IEEE 802.15.3高速率WDPAN标准研究

IEEE 802.15.3高速率WDPAN（无线数据个域网）标准目标是提供要求的物理层（PHY）无线数据速率并满足媒质接入控制层（MAC）的QoS要求，而且支持低功率、低成本、近距离的数字图像与多媒体客户应用。高速WDPAN工作于无需批准的2.4GHz频段，数据速率最高可达55Mbit/s。与现有的无线数据局域网相比，802.15.3高速率WDPAN技术适用于便携式通信设备、电子设备，而且使用效果较好。在小范围内可使手提式用户的电子和通信设备之间有Ad hoc连接功能，这种连接允许的无线数据速率远高于20Mbit/s，在保证带宽的条件下，可以提供要求的服务质量（QoS）。802.15.3高速数据WDPAN技术可用于替代家庭娱乐系统的有线传输技术，包括高分辨率电视、高保真音响、DVD以及基于高质量图像并且使用多个控制台和虚拟立体眼镜的互动式游戏。

1、802.15.3与其他标准的比较

表1总结了IEEE 802.15.3标准与IEEE 802.11a、b和g及蓝牙标准相比较的一些关键特征。如表1所示，由于802.15.3设备有近距传输的要求，所以它在工作时电流比802.11装置要小。从Ad hoc网络技术的观点来看，设备能在较短的连接时间内与已存在网络相连是很重要的。

表1　IEEE 802.15.3与其他标准的比较

2、802.15.3 MAC层

802.15.3 MAC层协议要求连接时间小于1s。考虑法规要求时，应当指出由于日本规定工作于5GHz频段的WDPAN设备不能用于室外，所以工作于2.4GHz频段的设备就有较大的优越性。对世界范围的WDPAN应用来说，也禁止大多数便携式WDLAN设备在室外使用5GHz频段。

802.15.3 MAC层规范的设计就能支持Ad hoc网络，多媒体QoS规定和电源管理。在Ad hoc网络中，设备根据所在环境网络条件决定承担主站或从站的功能。Ad hoc网络中的设备不需要经过复杂的设置过程就可接入或脱离已存在的网络。802.15.3 MAC层规范有支持多媒体QoS的条款。图1给出了MAC层的超帧结构，包括一个网络信标间隔，一个竞争接入段（CAP）和一个为保护时隙（GTS）预留的自由竞争段（CFP）。在CAP和GTS字段间的边界可动态调整。每个超帧开始的时候传送一个网络信标，它载有WDPAN的专用参数，包括电源管理和新设备接入Ad hoc网络的信息。保留的CAP字段用于传送短的无线数据突发，或由网络中设备产生的信道接入请求等这类无QoS的数据帧。CAP字段的媒体接入机制是多重接入冲突侦听/避免冲突（CSMA/CA）。超帧的剩余持续时间保留给GTS用于插入有特定QoS规定的数据帧。在GTS中传送的无线数据种类可以从大的图像或音乐文件至高质量音频或高分辨率视频数据流。电源管理是802.15.3 MAC层协议的重要特点之一，这种设计使它在接入WDPAN时可以显著减小电流消耗。在节电模式时，它仍然维持QoS规定。

图1　IEEE 802.15.3一个MAC超帧

3、802.15.3物理层

3.1　物理层概述

802.15.3 PHY层工作在2.4GHz到2.4835GHz间的无需批准频段，并且它的设计可以达到与高分辨率视频和高保真音频分发匹配的11～55Mbit/s无线数据速率。802.15.3系统传码率是11Mbaud。在规定传码率的前提下指定5种不同的调制方式，即速率为22Mbit/s的未编码正交PSK（QPSK）调制，网格编码的QPSK和16/32/64正交幅度调制（QAM），各自的速率分别为11、33、44、55Mbit/s（TCM）。基本的调制方式是差分编码的QPSK。依靠两端设备的能力，通过使用8状态2D网格编码的16/32/64 QAM方案可使数据速率达到更高的33～55Mbit/s。为减轻众所周知的隐藏节点问题的影响，这个规范采用了极稳健的11Mbit/s QPSK TCM传输方式。802.15.3信号占用的带宽是15MHz，它在无需批准的2.4GHz频段最多允许安排4个固定频道。发射功率电平符合FCC 15.249法规要求，目标值为0dBm。

用于802.15.3 PHY层使用的射频和基带处理器最适合在小于10m的短距离内传输，这使得低成本和小型化的MAC层及PHY层的实现电路能集成在用户设备中。希望整个系统能方便地装入一个袖珍闪卡里。PHY层在发送和接收数据时电流消耗也应小于80mA，在节电模式时电流应达到最小值。

3.2　物理层调制与编码

IEEE 802.15.3 PHY层标准指定的QAM信号星座如图2。所有指定调制方式的传码率都是11 Mbaud。因此，对于未编码的QPSK调制，PHY层原始数据速率是22Mbit/s，由于网格编码引入了1bit/symbol的冗余，故网格编码QPSK及16/32/64 QAM各自的数据速率可达到11、33、44和55Mbit/s。

图2　信号星座图

一种2D 8状态（2D-8S）网格编码被用于QPSK及16/32/64 QAM调制方式。2D-8S QPSK及16/32/64 QAM TCM编码器的实现过程见图3。在16/32/64 QAM TCM方式中，低位的3bit用于D0、D1、…、D7八个子集的选择，对图2所示的星座图使用集分割法则产生8个子集。对于16/32/64 QAM星座图，每个子集各包含2、4和8个符号。剩下的高位比特（16/32/64 QAM分别为1、2和3bit）用于从每个子集中选择一个符号。在QPSK。TCM模式，低位2bit用于D0、…、D3四个子集的选择，每个子集中只有一个符号。集分割的基本原理是在每一级集分割后，应使符号间的欧几里德最小距离的平方值增大。

