HRP UWB IEEE 802.15.a /z PHY的端到端仿真
本例对IEEE®802.15.4a/z标准的高速率脉冲重复频率(HRP)超宽带(UWB) PHY在加性高斯白噪声(AWGN)信道上进行端到端仿真([1]、[2])，使用ZigBee®和UWB附加组件的通信工具箱™库。
背景
的IEEE 802.15.4标准规定了体育和MAC低速率无线个人区域网络(LR-WPANs) [1］．IEEE 802.15.4物理层和MAC层被其他更高层的标准所使用，例如无线个域网， WirelessHart®，6LoWPAN和MiWi。
这些PHY方案在IEEE 802.15.4标准的不同修订中有所规定:
HRP超宽带物理层通道带宽为0.5 ~ 1.3 GHz，脉冲持续时间为2ns。超宽带物理层的超短脉冲持续时间使其适合于测距应用，因为许多测距技术依赖于计算数据包传输的时间持续时间。在时域中更细的粒度意味着距离估计误差更小。
这个例子执行端到端模拟，计算误码率(BER)曲线，并演示了这些HRP IEEE 802.15.4a/z PHY模式的可靠性和比特率之间的权衡:
该表显示了这些操作模式使用的不同调制方案、数据速率和每个有效载荷符号的芯片数量。
常用处理步骤
从这条PHY链中可以看出，各种HRP模式有一些共同的组成部分。
IEEE 802.15.4和IEEE 802.15.4z标准只规定了发射机的操作([1]、[2])。接收器执行发射器的反向操作。接收器实现不执行频率或定时恢复。
secd编码:PHY报头(PHR)使用单错误校正，双错误检测(SECDED)汉明码进行编码。本例中的误码率计算不使用PHR位。
RS编码:有效载荷用(63,55)Reed-Solomon码进行编码/解码。
卷积编码:负载和PHR以1/2卷积码的速率编码/解码，约束长度为3。为HPRF模式提供了约束长度为7的可选速率1/2卷积代码，但在本示例中没有使用它。
序言插入/删除:选定的代码序列被传播和重复。SYNC字段由这个开头和结尾附加的帧起始分隔符(SFD)组成。接收机期望输入波形从前导开始，没有任何需要前导检测的延迟。
脉冲形成器:符号映射和序言插入的输出是三元符号(-1,0,1)。IEEE 802.15.4a/z标准允许多个脉冲形状来表示模拟域中的符号序列。第15.4条[1]、[2指定射频一致性规格。在本例中，将三元符号序列传递给巴特沃斯滤波器以创建巴特沃斯脉冲。在接收端，一个积分转储操作将脉冲转换回三元符号。
三种不同模式的主要区别在于符号映射器组件(以及各自的解调器)。其他区别在于PHR格式，以及前导码序列和SFD的长度和值。
HPRF模式
在HPRF模式下，平均脉冲重复频率(PRF)为249.6 MHz或124.8 MHz，数据速率分别为27.24 Mbps和6.81 Mbps。在这两种情况下，每个符号持续时间由传输芯片序列和保护带的交替片段组成。此代码段生成一个图来显示249.6 MHz HPRF模式的有效载荷符号。
%确保安装了ZigBee/UWB支持包:金宝appcomm金宝appSupportPackageCheck (“无线个域网”);MSG = randi([0 1]， 1000, 1);cfgHPRF = lrwpanHRPConfig(Mode= . cfg“HPRF”PSDULength =长度(msg));waveHPRF = lrwpanWaveformGenerator(msg,cfgHPRF);fig = lrwpanPlotFrame(waveHPRF,cfgHPRF);cfgHPRF hZoomTo1stHPRFPayloadSymbol(图)
每个卷积码字长2位(每个系统有一个奇偶校验位)。这2位映射到249.6 MHz平均PRF的8个有效载荷和16个PHR位(见上图中的8个脉冲)，映射到124.8 MHz平均PRF的16个有效载荷和32个PHR位。
BPRF模式
BPRF模式采用突发位置BPSK (burst-position BPSK)调制。符号持续时间被分割成一组候选突发位置。每次爆发包含指定数量的筹码(Ncpb)。一个候选爆发包含一个模式。所有其他候选爆发都传输零。
cfgBPRF = lrwpanHRPConfig(Mode= . cfg“BPRF”, CodeIndex = 9);waveBPRF = lrwpanWaveformGenerator(repmat([0;1) 1), 508年,cfgBPRF);fig = lrwpanPlotFrame(waveBPRF,cfgBPRF);cfgBPRF hZoomToBPMBPSKSymbols(图);
在BPRF模式下，平均PRF为62.4 MHz，有效载荷数据速率为6.81 Mbps。的Ncpb一个符号内的每个突发是8个筹码，候选突发位置的数量(Nhop)是4。系统比特将候选位置集减少50%，并在剩余的2个位置中选择主动突发Nhop基于扩展(突发跳)序列。
IEEE 802.15.4a
IEEE 802.15.4a HRP PHY也采用类似BPRF的BPM-BPSK调制方式。唯一的区别是允许更多的值用于平均PRF和数据速率组合。
具体来说，平均PRF可以是3.9、15.6或62.4 MHz，而数据速率可以是0.11、0.85、1.7、6.81或27.24 Mbps。Ncpb取值为1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、4096。Nhop是2 8或32。的范围Ncpb值使得传输可以比BPRF模式更激进或更保守。
BER曲线计算
对于三种HRP PHY模式中的每一种，本例使用AWGN信道上的端到端模拟，以dB为单位计算EcNo范围[6,32]内的误码率(映射到等效的信噪比值)。
