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基于单载波超宽带技术的可穿戴多媒体无线体域网
肖振宇 王鹏军 赵博
清华大学
摘要:本作品选择清华大学所提出的单载波超宽带技术体制作为无线体域网物理层,研究形成了完整的低复杂度单载波超宽带接收机方案,该方案采用并行信号处理的方法来降低信号处理速率, 同时, 采用方波匹配、 PN 辅助序列双驻同步、RAKE+DFE 等算法来降低实现复杂度、抵抗多径影响。此外,设计了精简的协议栈结构和高效简单的 MAC 层协议。 最终实现了基于 Stratix II FPGA 平台的可穿戴多媒体无线体域网的演示系统。
Abstract:
Key words :

引言

无线体域网即Wireless Body Area Network(WBAN),是以人体为中心,由和人体相关的网络元素(包括个人终端,分布在人身体上、衣物上、人体周围一定距离范围如2米内、甚至人身体内部的传感器、组网设备)等组成的通信网络[1]。通过WBAN人可以和其身上携带的个人电子设备如PDA、手机、笔记本电脑、CD机等进行通信和实时数据交互等。

WBAN的典型应用如图错误!仅主文档。所示。应用之一为左图所示的医疗监控。穿戴在人体体表甚至体内的传感器将人体身体状况数据通过WBAN传送至中心节点,中心节点再将数据传送至监控仪器。这种情况下所需传输的数据速率一般较低,为几十或者几百Kbps。另外一种应用为以投影眼镜和耳机为中心的个人可穿戴媒体网络。各种具有媒体播放功能的个人终端设备(如笔记本、手机、PDA、CD机等)可以通过WBAN和投影眼镜和耳机进行通信,把播放的多媒体数据传送到投影眼镜和耳机,大大方便了在任何时间和地点观看电视电影或者玩各种游戏等娱乐行为。此种应用由于需要传输甚至同时传输媒体数据,需要几Mbps甚至几十Mbps的通信速率。

图1无线体域网(WBAN)的典型应用

WBAN作为一种具有广泛应用前景的技术,受到越来越多的企业和研究机构的关注。基于WBAN的人体传感网络在医学上已经有了初步的应用,WBAN市场会进一步打开。然而,WBAN在可穿戴多媒体网络方面的应用却受到传输速率的限制。短距离的物理层(PHY)技术主要有ZigBee、Bluetooth和超宽带UWB)等。ZigBee与Bluetooth技术更多应用于低速短距传输范畴。UWB技术则因其高达上百Mbps的传输速率,在高速短距离传输领域具有较大的吸引力,是多媒体WBAN物理层技术的首选。超宽带与其他技术体制的应用范围对比如图2所示。

图2各种技术体制的应用范畴

UWB技术与其他技术的典型区别在于,UWB技术占有的频谱范围远远高于其他技术体制所占据的频谱范围,但是UWB的发射功率谱密度却远低于其他技术体制[2]-[5]。UWB技术也是近年来引起学术界和工业界广泛关注的一门短距离无线通信技术。IEEE 802.15.3a小组从02年起就专门成立负责制定UWB的标准。由于全球各大厂商为了自己的利益互不相让,最后IEEE 802.15.3a小组并没有成功制定UWB的标准。但是在WiMedia联盟的努力下,一种基于MB-OFDM UWB技术体制被ECMA和ISO采纳为最终的国际标准ECMA 368/369及ISO/IEC 26907/26908[6]

尽管MB-OFDM UWB技术体制已经成为国际标准,但是因为其复杂度和对ADC要求都较高,实际上并没有得到广泛应用。而可穿戴多媒体WBAN需要一种高速、低功耗、低复杂度PHY技术体制的支持,MB-OFDM体制并不合适。因此,需要寻求新的UWB体制来实现可穿戴多媒体WBAN。

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