楊潤豐，李銘釗

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣東 東莞523808；2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100846)

超寬帶無線電平臺(tái)已被計(jì)劃用于對(duì)占用較大帶寬的無線通信系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，特別是在無線個(gè)人局域網(wǎng)中使用的無線通信設(shè)備，以取代億萬條數(shù)據(jù)線的使用。在2002年，美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)了免授權(quán)使用的3.1 GHz～10.6 GHz(共 7 500 MHz)頻帶向 UWB 設(shè)備開放并限定了超寬帶的有效等向輻射功率為-41.3 dBm/MHz。在2005年，WiMedia聯(lián)盟與ECMA國際組織合作并宣布建立以WiMedia聯(lián)盟的多頻帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDM)技術(shù)方案的超寬帶無線電平臺(tái)作為全球的超寬帶標(biāo)準(zhǔn)。ECMA-368[1]被選擇為高數(shù)據(jù)速率的無線電平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)高速無線通用串行總線、快速藍(lán)牙以及無線高清多媒體接口。

以ECMA-368標(biāo)準(zhǔn)的多頻帶正交頻分復(fù)用系統(tǒng)采用正交相移鍵控（QPSK）和雙載波調(diào)制（DCM）作為調(diào)制方案。ECMA-368可提供高達(dá)480 Mb/s的瞬時(shí)比特率的高速率傳輸模式。然而在實(shí)際環(huán)境中最大數(shù)據(jù)傳輸速率480 Mb/s無法實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)闊o線電頻道條件不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包被丟棄，需要重新發(fā)送被丟棄的數(shù)據(jù)包，造成吞吐量較低。為了提高比特率，并在實(shí)際的系統(tǒng)中適量丟包情況下保證有效的480 Mb/s性能，16-QAM可以用作一種替代DCM的調(diào)制方案來增加系統(tǒng)的吞吐量。然而，使用16-QAM只能以速率640 Mb/s完成近1 m的傳輸。本文提出一種低成本、高性能的調(diào)制方案,稱為雙載波32-QAM，并根據(jù)ECMA-368中的要求進(jìn)行測(cè)試，使超寬帶系統(tǒng)的吞吐量得以提高。

1 ECMA-368標(biāo)準(zhǔn)的MB-OFDM

ECMA-368標(biāo)準(zhǔn)指定了超寬帶系統(tǒng)占用14個(gè)子頻段。每個(gè)子頻段為528 MHz的OFDM符號(hào)。每個(gè)OFDM符號(hào)由計(jì)算128點(diǎn)快速傅里葉逆變換（IFFT）輸出組成，也就是128個(gè)子載波，其中包括100個(gè)數(shù)據(jù)子載波、12個(gè)導(dǎo)頻子載波、6個(gè)零值和10個(gè)保護(hù)子載波。10個(gè)保護(hù)子載波用于減少符號(hào)間干擾(ISI)，位于OFDM符號(hào)的兩邊緣與最外面的5個(gè)數(shù)據(jù)子載波有相同的值。利用保護(hù)子載波可以作為另一形式的時(shí)間和頻率分集來提高接收機(jī)性能[2]。

物理層匯聚協(xié)議（PLCP）用于完成物理層對(duì)媒體訪問控制層的接口服務(wù)，并為物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元 （PSDU）轉(zhuǎn)換物理層匯聚協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）提供了合適方法。故使PPDU由PLCP前導(dǎo)符PLCP包頭和PSDU三部分組成并按照傳輸順序排列。為了傳輸一個(gè)包含信息的PSDU，ECMA-368應(yīng)用了不同層次的編碼和不同類型的復(fù)用構(gòu)造成8個(gè)傳輸模式，以53.3 Mb/s、80 Mb/s、106.7 Mb/s、160 Mb/s、200 Mb/s、320 Mb/s、400 Mb/s 和480 Mb/s不同的速率向媒體訪問控制層傳送。比特流經(jīng)過比特交織后，把這些已編碼和交織的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列映射到一個(gè)QPSK或者DCM調(diào)制的星座圖上。由此產(chǎn)生的復(fù)數(shù)裝載到由IFFT生成的和OFDM符號(hào)的數(shù)據(jù)子載波上。圖1和圖2分別描繪了側(cè)流擾碼后的PSDU的編碼和解碼過程。系統(tǒng)的接收機(jī)中應(yīng)用了低成本、簡(jiǎn)單而高效的信道估計(jì)和均衡器解決方案[3]。

