背景

IEEE 802.15.4标准规定了低速率无线个人区域网络(lr - wpan)的PHY层和MAC层[1］．IEEE 802.15.4 PHY和MAC层被更高层次的标准所使用，如ZigBee®、WirelessHart®、6LoWPAN和MiWi。

多种PHY方案在IEEE 802.15.4标准的不同修订中指定:

HRP超宽带PHY的通道带宽为0.5 ~ 1.3 GHz，脉冲时长为2ns。由于用于测距技术的计算依赖于包传输的时间持续时间，额外的短脉冲持续时间使超宽带phy适合于测距应用。时域粒度越细，距离估计误差越小。

本例为三种脉冲重复频率传输模式(802.15.4a、802.15.4z BPRF和HPRF)生成符合标准的HRP UWB 802.15.4a/z波形。对于IEEE 802.15.4a，有效的平均PRF值为3.9、15.6或62.4 MHz。IEEE 802.15.4z修订定义了这两种PRF模式:

打乱时间戳序列(STS)字段是802.15.4z引入的另一个增强数据完整性的关键特性。对于BRPF和HPRF模式，STS字段的传输是可选的。

HRP波形生成配置

的lrwpanHRPConfig对象配置每种传输模式的波形。该表列出了属性、应用它们的条件和有效设置。

的lrwpanWaveformGenerator功能生成HRP超宽带IEEE 802.15.4a/z波形lrwpanHRPConfig对象和PHY业务数据单元(PSDU)作为输入。

IEEE 802.15.4z中的HPRF模式

在IEEE 802.15.4z的较高脉冲重复频率(HPRF)模式下，平均PRF为124.8 MHz或249.6 MHz。由于HPRF模式使用的prf比BPRF或IEEE 802.15.4a更高，因此HPRF模式可以更准确地估计范围。的缺省均值PRFlrwpanHRPConfig对象为249.6 MHz。

此代码确认了ZigBee的通信工具箱库%，安装UWB加载项。commSupportPackageCheck (“无线个域网”）;MSG = randi([0 1]， 1000, 1);cfgHPRF = lrwpanHRPConfig(Mode=“HPRF”PSDULength =长度(味精))% #好< NOPTS >waveHPRF = lrwpanWaveformGenerator(msg, cfgHPRF);lrwpanPlotFrame (waveHPRF cfgHPRF);

cfgHPRF = lrwpanHRPConfig with properties: Channel: 0 Mode: 'HPRF' MeanPRF: ' 2496 mhz ' SamplesPerPulse: 10 STSPacketConfiguration: 1 NumSTSSegments: 1 ActiveSTSLength: 64 CodeIndex: 25 PreambleDuration: 64 SFDNumber: 0 range: 0 ConstraintLength: 3 PSDULength: 1000 Read-only properties: PeakPRF: ' 4992 mhz ' ChipsPerSymbol: [16 8] ConvolutionalCoding: 1 PreambleCodeLength: 91 PreambleSpreadingFactor: 4 SampleRate: 4.9920e+09

HPRF帧由以下字段组成:

同步(SYNC)字段:SYNC字段包含指定的重复次数(Nsync)的一个91个符号的长代码PreambleSpreadingFactor财产。的CodeIndex属性确定使用的代码。（Nsync)指定PreambleDuration财产。

帧开始分隔符(SFD)字段:SFD字段是一个4-、8-、16-或32-符号的序列扩展，其中包含与CodeIndex财产。启动SFD序列的长度由SFDNumber财产。

打乱时间戳序列(STS)字段:STS字段将在下一节中解释。

PHR (PHY Header)字段:PHR字段是一个19位序列，包含6个奇偶校验位，由单错误纠正，双错误检测(SECDED)汉明块码生成。的不等属性决定了13个系统PHR位中的一个。随后，用1/2卷积码对PHR进行卷积编码。的ConstraintLength属性(3或7)在两个速率1/2卷积编码器之间进行选择。

对于HPRF调制方案(见[2])，每个PHR卷积码字被映射到16或32个脉冲序列(平均PRF分别为249.6和124.8 MHz)。脉冲序列由保护间隔隔开。的第一个元素ChipsPerSymbol属性表示每个PHR符号中的脉冲数。

有效载荷:PSDU用(63,55)里德-所罗门码编码。随后，它以1/2的卷积码进行卷积编码(连同PHR)。的ConstraintLength属性(3或7)在两个速率1/2卷积编码器之间进行选择。

