摘 要： 四相相移键控信号（QPSK）和双载波调制（DCM）是目前使用在由ECMA-368标准所定义的基于多频带正交频分复用技术的超宽带无线电平台中的调制方案。为了传输高速率数据，ECMA-368可提供高达480 Mb/s的瞬时比特率给媒体访问控制层。但由于无线电信道存在着不稳定因素致使数据包丢失，从而产生较低的吞吐量。提出一种高数据速率的双载波32-QAM调制方案，适合配置在现行标准的基础上提高系统吞吐量。
关键词： 多频带正交频分复用；频率分集；双载波32-QAM
超宽带无线电平台已被计划用于对占用较大带宽的无线通信系统进行标准化，特别是在无线个人局域网中使用的无线通信设备，以取代亿万条数据线的使用。在2002年，美国联邦通讯委员会(FCC)批准了免授权使用的3.1 GHz～10.6 GHz(共7 500 MHz)频带向UWB设备开放并限定了超宽带的有效等向辐射功率为-41.3 dBm/MHz。在2005年，WiMedia联盟与ECMA国际组织合作并宣布建立以WiMedia联盟的多频带正交频分复用(MB-OFDM)技术方案的超宽带无线电平台作为全球的超宽带标准。ECMA-368[1]被选择为高数据速率的无线电平台标准，用于实现高速无线通用串行总线、快速蓝牙以及无线高清多媒体接口。
以ECMA-368标准的多频带正交频分复用系统采用正交相移键控（QPSK）和双载波调制（DCM）作为调制方案。ECMA-368可提供高达480 Mb/s的瞬时比特率的高速率传输模式。然而在实际环境中最大数据传输速率480 Mb/s无法实现，这是因为无线电频道条件不稳定，导致数据包被丢弃，需要重新发送被丢弃的数据包，造成吞吐量较低。为了提高比特率，并在实际的系统中适量丢包情况下保证有效的480 Mb/s性能，16-QAM可以用作一种替代DCM的调制方案来增加系统的吞吐量。然而，使用16-QAM只能以速率640 Mb/s完成近1 m的传输。本文提出一种低成本、高性能的调制方案,称为双载波32-QAM，并根据ECMA-368中的要求进行测试，使超宽带系统的吞吐量得以提高。
1 ECMA-368标准的MB-OFDM
ECMA-368标准指定了超宽带系统占用14个子频段。每个子频段为528 MHz的OFDM符号。每个OFDM符号由计算128点快速傅里叶逆变换（IFFT）输出组成，也就是128个子载波，其中包括100个数据子载波、12个导频子载波、6个零值和10个保护子载波。10个保护子载波用于减少符号间干扰(ISI)，位于OFDM符号的两边缘与最外面的5个数据子载波有相同的值。利用保护子载波可以作为另一形式的时间和频率分集来提高接收机性能[2]。
物理层汇聚协议（PLCP）用于完成物理层对媒体访问控制层的接口服务，并为物理层服务数据单元（PSDU）转换物理层汇聚协议数据单元（PPDU）提供了合适方法。故使PPDU由PLCP前导符PLCP包头和PSDU三部分组成并按照传输顺序排列。为了传输一个包含信息的PSDU，ECMA-368应用了不同层次的编码和不同类型的复用构造成8个传输模式，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不同的速率向媒体访问控制层传送。比特流经过比特交织后，把这些已编码和交织的二进制数据序列映射到一个QPSK或者DCM调制的星座图上。由此产生的复数装载到由IFFT生成的和OFDM符号的数据子载波上。图1和图2分别描绘了侧流扰码后的PSDU的编码和解码过程。系统的接收机中应用了低成本、简单而高效的信道估计和均衡器解决方案[3]。
2 双载波32-QAM
2.1 双载波32-QAM调制
当数据速率为320 Mb/s、400 Mb/s和480 Mb/s时，使用四维星座图的DCM可实现的系统性能约3.8 m 480 Mb/s[4]。矩形格雷编码的16-QAM可以用作调制方案来增加系统的吞吐量(从640 Mb/s～960 Mb/s)。然而，在多径传输的干扰下完全不能实现960 Mb/s速率的传输，或以640 Mb/s速率却仅能完成近1 m的传输。
既然16-QAM调制不适合多频带正交频分复用系统的高速率传输，那么更高阶调制方式，如32-QAM、64-QAM等就更不用考虑了。双载波32-QAM调制适用于现有ECMA-368标准的结构，使更多的信息比特映射到一个OFDM符号中，同时也能提供足够的欧几里德符号距离来维持在较高的传输速率，使数据在多径环境中成功传输。经过位交织处理后，1 500个已编码和交织位需要被划分成250位为一组，然后再组合成50组，每组5位重新排序。每一组的5位表示为：
每个双载波32-QAM符号在星座图中有相等区域给对应的信息位。双载波32-QAM调制在两个OFDM数据子载波中有两个不同的星象映射图，如图3所示。此外，星座点定位在圆形的位点上，可提供恒定功率到每个双载波32-QAM符号，这意味着对自动增益控制和模拟数字转换器较低幅度冲击的影响。
