高速率无线个人域网（WPAN）

2019-11-03 19:12:38

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供稿：网友

雷震洲
（信息产业部电信研究所北京 100083）　　摘要未来的无线通信系统大到覆盖全球的卫星网，小到个人域网。高速无线个人域网（WPAN）工作在不需许可证的2.4 GHz频段，最高速率可达55 Mbit/s。本文阐述了WPAN的基本概念、目标应用以及媒体接入控制（MAC）层与物理层（PHY）的标准情况，还与无线局域网（WLAN）进行了比较。

　　关键词无线通信个人域网无线局域网媒体接入控制层物理层

1 什么是WPAN

　　无线个人域网（WPAN）指的是能在便携式消费者电器和通信设备之间进行短距离特别连接（ad hoc connectivity）的网。WPAN的覆盖范围一般在10m半径以内，比无线局域网（WLAN）还小。术语“特别连接”包含两层意思，一是指设备既能承担主控功能，又能承担被控功能的能力；二是指设备加入或离开现有网的方便性。蓝牙系统实际上就是解决WPAN应用的第一种技术，它的明显特点是低功耗、小型化、低成本。但蓝牙设备的最高数据速率只有1 Mbit/s，实际速率只有大约一半。蓝牙通信链路能支持最多3路话音，但此时留给突发数据业务的带宽就非常有限了，甚至没有。然而，WPAN的数据速率至少要比蓝牙高一个数量级。

　　根据发展趋势，下一代便携式消费者电器和通信设备将支持高速率的多媒体业务，其应用包括高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。这些应用必须得到高速率无线网络的支持和服务，因此WPAN应运而生。在WPAN中使用的设备，包括数字摄像机、数字电视机、数字照相机、MP3播放机、打印机、投影仪和笔记本电脑。为了满足这些多媒体设备之间的通信就需要对等的特别连接，它们能保证20 Mbit/s以上的数据速率以及在确保的带宽内提供一定的QoS。为了达到所需的物理层数据速率和媒体接入控制（MAC）层的QoS要求，IEEE 802.15 WPAN工作组发起了一个新的任务组，叫802.15.3高速率WPAN任务组，其任务是针对消费者图像和多媒体应用，为低功率低成本的短距离通信制定高速率WPAN标准，IEEE 802.15.3高速率WPAN标准的最终版本预期在2002年内获得批准。

　　虽然有些无线局域网（WLAN），如IEEE 802.11a、802.11b和HiperLAN也可实现高速率这一目的，也是瞄准2.4GHz和5 GHz这两个不需许可证的频谱，但通过后面的分析比较，我们将会看到802.15.3高速率WPAN技术具有特别适合便携式消费者电器和通信设备及其应用的特点，其最主要的特点是：

·能为多媒体业务提供具有QoS支持的特别连接；

·加入和离开现有网非常方便；

·具有先进的功率管理，可节省电池功率；

·MAC和物理层设计对短距离（小于10m）通信最优，并且成本低、复杂性低；

·支持高达55 Mbit/s的高数据速率，可传送高质量视像和声音。

2 高速率WPAN的应用

　　高速率WPAN的应用可以分为两大类。第一类涉及大宗（多兆字节）数据文档传送；第二类涉及实时视像和高质量声音。在第一类应用中，在以数字格式存储多兆字节照片文档和视像流的数字照相机和摄像机方面能找到许多有用的应用。对消费者心理的研究表明，通常当传送时间超过7~15s时用户就不满意了。利用目前的蓝牙技术，把一个含有3 MB图像或视像流的数据文档从一架照相机传到一台PC机大约需要1min。如果需要传送多个这样的文档的话，目前蓝牙技术提供的1 Mbit/s数据速率显然是不够的，至少要高一个数量级。另一种应用跟MP3或CD格式的音乐文档的配送相关，我们希望可以在PC机和MP3播放机或CD机之间传送这些文档。但是一个只含一首歌的MP3文档的信息量往往大于3 MB，如果想在7~15s以内传送完毕，就要求物理层数据速率必须超过1 Mbit/s。

　　在第二类应用中，在高质量声音和视像的配送方面有若干引人注目的应用。一种比较受欢迎的应用有可能是数字摄像机在电视机上进行无线播放。数字摄像机使用DV格式，在电视机上实时播放的话需要大约30 Mbit/s（包括5:1压缩）的数据速率。另外一种可能的应用是在笔记本电脑与投影仪之间提供无线连接。实时传送以60 Hz作1024 ×768扫描的电脑图片需要38 Mbit/s的数据速率。高速率WPAN还可以在家庭娱乐系统方面成功地取代电缆技术，例如利用无线链路把19.2 Mbit/s高清晰度MPEG2数据流或9.8 Mbit/s DVD数据流传送到高清晰度显示器上。同样，高质量的声音也可以通过无线直接传给环绕声音响设备。在高质量声音应用方面，CD声音的传送需要1.5 Mbit/s的数据速率，因此，在CD机或MP3播放机与无线头戴耳机或扬声器之间也可以建立高速率WPAN连接。

