无线人体局域网基带发射模型研究

2015-04-23 05:19张正亮华智林庞宇马勋黄华伟
生命科学仪器 2015年1期
关键词:码器交织基带

张正亮,华智林,庞宇,马勋,黄华伟

(1. 重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆,400065;2. 重庆邮电大学光电工程学院,重庆,400065)

前言

人体局域网(Body Area Network, BAN)是一种新的超短距离无线通信网络。它是以人体为中心,通过与多个传感器节点连接形成通信距离不超过2米的无线局域网络[1]。终端在BAN中作为协调器,接收来自于无线传感器采集到的生命体征信号,如血氧饱和度、心电、体温等,再将接收到的信号经通信网络和交换中心发送至医院[2,3]。BAN能够提供移动临床、远程诊疗、健康咨询等多种服务,有效的配置和利用医疗资源,显著提高了医疗健康服务水平[4,5]。BAN还可用于消费类电子、娱乐、游戏、健身、军事和紧急救援服务等领域[6]。

BAN物理层是BAN的重要组成部分,主要负责建立一个可靠的物理链路来传输二进制数据,其帧结构分为三部分[7]:PLCP前导序列,PLCP帧头,PSDU,如图1所示。在发送数据前,PLCP将MAC层发送过来的PSDU按照协议标准规则添加前导序列和帧头变为PPDU,这两部分字段可用于接收端的解码、解调以及正确恢复出PSDU[8]。

1 物理层基带传输系统

BAN基带模型发射端包括的子模块及整个传输结构框架如图2所示,PSDU经过组帧之后输出数据,后续模块再进行编码、扩频等相关处理。

图1物理层帧结构Fig.1Physical layer frame structure

图2发射端结构图Fig.2The transmission structure diagram

1.1 BCH编码

本系统采用的是BCH(63,51,t=2)的标准编码算法,其中t为该编码算法能够纠正的比特数,该BCH编码的特征多项式g(x)为:

BCH编码过程如图3所示[9]。

图3BCH编码过程Fig.3BCH encoding process

1.2 扩频

由于BAN业务的多样性,要求支持多种数据速率。为了使发送到信道的数据速率达到一致性,需要对数据进行扩频处理。标准给出扩频因子分别为2,4两种扩频方式,如图4。

图4数据扩频过程Fig.4Data spreading process

1.3 交织

为了提高BAN通信信道的可靠性和增加抗突发差错能力,在扰码之前需对数据进行交织处理。

BAN采用的是分组交织的方式。由于扩频因子有2,4两种情况,交织规则需根据待发送到无线信道的比特数而确定。首先计算经过编码的码元个数Ntotal:

若Rem(Ntotal,2)=0,则比特交织按如下规则来进行:首先将输入信息的前2S比特分为一组(S为扩频因子)。然后使用一个规格为S×2的交织器进行计算。a(i)、b(i)分别为输入输出。则有:

若Rem(Ntotal,2)=1,将输入前3S比特分为一组,使用一个规格为S×3的交织器进行计算。a(i)、b(i)分别为输入输出。则有:

剩下的数据均按式(5)进行计算。

1.4 扰码

BAN系统中采用扰码技术对数据源信息进行白噪化,以消除数字通信中由于长串的连0或连1码导致信号长时间不跳变,从而在接收端很难提取出有用的定时信息。连续的连0和连1的出现还会造成信号频谱线过于集中,容易和其他窄带频谱形成干扰。加扰后的信号频谱更适合基带传输,保密性更好。

BAN基带模型采用串行扰码器,其生成多项式为:

图5为根据生成多项式g(x)搭建的串行扰码器。

寄存器初始值的选择由扰码器的种子值来决定。当物理层实体初始化时,MAC层应该将扰码器种子设置为0,并且对于物理层需要发送的每一帧数据使用一个1比特的循环计数器将扰码器种子值进行跳变。表1定义了初始化向量xinit。扰码器的种子值确定了该扰码器的初始状态。