圖1 側(cè)流擾碼的PSDU在發(fā)射機(jī)中的編碼過程

圖2 側(cè)流擾碼的PSDU在接收機(jī)中的解碼過程

2 雙載波32-QAM

2.1 雙載波32-QAM調(diào)制

當(dāng)數(shù)據(jù)速率為 320 Mb/s、400 Mb/s和 480 Mb/s時(shí)，使用四維星座圖的DCM可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性能約3.8 m 480 Mb/s[4]。矩形格雷編碼的16-QAM可以用作調(diào)制方案來增加系統(tǒng)的吞吐量(從640 Mb/s～960 Mb/s)。然而，在多徑傳輸?shù)母蓴_下完全不能實(shí)現(xiàn)960 Mb/s速率的傳輸，或以640 Mb/s速率卻僅能完成近1 m的傳輸。

既然16-QAM調(diào)制不適合多頻帶正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的高速率傳輸，那么更高階調(diào)制方式，如32-QAM、64-QAM等就更不用考慮了。雙載波32-QAM調(diào)制適用于現(xiàn)有ECMA-368標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，使更多的信息比特映射到一個(gè)OFDM符號(hào)中，同時(shí)也能提供足夠的歐幾里德符號(hào)距離來維持在較高的傳輸速率，使數(shù)據(jù)在多徑環(huán)境中成功傳輸。經(jīng)過位交織處理后，1 500個(gè)已編碼和交織位需要被劃分成250位為一組，然后再組合成50組，每組5位重新排序。每一組的5位表示為：

其 中 ，k∈[0，… ，49]，(bg(k)+50，bg(k)+51，bg(k)+100，bg(k)+101)交 錯(cuò)映射到兩個(gè)QPSK符號(hào)——(xg(k)+jxg(k)+50)和(xg(k)+1+jxg(k)+51)，如式(2)所示。

這兩對(duì)比特位不是連續(xù)順序的比特流。bg(k)+50和bg(k)+100映射到一個(gè)QPSK符號(hào)，而bg(k)+51和bg(k)+101映射到另一個(gè)QPSK符號(hào)，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)位交織來應(yīng)對(duì)突發(fā)誤碼。根據(jù)bg(k)的值把這兩個(gè)QPSK符號(hào)調(diào)制到兩個(gè)雙載波 32-QAM 符 號(hào)(yT(k)，yT(k+50))中 ，如 式(3)所 示 ，其 中

其中：

每個(gè)雙載波32-QAM符號(hào)在星座圖中有相等區(qū)域給對(duì)應(yīng)的信息位。雙載波32-QAM調(diào)制在兩個(gè)OFDM數(shù)據(jù)子載波中有兩個(gè)不同的星象映射圖，如圖3所示。此外，星座點(diǎn)定位在圓形的位點(diǎn)上，可提供恒定功率到每個(gè)雙載波32-QAM符號(hào)，這意味著對(duì)自動(dòng)增益控制和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器較低幅度沖擊的影響。

兩個(gè)雙載波 32-QAM符號(hào)(yT(k)，yT(k+50))被分配到相隔50個(gè)子載波的兩個(gè)獨(dú)立OFDM數(shù)據(jù)子載波上來實(shí)現(xiàn)頻率分集，如圖4所示。128點(diǎn)的IFFT模塊需要100個(gè)雙載波32-QAM符號(hào)組成一個(gè)OFDM符號(hào)。DCM調(diào)制技術(shù)利用頻率分集能有良好的性能提升[5]。雙載波32-QAM也將使用大帶寬隔離以實(shí)現(xiàn)頻率分集。每個(gè)OFDM子載波占用的帶寬約為 4 MHz，與兩個(gè)復(fù)數(shù)(IT(k)，QT(k))和(IT(k+50)，QT(k+50))相關(guān)的兩個(gè) OFDM數(shù)據(jù)子載波之間的帶寬至少有200 MHz，因此所產(chǎn)生的頻率分集能更有效地對(duì)抗信道深衰落,將有利于恢復(fù)交錯(cuò)映射到兩個(gè)雙載波32-QAM符號(hào)中的5個(gè)信息位。