　　高速率WPAN的另一应用领域是配有高质量声音和3维图像的交互式游戏。高速率WPAN可以用来在多玩家游戏控制台和高清晰度显示器或虚拟现实目镜之间建立无线连接。

3 WLAN的不足之处

　　在2.4GHz和5 GHz不需许可证的频段上使用的WLAN技术包含在IEEE 802.11标准内。传统的802.11系统工作在2.4 GHz频段，有三种不同的物理层共享同一MAC层，这三种物理层规范分别是很少使用的红外（IR）技术以及比较常用的直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）系统。它们提供的数据速率在1~2 Mbit/s。更高的数据速率要用IEEE 802.11b的物理层规范来支持，它同样在2.4 GHz频段的同一802.11 MAC层底下工作，采用互补码键控（CCK）调制，速率为5.5~11 Mbit/s。最近，一个新的任务组IEEE 802.11g起草了数据速率超过22 Mbit/s的新标准。另外，在5 GHz频段，IEEE 802.11标准组推出了802.11a规范，它使用正交频分复用（OFDM），速率可高达54 Mbit/s。另一新的任务组802.11e在MAC层纳入了QoS和安全性要求，同时又支持所有前面提到的传统802.11物理层规范。

　　IEEE 802.11 MAC协议在支持高速率WPAN方面存在一些缺点。首先，802.11 MAC层具有传统LAN功能和应用（非特别连接应用）的负担。其次，由于802.11 WLAN的应用主要不是针对用电池工作的便携式通信设备，所以在MAC协议中不太重视功率管理。再有，802.11 MAC的规范不提供QoS保证，当有同时进行的业务时不保证提供时隙。

　　IEEE 802.11e任务组目前的任务是制定一个新的802.11 MAC协议，在传统802.11 MAC层规范上追加一些东西，但在新追加的东西里，也不包括特别连接方式下的QoS保证，而这在高速WPAN应用中是极为重要的。新的802.11 MAC协议只在协调网（coordinated network）方式下提供某些形式的QoS，此新规范即使在完成之后，在LAN功能和要求方面的负担仍将使MAC在用于高速率WPAN应用时太复杂、功率效率太低。从物理层的观点看，IEEE 802.11b规范支持的速率最高为11 Mbit/s，对WPAN的视像配送应用来讲也是不够的。IEEE 802.11g能支持高于22 Mbit/s的数据速率，目前有两种物理层候选技术，一种是单载波网格编码8PSK调制，另一种是OFDM。这两种候选技术的射频部分和基带部分实现起来都比802.15.3物理层成本大。况且802.11g标准的批准还需要等FCC对FCC Part 15.247规则做一些修改。最后，工作在5 GHz频段的802.11a技术能支持高达54 Mbit/s的数据速率。但是，除了前面所说的MAC层效率低以外，OFDM基带处理器消耗太多功率，用于WPAN应用时其射频前端部分太贵。

4 IEEE 802.15.3高速率WPAN标准

　　802.15.3 MAC层规范是依据以下三点来设计的，即支持特别网、提供多媒体QoS和支持功率管理。根据现有网的条件，一个特别网中的设备既可以承担主控功能，又可以承担被控功能；既可以加入，又可以离开，没有复杂的建立程序。802.15.3 MAC层规范为支持多媒体QoS作了准备，802.15.3 MAC层规范的超帧结构由网标、争用接入周期（CAP）、为有保证时隙（GTS）预留的无争用周期（CFP）构成，在CAP和GTS之间的边界是动态可调的。

　　网标在每一超帧的开始发送,载有WPAN特定参数，包括功率管理和新设备加入特别网的信息。CAP周期预留来传送无QoS的数据帧，如短数据或网内设备发出的信道接入请求。在CAP周期内的媒体接入机理是碰撞检测多址/碰撞避免（CSMA/CA）机理。超帧的其余时间都留给GTS来传送有特定QoS的数据帧。在GTS内传送的数据类型包括从大容量图像或音乐文档一直到高质量声音或高清晰度视像流。最后，功率管理是802.15.3 MAC协议的关键特点之一。当与WPAN连接时它可以大大降低耗用电流，在功率节省方式下，QoS仍能保持。

　　802.15.3物理层工作在2.4 GHz和2.4835 GHz之间的不需许可证频段，数据速率可达11~55 Mbit/s，适合高清晰度视像和高保真度声音的配送。802.15.3系统规定的符号速率与802.11b的相同，为11 Mbit/s。所规定的五种不同调制格式都按此符号速率工作，这五种调制格式分别是22 Mbit/s无编码QPSK调制、网格编码（TCM）QPSK和16/32/64-QAM。由于网格编码引入了每符号1bit的冗余度，故后四种的速率分别为11Mbit/s、33Mbit/s、44Mbit/s、55 Mbit/s。基带调制格式是差分编码QPSK，使用8态2D（2D-8S）网格编码的16/32/64-QAM方案可获得33~55 Mbit/s的高数据速率，视链路两端的设备容量而定。11 Mbit/s QPSK TCM可作为一种后撤方式来使用。802.15.3信号占用15 MHz带宽，这在2.4 GHz频段可以允许最多4个固定信道，发送功率电平符合FCC 15.249规则，其目标值是0 dBm。