图3　可变长度PHY层帧结构

3.3　物理层帧结构

IEEE 802.15.3 PHY层帧结构包含有一个前置码、净荷、循环冗余校验（CRC）和网格尾比特，如图3所示。前置码含有10段特定的恒定振幅零自相关（CAZAC）序列。每一段CAZAC序列中包含16个QPSK码元。前置码用于各种信号控制功能，如增益调整，载波偏移补偿，符号定时调整，信道估计及均衡器系数计算等。前置码的长度和个数由整个符号响应的长度决定。16bit码元长度已完全能处理一个长为1.5μs的全符号响应，这种响应应该包括所有信号形成滤波器及延迟扩展信道带来的影响。最大可容纳净荷数为2048 byte。它的后面是CRC比特和网格编码尾码元。为了有助于接收机的序列解码处理，在每个分组的末端加上2个码元间隔的网格编码尾码元，其目的是使ICM编码的结束状态确定。在QPSK TCM模式中编码尾码元延长到3个码元。

4、小范围室内传播信道的特征

在无需批准2.4GHz频段的小范围室内传播信道可以用一个指数衰减（延迟扩展）瑞利衰落信道模型来描述。信道的冲激响应由相位均匀分布和幅度瑞利分布的随机复抽样组成，平均幅度响应随时间指数性衰减。因为通信设备和它通信的目标都在发信号范围内移动，所以信道特征会随传输突发的变化而剧烈改变。由于多径效应，信道的频率响应表现为深而宽的频谱陷波。在2.4GHz工业、科学和医用（ISM）频段，802.15.3信号占用的固定带宽是15MHz。几个频谱陷波可能会出现在15MHz信号带宽的某一特定部分。前面已提过，因为目标在通信媒质中的移动，所以这些频谱陷波的位置和剧烈程度会随着传输脉冲串的变化而变化。

室内传播信道在建立可靠的高速数据通信方面面临着巨大的挑战。这些挑战表现在它们自己也处在严重的衰落和多径传播状态中，并且导致信号频谱中有多个频谱陷落。这些问题综合起来就成为随传输突发改变而产生的信道时变特征。已经证明在接收机中使用均衡器时可以减轻因信号通过室内传播信道产生失真的影响。此外，因为信道的时变特性，所以均衡需要在单个突发的基础上进行。为了能在接收机中实现快速均衡，802.15.3标准规定应使用周期性CAZAC前置码。

5、802.15.3接收机性能

IEEE 802.15.3的接收机灵敏度定义为最小收信号电平，在加性高斯白噪声（AWGN）环境中该电平的误比特率（BER）性能要小于10-5。802.15.3接收机的噪声带宽是11MHz，它决定了接收机中AWGN功率的大小。灵敏度计算时接收机噪声系数设为12dB。QPSK TCM、QPSK和16/32/64 QAM TCM（11、22、33、44、55Mbit/s）传输模式要求的接收机灵敏度分别是-82、-75、-74、-71及-68dBm。根据BER小于时的信号噪声比（S/N）要求，QPSK TCM、QPSK和16/32/64 QAM TCM方案的S/N值必需分别达到5.5、12.6、13.5、16.6及19.8dB。

对基于最小均方误差判决反馈均衡器（MMSE-DFE）的接收机进行仿真用于估计一个802.15.3系统的性能。为了对2D-8S网格编码传输信号进行解码，要对MMSE-DFE的结构进行一些修改。用于系统性能估计的仿真要考虑载波频率及码元定时偏移的影响。在仿真中载波频率和码元定时偏移分别是-300kHz和-25×10-7。

根据在均衡器输出端观察到的S/N可导出MMSE-DFE的性能。由于假设信道时变以突发为基础，所以可以从瑞利衰落信道的1000个样值求得S/N性能的概率分布，该瑞利衰落信道的时延扩展均方根值为75ns。平均收信号电平是-59dBm，在瑞利衰落延迟扩展信道上通过1000次仿真运行测得该值。对8个前馈抽头和4个及6个反馈抽头的MMSE-DFE联合仿真结果表明前馈滤波器有8个抽头就足够了，而反馈滤波器至少要6个抽头才能确保较佳的性能。在数据速率为55Mbit/s且有AWGN影响时的BER要达到10-5时，此时64 QAM/TCM调制方式要求的S/N为19.8dB。仿真中取瑞利衰落信道延迟扩展RMS最大值为75ns，98%的仿真结果可获得20dB以上的S/N值。实际短距离室内传播信道引入的延迟扩展RMS典型值约为25ns。因此，可以判定即使是在802.15.3标准支持的最高数据速率55Mbit/s，在98%的信道上都可以建立可靠的通信链路。接收机中另一个很有意义的性能量度是错帧率（FER），可以在与接收机灵敏度有关的各种收信号电平下来测定。由于瑞利衰落信道的时变特性以突发为变化单位，故可以用数千个随机产生的瑞利衰落信道响应求得FER值。在仿真中取帧长为8192bit（1024byte）。取数个不同的收信号电平测得FER，所取收信号电平比已仿真调制方式要求的接收机灵敏度要高出7～15dB。仿真中取延迟扩展RMS值为25ns。

6、结束语

本文给出了IEEE 802.15.3高速率WDPAN（无线数据个域网）标准的关键特征。该标准能够为多媒体业务建立有QoS支持的Ad hoc连接，易于接入或脱离现存网络，降低电池功耗的高级电源管理，低成本和易于实施的MAC层和PHY层，最适合近距离（小于10m）通信，支持最高达55Mbit/s的视频及高质量音频传输。