基于超寬帶系統(tǒng)MIMO 雙載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)

楊潤豐,李銘釗,駱春波

1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院,廣東 東莞 523808

2.中電數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司,北京 100191

3.英國埃克塞特大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)系,英國EX4 4QF.

目前，采用單個(gè)天線傳輸信息的超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)速率200 Mb/s 距離10 m 至速率600 Mb/s 距離3 m 的傳輸性能[1-3]。然而，UWB 系統(tǒng)在高速率模式下的通信覆蓋范圍有限，在無線個(gè)人局域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN)沒能獲得廣泛應(yīng)用。多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是一種成熟的多天線技術(shù)，它能夠擴(kuò)展無線通信系統(tǒng)的鏈路覆蓋范圍。國內(nèi)外學(xué)者開始在UWB 頻譜的無線個(gè)人局域網(wǎng)中開展MIMO 技術(shù)應(yīng)用的研究，通過利用時(shí)間、空間和頻率分集，提出滿足UWB 系統(tǒng)MIMO 配置的不同發(fā)射和接收技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)最大的分集增益[4,5]。結(jié)合UWB 系統(tǒng)運(yùn)行模式的特點(diǎn)和要求，本文提出MIMO 雙載波調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，使系統(tǒng)支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并能保持更遠(yuǎn)的傳輸距離。

1 系統(tǒng)與信道模型

UWB 系統(tǒng)配置了多速率的數(shù)據(jù)傳輸模式。在UWB 系統(tǒng)物理層發(fā)射端（見圖1），經(jīng)過編碼交織處理比特流再通過快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）把復(fù)數(shù)值調(diào)制到正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）符號的數(shù)據(jù)子載波上。在UWB 系統(tǒng)物理層接收端基，接收信號在頻域經(jīng)均衡處理后通過進(jìn)行軟判斷信息數(shù)據(jù)的原始值。此外，信息數(shù)據(jù)的還原還通過信道狀態(tài)信息的比例分配輸出軟解調(diào)值進(jìn)行判斷。工作頻譜劃分為兩個(gè)頻帶組，分別是4.2 GHz～4.8 GHz 和6.0 GHz～9.0 GHz。信道模型采用IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的UWB 測試信道模型[6]。該模型定義4 個(gè)不同范圍的獨(dú)立無線電環(huán)境，并在UWB 信道響應(yīng)離散化過程中使用0.167 ns 的采樣周期。在該標(biāo)準(zhǔn)模型中，多徑衰落的幅度反映了由于信道的濾波效應(yīng)在接收機(jī)處產(chǎn)生的信號分布。通過對室內(nèi)環(huán)境的實(shí)測和隨機(jī)分析，得到了接收信號云的特性。該模型信道特性的屬性及比例是極其重要，具體包括集群到達(dá)率、射線到達(dá)率、集群衰減因子、多路徑遮蔽效應(yīng)的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差對數(shù)正態(tài)分布、集群衰減的標(biāo)準(zhǔn)偏差、射線衰減的標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均超額延時(shí)、平方根延時(shí)、10 分貝功率峰值范圍內(nèi)的顯著路徑個(gè)數(shù)、信道能量平均值偏差、信道能量標(biāo)準(zhǔn)值等參數(shù)。功率延遲曲線和均方根延遲分布符合通信信道標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 超寬帶發(fā)射端基帶模型Fig.1 UWB transmitter baseband model

圖2 超寬帶接收端基帶模型Fig.2 UWB receiver baseband model

2 MIMO雙載波調(diào)制

雙載波調(diào)制（Dual Carrier Modulation,DCM）是UWB 系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)傳輸率320 Mb/s 及更高數(shù)據(jù)傳輸模式的調(diào)制技術(shù)。為了解決編碼信息被調(diào)制在單一載波無線信道上傳輸不穩(wěn)定和不可靠的問題，通過頻率分集技術(shù)，使用兩個(gè)相隔200 MHz 的單獨(dú)IFFT 載波加載雙載波調(diào)制符號，每個(gè)雙載波調(diào)制符號攜帶相位和正交相位兩個(gè)分量，即對應(yīng)4 個(gè)比特信息。由于每兩個(gè)子載波之間相隔50 個(gè)IFFT 子載波，這頻率分集技術(shù)讓關(guān)聯(lián)的調(diào)制符號產(chǎn)生兩個(gè)不同功率的信號。每個(gè)雙載波調(diào)制符號映射到對應(yīng)生成2 個(gè)頻率分集的OFDM 符號幀。那么，通過MIMO 雙載波調(diào)制技術(shù)處理后將產(chǎn)生4個(gè)OFDM 符號幀。

MIMO 雙載波調(diào)制增加了調(diào)制信息位的使用。信息位經(jīng)過位交織處理后，每5 位組成一組數(shù)據(jù)，其中每兩組（g1、g2）中的第5 位（b5）相同，作為選擇不同映射方式的驅(qū)動位。該方法的核心是將每兩個(gè)QPSK 符號的實(shí)部相互交叉插入，再生成兩個(gè)復(fù)數(shù)符號。即每兩組的前4 位映射生成4 個(gè)四相相移鍵控信號（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）符號，見公式1-4。其中，c(n)=2n，n∈{0…24}，2n+50，n∈{25…49}。然后，根據(jù)第5 位（b5）的極性把4 個(gè)QPSK 復(fù)數(shù)符號轉(zhuǎn)化為4 個(gè)八相相移鍵控（8 PSK）調(diào)制符號。此8 PSK 調(diào)制符號相隔j2π/16（即載波相位差22.2°）形成星座點(diǎn)（見圖3）。此外，星座點(diǎn)位置按d1=1，d2=2.41 距離度量。