2.2 雙載波32-QAM解調(diào)

通過均衡得到的兩個(gè)復(fù)數(shù)值對(duì)應(yīng)于發(fā)射時(shí)不同的數(shù)據(jù)子載波，由雙載波32-QAM利用軟比特方法進(jìn)行解映射得到5位軟比特，然后按順序輸出250位的軟比特組。映射和位交織還原得到的軟比特通過維特比譯碼器來恢復(fù)原始的信息位。 bg(k)+50、bg(k)+51、bg(k)+100、bg(k)+101中每一位的軟比特值完全對(duì)應(yīng)于I/Q的幅度。除此之外，每個(gè)軟比特根據(jù)它們相對(duì)應(yīng)的(IR(k)，QR(k))和(IR(k+50)，QR(k+50))符號(hào)進(jìn)行映射還原。不使用?；蜃硬挥绊懹成溥€原的效果。對(duì)yR(k)進(jìn)行映射還原的方法是：如果接收的符號(hào)是其靠近于 I軸的星象圖定點(diǎn)，映射還原值可認(rèn)作為‘1’；如果接收的符號(hào)是其靠近于Q軸的星象圖定點(diǎn)，映射還原值可認(rèn)作為‘0’。然而，對(duì)yR(k+50)進(jìn)行映射還原的方法是，如果接收的符號(hào)是其靠近于I軸的星象圖定點(diǎn)，映射還原值可認(rèn)作為‘0’；如果接收的符號(hào)是其靠近于Q軸的星象圖定點(diǎn)，映射還原值可認(rèn)作為‘1’。bg(k)所占區(qū)域在兩個(gè)星象圖的映射是不同的，對(duì)yR(k)和 yR(k+50)所對(duì)應(yīng)I和Q的值不能直接合并。因此，先對(duì)所在映射區(qū)域每一個(gè)接收的符號(hào)的歐幾里得進(jìn)行度量，然后把兩個(gè)歐幾里德的度量值相加作為bg(k)的軟比特值。

在OFDM調(diào)制中，OFDM子載波受到不同的影響，如回聲、強(qiáng)衰落等。特別是在處理頻域均衡時(shí)噪聲的影響會(huì)降低解映射的軟判斷。每個(gè)OFDM子載波有一個(gè)可靠動(dòng)態(tài)值的估算，稱為信道狀態(tài)信息(CSI)，可提高信道解碼器的糾錯(cuò)性能[4]。每個(gè)數(shù)據(jù)子載波存在不同的CSI，它們是基于相應(yīng)頻率的信道功率的估算。每個(gè)數(shù)據(jù)的載波在不同頻帶傳輸時(shí)有著不同的CSI。映射到兩個(gè)符號(hào)的bg(k)被調(diào)制為兩個(gè)OFDM數(shù)據(jù)子載波，產(chǎn)生與兩個(gè)OFDM數(shù)據(jù)子載波相關(guān)的兩個(gè)CSI值。如果一個(gè)較小或較大的CSI值被選擇作為一個(gè)可靠的比例項(xiàng)，會(huì)導(dǎo)致不同OFDM數(shù)據(jù)子載波信號(hào)功率的不平等。采用CSI的平均值賦予bg(k)。雙載波32-QAM由CSI輔助解映射得到的5個(gè)軟比特的公式如下所示：

