《電子技術應用》
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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

無線體域網即Wireless Body Area Network(WBAN),是以人體為中心,由和人體相關的網絡元素(包括個人終端,分布在人身體上、衣物上、人體周圍一定距離范圍如2米內、甚至人身體內部的傳感器、組網設備)等組成的通信網絡[1]。通過WBAN人可以和其身上攜帶的個人電子設備如PDA、手機、筆記本電腦、CD機等進行通信和實時數據交互等。

WBAN的典型應用如圖錯誤!僅主文檔。所示。應用之一為左圖所示的醫療監控。穿戴在人體體表甚至體內的傳感器將人體身體狀況數據通過WBAN傳送至中心節點,中心節點再將數據傳送至監控儀器。這種情況下所需傳輸的數據速率一般較低,為幾十或者幾百Kbps。另外一種應用為以投影眼鏡和耳機為中心的個人可穿戴媒體網絡。各種具有媒體播放功能的個人終端設備(如筆記本、手機、PDA、CD機等)可以通過WBAN和投影眼鏡和耳機進行通信,把播放的多媒體數據傳送到投影眼鏡和耳機,大大方便了在任何時間和地點觀看電視電影或者玩各種游戲等娛樂行為。此種應用由于需要傳輸甚至同時傳輸媒體數據,需要幾Mbps甚至幾十Mbps的通信速率。

 

圖1無線體域網(WBAN)的典型應用

WBAN作為一種具有廣泛應用前景的技術,受到越來越多的企業和研究機構的關注。基于WBAN的人體傳感網絡在醫學上已經有了初步的應用,WBAN市場會進一步打開。然而,WBAN在可穿戴多媒體網絡方面的應用卻受到傳輸速率的限制。短距離的物理層(PHY)技術主要有ZigBee、Bluetooth和超寬帶UWB)等。ZigBee與Bluetooth技術更多應用于低速短距傳輸范疇。UWB技術則因其高達上百Mbps的傳輸速率,在高速短距離傳輸領域具有較大的吸引力,是多媒體WBAN物理層技術的首選。超寬帶與其他技術體制的應用范圍對比如圖2所示。

圖2各種技術體制的應用范疇

UWB技術與其他技術的典型區別在于,UWB技術占有的頻譜范圍遠遠高于其他技術體制所占據的頻譜范圍,但是UWB的發射功率譜密度卻遠低于其他技術體制[2]-[5]。UWB技術也是近年來引起學術界和工業界廣泛關注的一門短距離無線通信技術。IEEE 802.15.3a小組從02年起就專門成立負責制定UWB的標準。由于全球各大廠商為了自己的利益互不相讓,最后IEEE 802.15.3a小組并沒有成功制定UWB的標準。但是在WiMedia聯盟的努力下,一種基于MB-OFDM UWB技術體制被ECMA和ISO采納為最終的國際標準ECMA 368/369及ISO/IEC 26907/26908[6]

盡管MB-OFDM UWB技術體制已經成為國際標準,但是因為其復雜度和對ADC要求都較高,實際上并沒有得到廣泛應用。而可穿戴多媒體WBAN需要一種高速、低功耗、低復雜度PHY技術體制的支持,MB-OFDM體制并不合適。因此,需要尋求新的UWB體制來實現可穿戴多媒體WBAN。

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