对于IEEE 802.15.4a，平均PRF为15.6 MHz，数据速率为0.11 Mbps。这种组合使Ncpb等于128和Nhop等于8。
msgLen = 2^10 - 8;msg = randi([0 1]，msgLen,1);EcNo = 9:2:35;numSNR = length(EcNo);[berHPRF,berBPRF,ber4a] = deal(0 (1,numSNR));%为每种模式构建固定的配置和波形:cfgHPRF = lrwpanHRPConfig(Mode= . cfg“HPRF”PSDULength = msgLen);waveHPRF = lrwpanWaveformGenerator(msg,cfgHPRF);cfgBPRF = lrwpanHRPConfig(Mode= . cfg“BPRF”CodeIndex = 9, PSDULength = msgLen);waveBPRF = lrwpanWaveformGenerator(msg,cfgBPRF);cfg4a = lrwpanHRPConfig(…模式=“802.15.4a”,…MeanPRF =15.6 mhz的,…DataRate =0.11 mbps的,…CodeIndex = 1,…PSDULength = msgLen);wave4a = lrwpanWaveformGenerator(msg,cfg4a);%计算误码率曲线，直到找到所需的错误数或%已模拟的最大比特数。MAXBITS = msgLen*5;Minerrors = 10;为idx = 1:numSNR“计算EcNo的误码率=%d dB\n”EcNo (idx));errCnt = 0;bitCnt = 0;errHPRF = 0;errBPRF = 0;Err4a = 0;而errCnt < MINERRORS && bitCnt < MAXBITS% HPRF模式SNR = EcNo(idx) - 10*log10(cfgHPRF.SamplesPerPulse);noisyHPRF = awgn(waveHPRF，信噪比);pduhprf = lrwpanWaveformDecoder(noisyHPRF,cfgHPRF);errHPRF = biterr(msg, pduhprf)+errHPRF;% BPRF模式SNR = EcNo(idx) - 10*log10(cfgBPRF.SamplesPerPulse);noisyBPRF = awgn(waveBPRF，信噪比);psduBPRF = lrwpanWaveformDecoder(noisyBPRF,cfgBPRF);errBPRF = biterr(msg,psduBPRF)+errBPRF;%传统802.15.4aSNR = EcNo(idx) - 10*log10(cfg4a.SamplesPerPulse);noisy4a = awgn(wave4a，信噪比);psdu4a = lrwpanWaveformDecoder(noisy4a,cfg4a);Err4a = biterr(msg,psdu4a)+ Err4a;bitcn = bitCnt + msgLen;errCnt = min([errHPRF errBPRF err4a]);结束berHPRF(idx) = errHPRF/bitCnt;berBPRF(idx) = errBPRF/bitCnt;ber4a(idx) = err4a/bitCnt;结束绘制BER曲线图semilogy (EcNo berHPRF,“o”EcNo berBPRF,“- *”EcNo ber4a,”——+ ')传说(HPRF, 27.24 Mbps,BPRF, 6.81 Mbps,…15.4a, 0.11 Mbps,“位置”,“西南”)标题(UWB IEEE 802.15.4a/z物理层的误码率曲线)包含(“EcNo (dB)”) ylabel (“方方面面”网格)在
计算EcNo的BER =9 dB计算EcNo的BER =11 dB计算EcNo的BER =13 dB计算EcNo的BER =15 dB计算EcNo的BER =17 dB计算EcNo的BER =21 dB计算EcNo的BER =25 dB计算EcNo的BER =27 dB计算EcNo的BER =29 dB计算EcNo的BER =31 dB计算EcNo的BER =33 dB计算EcNo的BER =35 dB
误码率曲线结果表明，侵略性调制方案的误码率较高，保守调制方案的误码率较低。较低的数据速率为每个传输的卷积码字使用更多的芯片。更高数量的传输芯片为纠错提供了更多的机会，这在概念上类似于在信道编码中使用更多的奇偶校验位。
进一步的探索
ZigBee和UWB附加组件的通信工具箱库包含以下对象和功能:
lrwpanHRPConfig:HRP波形配置
lrwpanWaveformGenerator:创建IEEE 802.15.4a/z HRP超宽带波形
lrwpanWaveformDecoder:解码HRP IEEE 802.15.4a/z UWB波形
这些实用程序没有文档记录，它们的API或功能将来可能会更改。
选定的参考书目
“IEEE低速率无线网络标准”，IEEE标准802.15.4-2020 (IEEE标准802.15.4-2015修订版)，pp.1-800, 2020年7月23日，doi: 10.1109/IEEESTD.2020.9144691。
“IEEE低速率无线网络标准——修订1:增强超宽带(UWB)物理层(物理层)和相关测距技术”，IEEE标准802.15.4z-2020(修订IEEE标准802.15.4-2020)，pp.1-174, 25 Aug. 2020, doi: 10.1109/IEEESTD.2020.9179124。