3 系統(tǒng)性能測(cè)量與比較

3.1 測(cè)試配置

該系統(tǒng)是在 Foerster的信道模型 1（CM1）[6]中具有現(xiàn)實(shí)性多徑信道環(huán)境的100個(gè)信道進(jìn)行模擬仿真，并要與ECMA-368測(cè)試的要求一致。所有仿真結(jié)果平均取值于超過2 000個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸，其中在PSDU里的每個(gè)數(shù)據(jù)包要有1 024 B，并取90%信道作為有效結(jié)果（舍去最差的10%信道實(shí)現(xiàn)結(jié)果）。鏈接成功的概率被定義為系統(tǒng)在90%信道中可以成功地獲得和解調(diào)包，所得的誤包率小于8%（若有一個(gè)比特錯(cuò)誤，一個(gè)數(shù)據(jù)包為接收錯(cuò)誤）[7]。在定點(diǎn)運(yùn)算的系統(tǒng)里嚴(yán)格地遵守系統(tǒng)時(shí)序要求，使用時(shí)間頻率碼(TFC=1)的跳頻特性，加入2.5 dB的實(shí)現(xiàn)損耗[7]。

3.2 16-QAM、雙載波32-QAM與DCM的系統(tǒng)性能比較

為了比較16-QAM、雙載波32-QAM和DCM調(diào)制技術(shù)的性能，需設(shè)置相同的系統(tǒng)編碼率。在改變調(diào)制和相應(yīng)的位交織方式的情況下，采用16-QAM能提高系統(tǒng)吞吐量到640 Mb/s,采用雙載波32-QAM吞吐量為600 Mb/s，而采用DCM吞吐量為480 Mb/s。從圖5可以看出，雙載波32-QAM能成功傳輸并接近DCM的性能。若使用16-QAM在960 Mb/s速率傳輸就不實(shí)現(xiàn)鏈接?；蛘咄ㄟ^改變編碼模式來降低數(shù)據(jù)速率，使用16-QAM的系統(tǒng)傳輸距離僅為1.2 m。若使用雙載波32-QAM能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸距離為3.4 m，接近于DCM的3.8 m 480 Mb/s。在多徑環(huán)境下傳輸，盡管會(huì)有適量的數(shù)據(jù)包丟失也能使有效速率達(dá)到480 Mb/s。

ECMA-368給高速無線個(gè)人局域網(wǎng)提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的無線傳輸解決方案和低成本的無線服務(wù)。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)市場(chǎng)可以接受的ECMA-368解決方案，設(shè)備不僅要符合標(biāo)準(zhǔn)，還需要成本效益和低功耗、高性能的解決方案。本文提出了改善成本效益和高性能的調(diào)制方案，雙載波32-QAM可適用在ECMA-368的配置中。此調(diào)制方案在3.4 m的多徑環(huán)境中的成功鏈接，使系統(tǒng)的吞吐量提高到600 Mb/s，還保持輸出恒定的調(diào)制符號(hào)能量，這有利于自動(dòng)增益控制和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的工作。

[1]ECMA International.ECMA-368：high rate ultra wideband PHY and MAC standard[S].2008.

[2]SHERRATT R S，YANG R.A dual QPSK soft-demapper for multiband OFDM exploiting time-domain spreading and guard interval diversity[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2007，53(1)：46-49.

[3]楊潤豐，卞建勇，楊洋.適用于 MB-OFDM系統(tǒng)的高效均衡器[J].硅谷，2011(3)：163-165.

[4]Yang Runfeng，SHERRATT R S.Multiband OFDM modulation and demodulation for ultra wideband communications[C].in：Novel Applications of The UWB Technologies，Croatia，InTech，2011.

[5]YANG R，SHERRATT R S.Dual carrier modulation demapping methods and performances for Wireless USB[C].the 9th Annual Postgraduate Symposium(PGNET 2008)，Liverpool，UK，2008.

[6]FOERSTER J.Channel modeling sub-committee report final[C].IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks(WPANs)，IEEE P802.15-02/490-SG3a.2003.

[7]Multiband OFDM Alliance Special Interest Group.Multiband OFDM physical layer proposal for IEEE 802.15.3a[S].IEEE P802.15-03/268r3，2004.