对于HPRF调制方案(见[2])，负载的每个卷积码字被映射到8或16个脉冲序列(平均PRF分别为249.6和124.8 MHz)。脉冲序列由保护间隔隔开。的最后一个元素ChipsPerSymbol属性传递每个有效载荷符号中的脉冲数。该图说明了在249.6 MHz平均PRF下的单个负载符号。

图= lrwpanPlotFrame(waveHPRF, cfgHPRF);cfgHPRF hZoomTo1stHPRFPayloadSymbol(图)

符号的第二个和第四个四分之一是保护间隔。第一和第三季度分别包含4个芯片传输。

打乱时间戳序列(STS)

STS字段可用于确保范围估计的真实性。HPRF和BPRF模式可选。的STSPacketConfigurationproperty指定STS字段的初始配置。若要省略STS字段，请指定0为STSPacketConfiguration财产。其他值决定了STS和PHR/载荷在PHY帧中的位置。

STS字段由一个间隙分隔的多个段组成。的NumSTSSegments属性确定段的数量(1到4)和ActiveSTSLength属性确定每个段的长度(16、32、64、128或256是512芯片的倍数)。

此代码配置、生成并可视化包含两个STS段的波形，每个段前后都有间隙。前面的SFD字段的一部分也包括在内。

MSG = randi([0 1]， 2000, 1);cfgSTS = lrwpanHRPConfig(.．.模式=“HPRF”，.．.NumSTSSegments = 2,.．.ActiveSTSLength = 16,.．.PSDULength =长度(味精));waveSTS = lrwpanWaveformGenerator(msg,cfgSTS);lrwpanPlotFrame (waveSTS cfgSTS);ind = lrwpanHRPFieldIndices(cfgSTS);集(gca),“XLim”印第安纳州。STS - [5e3 0])前字段的%部分(SFD)标题(“两段STS田”）

本例中的STS生成创建了STS结构(包括段数、间隙、段长度、STS扩展和脉冲极性)，但不执行AES-128加密。使用随机位代替AES-128输出。要实现AES-128，需要合并aes128Placeholderlrwpan.internal.lrwpanHRPWaveformGenerator的子函数|这个文件。的aes128Placeholder子函数包括计数器和128位V值。

IEEE 802.15.4a/z协议中的BPRF模式

在BPRF模式下，平均PRF为62.4 MHz，数据速率为6.81 Mbps。

BPRF和HPRF模式的关键区别在于，在BPRF中，PHR和有效载荷是用突发位置调制(BPM) BPSK技术调制的。

MSG = randi([0 1]，1016,1);cfgBPRF = lrwpanHRPConfig(Mode=“BPRF”CodeIndex = 9)% #好< NOPTS >waveBPRF = lrwpanWaveformGenerator(msg,cfgBPRF);lrwpanPlotFrame (waveBPRF cfgBPRF);

cfgBPRF = lrwpanHRPConfig with properties: Channel: 0 Mode: 'BPRF' PHRDataRate: '0.85Mbps' SamplesPerPulse: 10 STSPacketConfiguration: 1 CodeIndex: 9 PreambleDuration: 64 SFDNumber: 0 ranging0 PSDULength: 1016 Read-only properties: PeakPRF: ' 4992 mhz ' BurstsPerSymbol: 8 numhopburst: 2 ChipsPerBurst: [64 8] ChipsPerSymbol: [512 64] ConvolutionalCoding: 1 PreambleCodeLength: 127 PreambleSpreadingFactor: 4 SampleRate: 4.9920e+09

BPRF帧包括SYNC和SFD字段，由BPM-BPSK调制。

图= lrwpanPlotFrame(waveBPRF,cfgBPRF);cfgBPRF hZoomToBPMBPSKSymbols(图);

在图中，一条黑色竖线分隔PHR和有效载荷符号持续时间，虚线分隔不同的候选爆发位置。在BPM-BPSK调制中，每个符号持续时间分为4个季度，传输可以在第1季度或第3季度发生。卷积码字的系统位决定传输发生的时间。方法指定的每个季度分为2、8或32个候选爆发NumHopBursts性质和由平均PRF确定。当平均PRF为62.4 MHz (BPRF)时，一个四分之一符号中的候选活动爆发数为2，这相当于每个符号共有8个爆发持续时间。在绘制的PHR和负载符号中，主动传输占用其符号持续时间的1/8。PN序列决定了单突发传输在系统位所确定的四分之一符号中的位置。具体来说，就是随着时间的推移爆发跳变的地方。在选定的爆发位置内，Ncpb芯片传输，如指定的ChipsPerBurst财产。第一个元素包含PHR，最后一个元素包含有效负载。每次爆发的芯片数量由平均PRF和数据速率的组合决定。

