研究生电子设计竞赛论文.pdf

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包括几十篇的论文,论文主要是偏向于FPGA以及数字图像的论文集
第·七届中国研究生电子设计竞赛论文集 3D图形加速器原型系统 西安邮电学院侯红朝任刚刚姬建伟邓军勇………… 377 基于FPGA的直接序列扩频多径接收机的设计 哈尔滨工业大学李殿为梁霄郑国良马水奎………………………… ·非··非。。 无线地震现场信息采集系统 哈尔滨工业大学秦四海刘博江春丽沙学军教授…… ……………401 基于无线传感器网络的气源目标搜寻多机器人系统 哈尔滨工业大学崔立冬陈寅生刘奇王祁教授 ………………416 VXI总线分析仪 哈尔滨工业大学徐聪胡新安付平……… 428 第七届中国研究生电子设计竞赛论文集 题目:基于单载波超宽带技术的可穿戴多媒体无 线体域网 参赛学校:清华大学 参赛学生:肖振宇王鹏军赵博 指导教师:罗嵘 二O一O年八月 第七届中国研究生电子设计竞赛论文集 基于单载波超宽带技术的可穿戴 多媒体无线体域网 摘要:可穿戴多媒休无线休域网需要髙速物理层攴持,因此超宽带技术成为最有竞争力的物 理层技术方案之一。然而,符合国际标准的MB-OFDM超宽带技术成本、功耗与复杂度均较 高,难以在无线体域网领域得釗广泛应用。本作品选择清华大学所提岀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米降低信号处理速率,同时,采用方波匹配、PN铺助序列双驻同步 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。演示系统为一个3节点体域网:两个外围数据采集节点,一个中心汇聚节点。外围 采集节点可以通过摄像头拍摄视频,实时传送至屮心汇聚节点;屮心汇聚节点则将收到的数 据传送至PC机进行多路显示。物理层单载波超宽带收发机已芯片化。 关键词:无线体域网,超宽带,WBAN,UWB,单载波,SC-UWB,可穿戴,复杂度,功耗, 多径,RAKE,均衡,视频,多媒体,吋分多址,TDMA。 Abstract: Wearable multimedia wireless body area network(WBan) needs a high-speed physical layer (PHY); hence ultra wide-band (UWB becomes one of the most competitive PhY technologies. However, the famous MB-OFdm uwb technology, which has been recommended as an international UWB standard, has high cost, power consumption and complexity, and can be hardly widely used in WBan area. We prefer the single carrier UWB (SC-UWB)technology proposed by Tsinghua University, as the PhY of WBAN, and derive a complete low-complexity SC-UWB receiving scheme after some deep research. In this scheme, the parallel signal processing method is used to reduce the signal processing speed; meanwhile, many methods, such as a square-wave matched filter method, a Pn aided sequence based double-dwell acquisition method and RAKE+DFE method, are all used in this scheme to reduce implementation complexity and combat the multipath effects. Moreover, a simple protocol stack and a simple and efficient MAC protocol are designed. a demo wearable multimedia Wban system based on Stratix II FPGA platform is finally developed. This system is a 3-node WBAN: two of them are external data collection nodes. and the other is a central cluster node the external nodes can shoot video with a camera. and they transmit video to the center cluster node: the center cluster node receives data and sends them to the pc to perform a multi-window display. The sc-UWB transceiver in the Phy has been developed into chips Keywords: wireless body area network, ultra wide-band, WBAN, UWB, single carrier, SC-UWB wearable, complexity, power consumption, multipath, RAKE, equalization, video, multimedia, time division multiple access tDMa 第七届中国研究生电子设计竞赛论文集 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,分布在人身休上、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1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 体内的传感器将人休身休状况数据通过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。冬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 媒休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 丁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技术则因其高达上有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。超宽带与他技术体制的应用范围对比如 图2所示。 