　　在802.15.3物理层中使用的射频与基带处理器是对限于10m以内短距离传送最优的，使消费者电器在集成时能把MAC层和物理层做成低成本、小型化，总的系统解决方案预期能很方便地做在细巧的闪卡中。物理层还要求在发送或接收数据时耗用电流低（低于80 mA），在节电方式时让耗用电流变得最低。

　　表1列出了IEEE 802.15.3标准的主要特点，并与IEEE 802.11a、b、g以及蓝牙标准进行了比较。如表1所示，由于短距离传送的要求，802.15.3设备的耗用电流要比802.11小得多。从组建特别网的观点看，设备能在很短的时间内与现有网连接是非常重要的，802.15.3 MAC协议的连接时间指标比1 s短得多。再看一下管制方面的要求，工作于2.4 GHz频段的WPAN设备是非常有利的，因为大多数在室外使用的WPAN设备是不允许使用5 GHz频段的。

　　IEEE 802.15.3物理层的帧格式包括报头、有效负荷、循环冗余码校验（CRC）和格码尾巴。报头包含10个恒定幅度零自相关（CAZAC）专门序列，每个CAZAC序列周期包含16个QPSK符号，报头被用于各种信号捕获功能，如增益调整、载频偏移补偿、符号定时调整、信道估算、均衡器系数计算等，报头的长度和周期性取决于总的符号响应长度。上述16符号周期足以处理1.5 μs长的总符号响应，这包括所有的信号成形滤波器和时延扩散效应。有效负荷最多含有2048个字节。跟在它后面的是CRC比特和格码尾巴，为了帮助接收机中解码过程，在每一帧的末尾附加一2个符号长的格码尾巴，以终结已知状态的TCM码。

　　IEEE 802.15.3的接收机灵敏度被定义为在存在高斯白噪声（AWGN）情况下保证误码率性能优于10-5的最低接收信号电平。IEEE 802.15. 3接收机的噪声带宽为11 MHz，为计算灵敏度，假设噪声系数为12 dB。计算后，QPSK TCM、QPSK和 16/32/64-QAM TCM发送方式所要求的接收机灵敏度分别为-82 dB、-75 dB、-74 dB、-71 dB和-68 dB。在误码率低于10-5情况下所要求的信噪比则分别为5.5 dB、12.6 dB、13.5 dB、16.6 dB和19.8 dB。

　　2.4 GHz频段的短距离室内传播信道可以用指数衰减（时延扩散）瑞利衰落信道模型来描述。由于通信设备和目标在发送范围内移动，故信道特性在不同突发信号时间内会有很大的变化。信道的频率响应会呈现出因多径传播造成的又宽又深的频谱低谷。在2.4 GHz频段，802.15.3信号占用15 MHz固定带宽。在此带宽内可能出现几个频谱低谷，而且低谷位置和程度随不同突发信号而变。所以，短距离室内传播信道具有明显的时变性。

　　短距离室内传播信道的特性给建立可靠高速率通信带来了重大挑战。它们表现为严重的衰落和造成频谱低谷的多径传播，而且具有较难克服的时变性。使用均衡器是一种有效的方法，而且要对突发信号逐个地均衡，以克服信道的时变性。为了便于接收机进行快速均衡，802.15.3标准规定使用周期性的CAZAC报头。美国Broadcom公司的计算机模拟结果表明，甚至在802.15.3标准支持的最高数据速率55 Mbit/s，在所模拟信道的98％内，可以建立可靠的通信链路。在相对于接收机灵敏度的各种接收信号电平下的误帧率（FER）是接收机的另一重要性能。Broadcom公司的计算机模拟结果表明，当接收信号电平高于接收机灵敏度15 dB时几乎所有被模拟的信道都能保证FER为1％。

5 结束语

　　高速率WPAN主要是针对未来的多媒体应用的，它在便携式消费者电器和通信设备之间建立无线连接，是比WLAN覆盖范围更小、数据速率更高、有一定QoS保证、使用更灵活的一种网络，在未来的第4代移动通信中也将占有一席之地。

　　实现WPAN最大的挑战是如何克服在移动环境下短距离室内传播信道的时变性。计算机模拟证明，采用适当的均衡和编码技术是可以在很大程度上战胜这一挑战的。我们相信，用不了多久WPAN一定会来到我们的身边，让我们期待着它的早日到来吧！

摘自《电信科学》2002.6

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