图5扰码框图Fig.5Scrambling block diagram

表1扰码器种子值选择Tab.1Scrambler seed selection

1.5 调制

本文采用π/2-DBPSK,不但能够克服BPSK产生的“倒π现象”或“反向工作现象”,而且能够保证每一个数据比特都存在相位变化。

本文提出一种查找数据相对相位和绝对相位的算法来完成BAN系统中的调制功能。在π/2-DBPSK调制中,相位增量Δθ的取值为{π/2,3π/2}中的一个,在此设每π/2为一个单位,记为ΔN=1。相位增量取值与数据的对应关系如表2所示,π/2-DBPSK调制的绝对相位如表3所示。

表2π/2-DBPSK相对相位Tab.2The relative phase of π/2-DBPSK

表3π/2-DBPSK绝对相位Tab.3The absolute phase of π/2-DBPSK

根据表2和表3可以分别构造π/2-DBPSK仿真中的两个查找表,第一个查找相对相位,根据输入的0和1分别输出1或者3;第二个查找绝对相位,根据输入的不同N值,输出相应的I/Q两路数值。

由差分相位调制定义可知,在两个查找表之间还需加入一个循环算式,并通过一个延迟单元将上一时刻的绝对相位值反馈回来与当前相对相位相加得到本时刻的绝对相位值。

由绝对相位表可知,N的最大取值为3,随着基带系统运行的不断累加,循环算式的输出值将会超过3,所以应该在其中加入一个取模运算,来保证输出结果的正确。设当前码元绝对相位编号为N,前一码元绝对相位编号为N',当前相对相位编号为ΔN,则N=mod(N'+ΔN,4)。

π/2-DBPSK调制端整体流程框图如图6所示:

图6π/2-DBPSK调制Fig.6π / 2-DBPSK modulation

2 BAN基带模型的误码率仿真

利用Matlab/Simulink工具搭建BAN基带通信模型,首先利用随机数发生器产生255字节的最大长度MAC层帧体,然后通过数据转换模块生成2040比特的二进制数据,然后与MAC帧头和FCS校验码组成PSDU,最后和协议当中定义的PLCP前导序列和PLCP帧头串接组成物理层帧。在后续的模块处理中,PLCP前导序列经过调制解调、数字滤波;PLCP帧头和PSDU部分经过信道编码、扩频、比特交织、扰码、调制、成型滤波后经过信道,接收端进行上述过程的反变换。信道方面,考虑到BAN系统的通信距离较短、佩戴相关节点的人体很少出现高速运动、所处地域的通信环境一般较好及协议的相关建议,将其设置为高斯白噪声信道(AWGN)。

根据协议建议,在高斯白噪声信道条件下对以下两种调制参数:π/2-DBPSK(s=4)、π/2-DBPSK(s=2),其中s为扩频因子,分别采用蒙特卡罗统计法在3000帧数据之内统计误码率。所得到的误码率随信噪比变化的关系曲线如图7所示,横坐标表示信噪比,纵坐标表示系统误码率。

图7AWGN信道下误码率曲线Fig.7BER curve in AWGN

如表4所示,对两种调制参数下的误码率做横向比较可以看出,当扩频因子从2增大到4时,π/2-DBPSK在10-5误码率处得到了约0.7dB的信噪比增益,在10-6误码率处信噪比增益降低到约0.6dB,可以看出随着信道情况的变好,高扩频倍数的收益逐渐降低,而其却要消耗更多的硬件,所以设计两种不同的扩频倍数是比较合理的。

表4两种参数下性能对比Tab.4Performance comparison of two different parameters

在π/2-DBPSK调制方式下扩频因子分别为2和4,信噪比分别大于8、7.3dB时,两种参数情况下的误码率低于10-5,达到了BAN的通信技术要求。

3 结束语

无线BAN在支持广泛的BAN设备应用方面起着重要作用[10]。其中,基带是整个系统的关键组成部分,但是目前对于无线BAN基带的研究还很少。

本论文针对BAN基带发射模型的研究,根据协议标准,分别对信道编码、扩频、交织、扰码、调制模块进行了研究,接收端进行相应的反变换操作,并利用蒙特卡罗统计法进行误码率的可靠性仿真分析。由仿真分析可知,在高斯白噪声信道下,采用π/2-DBPSK调制方式,在较低信噪比的情况下,搭建的模型误码率仍能满足通信技术要求,对后续完整的基带仿真具有重要意义。

[1] 樊平毅, 冯重熙. 窗函数在成形滤波器设计中的应用. 通信学报,1996, 17(2): 75-80.

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