UWB基本原理分析2

UWB基本原理分析2之802.4z物理层增强之前一讲没有说完全 whaosoft aiot http://143ai.com

4z物理层增强

HRP-ERDEV: BPRF和HPRF两种模式。主要增强点：

1. 更少的空口时间(速率更高)，利于高密度或者低功耗应用；

2. STS，安全性和完整性增强，同时也可以用于测距。

4z增强-SYNC序列

由于15.4的传输由SNYC，SFD，PHR，Payload四个部分组成，因此增强也可以从这四个方面去考虑。

长度为91，而且这个序列的零值比较少，10个为零。扩频因子为4，因此Peak PRF = 499.2M/4 = 124.8M。 Mean PRF = 124.8M*(81/91) = 111.09M。每个符号码片数为91*4 = 364码片，对应的可以计算符号时间和符号速率。重点：这个SYNC的Mean PRF得到大幅提升，因此性能改善应该是明显的。

4z增强-SFD增强

15.4的SFD码零值多，而且长度只有8和64两种。

4z的长度选项更多，而且新的序列没有零值。在帧边界检测方面性能会有提升。

BPRF模式下，SFD除了旧的方式外，还支持下表中长度为8的码。对于HPRF模式，下表中长度为4，8，16是必选的，长度为32是可选的。这个码一方面是一个重复度，另外一个方面是考察序列特性。HPRF模式下，速率较高，太短的重复度意义不大。改进：更多长度可选；新序列没有零值，性能更好。

PHR优化-BPRF模式

在BPRF模式下，PHR采用之前的格式。PHR可支持6.8Mbps速率，与数据保持一致；同时可支持850kbps速率，数据支持6.8Mbps速率【注意，在BPRF模式下，PSDU没有110k/850k这种模式】。

PHR采用850k/6.8M，而PSDU固定为6.8M。

4z里面PHR没有110kbps选项。PSDU没有110k/850k选项。

4z的目标是提升速率，而110k/850k是低速率。

PHR优化-HPRF模式

在HPRF模式下，PHR应采取下面的格式，A1、A0是功能性比特，根据需要进行解释和使用，既可以用于控制STS和Payload之间的GAP，也可以用于扩展payload length长度指示。

STS引入

Payload优化-编码优化

HPRF模式下，可采用K=7的卷积编码，这个时候就不必再包含RS编码。

Payload优化

HPRF模式下的调制方式是完全不同的，PHR不再支持110kbps和850kbps的选项。

249.6M PRF-1/2有用时间

每个编码比特包含8个脉冲，分成2组，组之间采用GAP分割。GAP分割与之前的方式类似，只是这次不是从前后半部分选一部分来承载信息，而是前后都用起来。之前的方式下110Kbps采用128个chip，850kbps采用16个chip，而6.8M采用2个chip。根据这个图，一个符号有8个脉冲(8个数据chip)，但占了16个chip(8个数据chip+8个无用chip)。所以速率计算：249.6M/8 = 31.2M符号速率。

249.6M PRF

124.8M PRF-1/4有用时间

124.8M PRF相比249.6M模式，每个符号占据的chip数从16上升到64，而有效脉冲数只是从8增加到16。整个时间中有16/64*499.2M = 124.8M PRF。卷积编码情况下124.8M/16*2*0.5 = 7.8Mbps。

124.8M PRF

4z总结

整体上来讲，4z规定了一些新的范例，但并不能替代之前的应用。4Z定义的应用在高密度和低功耗方面会有作用，但其整体码率较高，不可避免地距离会比较近。上面整体上将4z涉及到的物理层修改整理了一下：主要涉及SYNC，SFD，PHR，STS，编码，调制等诸多方面。对于BPRF模式而言，Ci用91，并且可选择更灵活的重复长度(64不行时可以选择256，这比直接跳到1024要好很多，1024不是一个好的选项)，从而在SYNC阶段获取较好的性能；对于SFD而言，可以选择8倍/64倍重复，性能基本保持不变；对于PHR，选择850kbps速率或者6.8M速率；对于Payload，只能是6.8Mbps速率。对于HPRF模式，目前先不用管。总结，4z不能替代4的功能，只是在部分场景下的增强，但是4z的BPRF模式可以取代目前我们的应用场景，同时可以在SYNC性能和开销平衡方面作更多优化。其它场景，4z暂时不能替代4的功能。另外一个就是，在HPRF模式下，采取了CR7的卷积码，可能对性能会有一定改善。另外，在4z中指定的MAC层的使用模式，挪到4中使用是很有益的。

插曲

UWB符号定义

调制方式：二元位置调制和二元相位调制结合。(BPM+BPSK)。每个符号承载2比特信息g0,g1。构造层级：

2.1 UWB符号一分为二，在前半部分还是后半部分由g0决定。

2.2 假设决定在前半部分，进一步将前半部分一分为二，其中一半为有用时间，另一半为保护间隔。保护间隔是用于降低/避免符号间干扰的影响(问题：对自身应该是没影响的，可能是对别的标签的影响）。

2.3 在有用部分，又分为若干个突发(burst）。最终是从这若干个突发中选择一个来发送。

2.4 一个突发由若干个码片构成。对于一个UWB符号来讲，需要决定：1. 突发(burst)个数；2. 每个突发由多少个码片构成。突发个数决定了time-hopping的集合大小，突发码片数决定了传输的Mean PRF，这个实际上跟性能相关。因此，这两个参数是设计参数。

参数解读

以第一行为例：

Peak PRF 为499.2M是系统决定的，带宽499.2M为3dB带宽，也是设计决定的。由于采用RS编码和卷积码组合，RS码率为0.87，而卷积码码率为0.5，合并码率为0.87*0.5=0.44。

如果定下来这个符号的burst个数为32，burst内的码片数为128。则可算出Nhop = 32/4 = 8，一个符号内的码片数为32*128 = 4096。Burst持续时间 = 128/499.2M；

符号持续时间为4096/499.2M。符号率为1/(4096/499.2M) = 0.12M

由于采用BPM+BPSK，码率为0.44，因此有效数据率为0.12*2*0.44 = 0.11Mbps。

由于在一个符号内32个Burst，只有一个用于发送，因此Mean PRF = 499.2M/32 = 15.6M。

系统设计的考虑

UWB系统是一个功率谱密度受限的系统提高可靠性/SNR，通常是通过能量在时间域上累积来获得的。 SYNC/SFD，时间域上重复扩展是提高可靠性的方法。 110K/850K/6.8M，占用码片数分别为128/16/2，110K也是通过时间上占用更多的码片，从而获得覆盖上的提升。

Block-based 测距模式