PHR: PHR数据速率是850 kbps或6.81 Mbps，由PHRDataRate财产。PHR数据速率为850 kbps，对应每次爆发64个芯片，每个符号512个芯片。PHR数据速率为6.81 Mbps，对应于每次爆发8个芯片，每个符号64个芯片。PHR字段具有与HPRF模式相同的长度(19位)和编码(SECDED和卷积)。

有效载荷:如表15-9a所示[2]，对于BPRF模式，有效载荷数据速率为6.81 Mbps，这对应于每次爆发8个芯片和每个符号持续时间64个芯片。与HPRF模式类似，有效载荷字段使用1/2卷积编码，但对于BPRF，约束长度只能是3。

IEEE 802.15.4a

与BPRF模式类似，IEEE 802.15.4a采用了BPM-BPSK调制方案。这些是遗留15.4a和BPRF模式之间的关键区别。

在802.15.4a配置中，只有当数据速率不是6.81 Mbps时，才能将平均PRF设置为62.4 MHz。6.82 MHz的数据速率对应于BPRF模式。当平均PRF为3.9或15.6 MHz时，代码索引必须在[1,6]的范围内。当平均PRF为62.4 MHz时，代码索引必须在[9,16]或[21,24]的范围内。

MSG = randi([0 1]，800,1);cfg4a = lrwpanHRPConfig(.．.模式=“802.15.4a”，.．.MeanPRF =15.6 mhz的，.．.频道= 3,.．.CodeIndex = 6,.．.PSDULength =长度(味精))% #好< NOPTS >wave4a = lrwpanWaveformGenerator(msg,cfg4a);lrwpanPlotFrame (wave4a cfg4a);

cfg4a = lrwpanHRPConfig with properties: Channel: 3 Mode: '802.15.4a' MeanPRF: '15.6MHz' DataRate: '0.85Mbps' SamplesPerPulse: 10 CodeIndex: 6 PreambleMeanPRF: '16.1MHz' PreambleDuration: 64 ranging0 PSDULength: 800 Read-only properties: PeakPRF: ' 4992 mhz ' BurstsPerSymbol: 32 numhopburst: 8 ChipsPerBurst: 16 ChipsPerSymbol: 512 ConvolutionalCoding: 1 PreambleCodeLength: 31 PreambleSpreadingFactor: 16 SampleRate: 4.9920e+09

射频一致性

本例中生成的所有IEEE 802.15.4a/z波形都是Butterworth脉冲的重复。这样的脉冲是通过将三元符号序列(-1、0或1)传递给巴特沃思滤波器来获得的。

IEEE 802.15.4a/z HRP标准规定了对HRP脉冲的合规性检查(见[1])。具体来说,互相关使用的脉冲与滚离因子为0.5的根凸起余弦脉冲之间，在主(中心)瓣中0.5 ns必须高于0.8，而所有其他副瓣的相互关系必须低于0.3。交叉相关结果如左图所示。

IEEE 802.15.4z修正案规定，传输的脉冲必须符合时域掩盖的图15-13a所示[2］．如右图所示，本例中使用的巴特沃斯脉冲符合发射掩码建议。

lrwpanHRPPulseConformance (cfgHPRF);

IEEE 802.15.4标准为发射功率谱密度PSD指定了掩码(见[1])。的lrwpanHRPTxPSDMask辅助函数显示所生成波形的谱密度，并检查其与谱掩码的一致性。

lrwpanHRPTxPSDMask (waveHPRF cfgHPRF)

使用这些命令，其他生成的波形也可以得到类似的结果。

% lrwpanHRPTxPSDMask (waveBPRF cfgBPRF)% lrwpanHRPTxPSDMask (wave4a cfg4a)

进一步的探索

ZigBee和UWB插件的通信工具箱库包含以下对象和函数:

这些实用程序没有文档记录，它们的API或功能将来可能会改变。要查看这些实用程序的源代码，请使用edit函数。例如，输入:

编辑lrwpanHRPConfig

在MATLAB®命令行打开lrwpanHRPConfig。

选定的参考书目