第七届中国研究生电子设计竞赛论文集 Bandwidth WPAN WLAN 1Gbps WWAN UWB HS-WPAN 100Mbps Next Gen 80211a/g 10Mb 4G 802.11b 2.5G Desktop Room Building 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。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。IEEE802153a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IEEE802.15.3a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ECMA368369及 ISO/IEC26907/269086 尽管 MB-OFDM UWB技术体制已经成为国际标准,但是因为只复杂度和对ADC要求都 较高,实际上并没冇得到广泛应用。而可穿戴多媒体wBAN需要一科高速、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,需要了求新的UWB体制来实现 冂穿戴多媒体WBAN。 方案选择与作品简介 设计可穿戴多媒体WBAN的关键在于选择合适的物理层技术体制。目前主流的UWB技 术主要有基于脉冲的 DS-UWBI和基于OFDM的MB- OFDM UWB两种。加上清华人学所 提出的基于单载波的 SC-UWB技术,共有三种。三种超宽带技术的技术特点对比如表1所 小 第·七届中国研究生电子设计竞赛论文集 表1三种超宽带技术特点 技术特点 DS-UWB OFDM UWB SC-UWB 有无载波调 无 多载波 单载波 支持最高速 2000Mbps 480Mbps 100Mbps 率 调制方式 MBOK OFDM+OPSK BPSK 对抗多径 RAKE+均衡 OFDM RAKE+均衡 对ADC需儿十GSPS采样1GHz采样率,高1GHz采样率,低 求 率,低精度 精度 精度 同步 较难 较难 较容易 波形成型难 FFT/IFFT+跳频 波形成型简单, 均衡器抽头系数过(多路检测),比较RAKE臂数少,均衡 基带复杂度RAKE臂数过多, 长,很复杂 复杂 器抽头数少,相对简 单 射频复杂度无上变频,简单高PAPR+跳频,准恒包络调制,简 复杂 单 经过对比可以看出,SC-UWB技术是在复杂度与速率之间良好折中的一种UWB技术。 它实现简单,基带信号处理容易,对ADC和射频的需求低,比较容易实现和芯片化,尤其适 于低功耗使携式应用。因此,本作品选择SC-UWB技术作为冋穿戴多娸体WBAN的物理 本作品的最终形态为一个可穿戴多媒体WBAN,如图3所示。各类业务(包括高速视频 业务、音频业务及实时业务)通过WBAN在中心节点汇聚。中心节点则将数据传送至上位机 进行多画面显示或处理。 高速视频业务节点 音频业务节点 外围数据 采集节点 实时业务节点 接收外围节点数据,并 将数据传送至上位机, 行多画面显示或处理 无线体域网 外围数据 采集节点 图3可穿戴多媒体WAN系统最终形态 由于可穿戴多媒体wBAN系统最关键的技术环节是高速视频业务的传输,因此本作品的 演示形态为一个3节点的WBAN系统,如图2所示。其中两个节点为高速视频业务外围节点, 剩下一个节点为屮心节点。两个高速视频业务源为摄像头采集的高速数据,通过WBAN发送 第七届中国研究生电子设计竞赛论文集 节点发送至中心节点(中心节点为接收节点)。接收节点将收到的视频流通过网凵传送到PC 机上进行多窗口显示。 摄像头 网口 6一 摄像头 图4可穿戴多媒体WAN系统演示形态 作品难点与创新 本作品主要有如下难点: 1)为可穿戴WBAN设计一个高速率、低功耗、低复杂度的PHY层; 2)高速超宽带信号处理; )满足非对称数据业务和实时业务需求的MAC层 4)精简高集成度的协议栈结构,使于减小发送节点体积与功耗 本作品创新性如下: 1)基于高速、低功耗、低复杂度要求,提出单载波超宽带( SC-UWB)技术体制。该体 制已得到国内外专家认可,并被国内标准化组织接受,目前正处丁标准化进程之中; 2)形成了完整的低复杂度 SC-UWB接收机方案,在该方案中,采用了并行信号处理的 方法米降低信号处理速率,同时,采用方波匹配、PN辅助序列双驻同步、RAKE+DFE 等算法米降低实现复杂度、抵抗多径影响; 3)形成了满足实时业务需求的MAC方案,即预分配时分多址接入(TDMA); 4)设计了适合于非对称数据业务的精简高集成度的协议栈结构,该结构只有应用层 MAC层和PHY层,并且数据业务信道与信令信道独立 5)为最终实现可穿戴WBAN系统,对SC-UWB的发送基带、接收基带以及射频收发模 块都进行了ASIC芯片设计和流片,并进行了测试,测试结果良好。 6)所提出的 SC-UWB技术已发表SCI论文2篇,国际通信领域顶级会议( IEEE ICC和 IEEE Globecom)3篇,申请国内专利8项。 3系统设计与实现 3.1精简的协议栈结构设计 为了提髙集成度,尽可能减小单个节点尤其是外围节点的体积,分别为外围数据采集节 第七届中国研究生电子设计竞赛论文集 点和中心节点设计了相应的协议栈结构,如图5所示。精简的协议结构栈均只有应用层(APP)、 MAC层与PHY层三个层。由于WBAN节点数一般不多,且一般为网状网络,外围节点一般 只与屮心节点通信,不需要多跳路由,因此传输层和I层均被省略,以降低复杂度 节点数据采集 数据交付至上位机显示 APP APP 接口速率适配 接口速率适配 组网控制 组网控制 MAC成帧 MAC解帧 MAC MAC PLCP适配 协议控制数 PLCP适配 协议控制数 UE发送实体|据收发实体 UWB接收实体据收发实体 PHY P 图5外围节点(左图)与中心节点协议栈(右图)结构 对于外围数据采集节点,APP层就是摄像头,APP层输出给MAC的数据就是摄像头采 集并压缩好的图像数据。MAC对该数据进行封装成帧之后交付给PHY层。PHY层再进行帧 格式封装后发射出去。 对于中心数据收集节点,APP层就是上位机显示程序。PHY层将接收到的数据帧交付给 MAC层,MAC再将数据帧封装成标准以太网帧格式通过网口交付给PC机进行显示(相 于APP层) 值得提出的是,WBAN的数据业务特点是存在显著的不对称性。数据业务主要是上行方 向,下行方向的数据业务很少甚至没有。信令则主要是下行方向。因此,上行方向的速率要 远远高于下行方向。针对该特点,在MAC和PHY层将数据业务信道与信令信道分离。数据 业务信道的PHY层采用SC-UwB技术进行高速数据业务传输,而信令信道则采用独立于 SC-UWB的物理信道进行协议控制信令的收发。信令信道传送的数据只负责用于组网,也就 是维护全网时隙同步,提供数据收发实体定时信息。信令收发实体采用 Zigbee模块 (JN5139Z01-M0OR1)实现,后述MAC与PHY层设计与实现均是针对数据业务而言的 32MAC设计与实现 3.21帧结构设计 由于将信令信道与数据业务信道进行了分离,MAC层的设计变得十分简单。根据信令收 发模块可以提供的定时精度,设计了如图6图6所示的MAC超帧结构。每一个MAC超帧被 分成54个基本时隙,每一个时隙为600υs,整个MAC超帧持续时间为32.4ms。超帧与超帧 间不需要时隙保护,连续发送。

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