能分析

4.1 帧效率

在SC-UWB帧结构的设计中，前导、跟踪序列、头校验和等模块的加入，大大降低了物理层的误码率和误帧率，但同时也降低了物理层的效率。将物理层的帧效率定义为在一帧范围内，把帧前导等辅助模块考虑在内，帧净荷历时占1帧总历时的百分比。假设SC-UWB的PHY净荷速率为200 Mbit/s，一般模式下平均净荷长度为2048 byte（最大净荷长度的一半），则净荷数据段数N=5，Lpad=5 byte，码片速率为 400 Mchip/s（兆片/秒），那么平均帧长意义下的SC-UWB帧效率为

式中：Dpayload，Dpreamble，Dtracking，Dheader，DFCS和 Dpad分别代表 SCUWB帧中负荷、前导、跟踪序列、帧头、帧校验和填充比特的延时。

根据ECMA-368，可以计算出ECMA-368物理层帧的效率ηECMA=85%。可见，在帧效率方面，SC-UWB优于ECMA-368帧结构。也就是说，在相同PHY标称速率下，SCUWB系统实际有效净荷速率要高于ECMA-368系统。

4.2 发射延时

这里的发射延时，指的是从MAC通知PHY在某个信道以某个功率发送某种模式的帧开始，到PHY天线开始发射帧前导波形的历时。考虑到DA和射频延时很小，可以忽略不计，那么帧延时主要取决于PHY基带延时。对于SC-UWB系统，由于天线和逻辑信道是唯一的，所以不存在选择时频码和前导样式的问题，前导第一部分同步捕获序列是固定不变的，所以一旦被告诉要发射帧，帧前导几乎可以马上发送到RF模块，发射延时很小，仅需纳秒。发射延时小，意味着MAC可以更好地对PHY进行发射控制，避免无线信道的波形碰撞，从而提高系统效率。

4.3 硬件实现

所提帧结构已经应用到清华大学提出的SC-UWB系统物理层的PLCP（Physical Layer Converge Protocol）子层，并且以Xilinx公司的Virtex4芯片为实验平台对这种结构的性能进行了验证。试验结果表明，这种帧结构能够很好地适配物理层接收机，在无线密集多径信道下，误码率可以达到10-6以下；同时能使PHY与MAC进行速率达200 Mbit/s以上的帧交换，MAC净速率可达50 Mbit/s以上，满足播放高清视频的要求。

表1对SC-UWB和ECMA-368组帧协议的硬件复杂度进行了比较。从表中可以看出，SC-UWB组帧协议具有较低的复杂度和较快的速度。

表1 SC-UWB和ECMA-368组帧协议复杂度比较

5 小结

笔者介绍了一种基于SC-UWB的帧结构。这种帧结构能够很好地同时适配ECMA-368 MAC协议和SCUWB PHY协议，同时具有良好的性能和较低的复杂度。目前这种帧结构已经被运用于国家“863”课题《超宽带SoC芯片设计及组网试验》，取得了良好的效果。

[1]肖振宇，金德鹏，朱亮，等.实现直接扩频超宽带的发射端、接收端及其方法：中国，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.