两个双载波32-QAM符号(yT(k)，yT(k+50))被分配到相隔50个子载波的两个独立OFDM数据子载波上来实现频率分集，如图4所示。128点的IFFT模块需要100个双载波32-QAM符号组成一个OFDM符号。DCM调制技术利用频率分集能有良好的性能提升[5]。双载波32-QAM也将使用大带宽隔离以实现频率分集。每个OFDM子载波占用的带宽约为4 MHz，与两个复数(IT(k)，QT(k)) 和(IT(k+50)，QT(k+50))相关的两个OFDM数据子载波之间的带宽至少有200 MHz，因此所产生的频率分集能更有效地对抗信道深衰落,将有利于恢复交错映射到两个双载波32-QAM符号中的5个信息位。
2.2 双载波32-QAM解调
通过均衡得到的两个复数值对应于发射时不同的数据子载波，由双载波32-QAM利用软比特方法进行解映射得到5位软比特，然后按顺序输出250位的软比特组。映射和位交织还原得到的软比特通过维特比译码器来恢复原始的信息位。bg(k)+50、bg(k)+51、bg(k)+100、bg(k)+101中每一位的软比特值完全对应于I/Q的幅度。除此之外，每个软比特根据它们相对应的(IR(k)，QR(k))和(IR(k+50)，QR(k+50))符号进行映射还原。不使用常化因子不影响映射还原的效果。对yR(k)进行映射还原的方法是：如果接收的符号是其靠近于I轴的星象图定点，映射还原值可认作为‘1’；如果接收的符号是其靠近于Q轴的星象图定点，映射还原值可认作为‘0’。然而，对yR(k+50)进行映射还原的方法是，如果接收的符号是其靠近于I轴的星象图定点，映射还原值可认作为‘0’；如果接收的符号是其靠近于Q轴的星象图定点，映射还原值可认作为‘1’。bg(k)所占区域在两个星象图的映射是不同的，对yR(k)和yR(k+50)所对应I和Q的值不能直接合并。因此，先对所在映射区域每一个接收的符号的欧几里得进行度量，然后把两个欧几里德的度量值相加作为bg(k)的软比特值。
在OFDM调制中，OFDM子载波受到不同的影响，如回声、强衰落等。特别是在处理频域均衡时噪声的影响会降低解映射的软判断。每个OFDM子载波有一个可靠动态值的估算，称为信道状态信息(CSI)，可提高信道解码器的纠错性能[4]。每个数据子载波存在不同的CSI，它们是基于相应频率的信道功率的估算。每个数据的载波在不同频带传输时有着不同的CSI。映射到两个符号的bg(k)被调制为两个OFDM数据子载波，产生与两个OFDM数据子载波相关的两个CSI值。如果一个较小或较大的CSI值被选择作为一个可靠的比例项，会导致不同OFDM数据子载波信号功率的不平等。采用CSI的平均值赋予bg(k)。双载波32-QAM由CSI辅助解映射得到的5个软比特的公式如下所示：
3 系统性能测量与比较
3.1 测试配置
该系统是在Foerster的信道模型1（CM1）[6]中具有现实性多径信道环境的100个信道进行模拟仿真，并要与ECMA-368测试的要求一致。所有仿真结果平均取值于超过2 000个数据包的传输，其中在PSDU里的每个数据包要有1 024 B，并取90%信道作为有效结果（舍去最差的10%信道实现结果）。链接成功的概率被定义为系统在90%信道中可以成功地获得和解调包，所得的误包率小于8％（若有一个比特错误，一个数据包为接收错误）[7]。在定点运算的系统里严格地遵守系统时序要求，使用时间频率码(TFC=1)的跳频特性，加入2.5 dB的实现损耗[7]。
3.2 16-QAM、双载波32-QAM与DCM的系统性能比较
为了比较16-QAM、双载波32-QAM和DCM调制技术的性能，需设置相同的系统编码率。在改变调制和相应的位交织方式的情况下，采用16-QAM能提高系统吞吐量到640 Mb/s, 采用双载波32-QAM吞吐量为600 Mb/s，而采用DCM吞吐量为480 Mb/s。从图5可以看出， 双载波32-QAM能成功传输并接近DCM的性能。若使用16-QAM在960 Mb/s速率传输就不实现链接。或者通过改变编码模式来降低数据速率，使用16-QAM的系统传输距离仅为1.2 m。若使用双载波32-QAM能实现系统传输距离为3.4 m，接近于DCM的3.8 m 480 Mb/s。在多径环境下传输，尽管会有适量的数据包丢失也能使有效速率达到480 Mb/s。
ECMA-368给高速无线个人局域网提供了一个功能强大的无线传输解决方案和低成本的无线服务。要创建一个市场可以接受的ECMA-368解决方案，设备不仅要符合标准，还需要成本效益和低功耗、高性能的解决方案。本文提出了改善成本效益和高性能的调制方案，双载波32-QAM可适用在ECMA-368的配置中。此调制方案在3.4 m的多径环境中的成功链接，使系统的吞吐量提高到600 Mb/s，还保持输出恒定的调制符号能量，这有利于自动增益控制和模拟数字转换器的工作。
参考文献
[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] 杨润丰，卞建勇，杨洋.适用于MB-OFDM系统的高效均衡器[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.