圖3 雙8PSK 星象圖映射Fig.3 Dual 8-ary PSK constellations

當(dāng)b5=0 時(shí) 當(dāng)b5=1 時(shí)

以上公式中m=1,2….8 代表8 PSK 調(diào)制符號在星座圖中的序號，real{·}和imag{·}分別表示計(jì)算輸入函數(shù)的實(shí)部和虛部。為了提高系統(tǒng)抗突發(fā)錯(cuò)誤和深度衰落的能力，基帶處理進(jìn)一步使用位交織形成（bc(n)+50，bc(n)+51，bc(n)+100，bc(n)+101）序列，應(yīng)用在正交復(fù)符號中。此外，為了提供對信道深衰落的頻率分集增益，兩組頻譜數(shù)據(jù)相隔50 個(gè)IFFT 子載波，即間隔200 MHz 帶寬，按頻率分集的方式分配數(shù)據(jù)幀。從以上的配置實(shí)現(xiàn)MIMO 雙載波調(diào)制模式。

3 MIMO雙載波解調(diào)

接收端的解映射處理使用兩個(gè)星座圖組合表示相同符號的子載波。每個(gè)接收符號包含該特定符號同相位和正交相位分量的兩個(gè)子載波由50 個(gè)FFT 子載波分離。為了增加單個(gè)接收符號的功率譜及簡化檢測，在系統(tǒng)解調(diào)處理時(shí)需要考慮每個(gè)接收支路中兩個(gè)符號的組合。在接收端，根據(jù)接收信號的實(shí)部、虛部和五位數(shù)據(jù)幀的第5 位（b5）在8 PSK 星象圖中的估算位置來獲取原發(fā)射的4 位數(shù)據(jù)信息（bc(n)+50，bc(n)+51，bc(n)+100，bc(n)+101）。把所有接收信號幀中的復(fù)數(shù)符號的實(shí)部和虛部進(jìn)行分別比較。每個(gè)OFDM 符號幀對應(yīng)兩組50 個(gè)調(diào)制符號，其中50 個(gè)符號對應(yīng)于第一頻譜，另外50 個(gè)符號對應(yīng)第二頻譜。在解碼過程中，利用符號間的歐氏距離計(jì)量方法還原最接近的發(fā)射符號。每個(gè)符號在其對應(yīng)的信道中需進(jìn)行8 個(gè)距離值的比較計(jì)算，并對50 個(gè)PSK 符號進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。歐氏距離的計(jì)算不受正交頻分和信道影響。各個(gè)符號的歐氏距離由公式13-16 表達(dá)為：

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 系統(tǒng)測試設(shè)置

系統(tǒng)使用了共40 臺六核CPU 計(jì)算機(jī)在MATLAB 平臺中運(yùn)行仿真測試。使用頻率分集和兩個(gè)射頻天線發(fā)送數(shù)據(jù)。在每個(gè)物理層協(xié)議服務(wù)數(shù)據(jù)集中設(shè)置2500 個(gè)數(shù)據(jù)單元，每個(gè)數(shù)據(jù)單元的大小為2048 個(gè)字節(jié)，識包率設(shè)置為8%，取90%信道測試的平均值為有效結(jié)果。在MIMO 配置中，需要考慮到收發(fā)端雙天線元件對系統(tǒng)性能和信道衰落效應(yīng)的影響，最大噪聲參數(shù)值為6 dB，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)損耗最大值為3 dB，設(shè)其它損耗的最大值為3 dB。在超寬帶測試信道的4 個(gè)模型(CM1-CM4)中進(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算仿真測試。因?yàn)閁WB 信道對接收信號到達(dá)時(shí)間沒有要求，其帶寬不受限制。在仿真過程中通過調(diào)整采樣周期，進(jìn)行濾波和二次采樣轉(zhuǎn)換。二次采樣周期為2.672 ns（0.167×16），即采樣指數(shù)乘以16。為了去除抽取二次采樣時(shí)的混疊效應(yīng)，在仿真測試中使用抗混疊濾波或復(fù)下變頻轉(zhuǎn)換碼。

4.2 系統(tǒng)性能測量比較

系統(tǒng)在使用單天線的雙載波調(diào)制解調(diào)模式時(shí)，傳輸速率為600 Mb/s，在信道CM2 中實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)的傳輸距離約為3.8 m。系統(tǒng)在提出的雙天線MIMO 模型配置中，傳輸速率為1.2 Gb/s，在信道CM2中實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)的傳輸距離約為4 m（見圖5）。從圖中可以清楚地看出，所提出的實(shí)現(xiàn)雙天線的模型優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的單模型傳輸。系統(tǒng)使用兩個(gè)調(diào)制模式在非視線的多徑傳播信道（CM2）中的通信覆蓋范圍相近，兩者都不超過4 m，但雙天線MIMO 雙載波調(diào)制使系統(tǒng)的吞吐量提高一倍。通過CM3 和CM4測量所得的系統(tǒng)性能不滿足使用需求。這說明了不管使用哪種調(diào)制模式，系統(tǒng)都不適合在超過4 m的非視線多徑傳播信道中進(jìn)行的高速數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 單天線雙載波調(diào)制解調(diào)600 Mb/s 系統(tǒng)性能Fig.4 Performance in 600 Mb/s with a single antenna

圖5 雙天線MIMO 雙載波調(diào)制解調(diào)1.2 Gb/s 系統(tǒng)性能Fig.5 Performance in 1.2 Gb/s with two antennas

5 結(jié)論

本文基于多頻帶正交頻分多天線集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了MIMO雙載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)，使UWB系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最高數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1.2 Gb/s和最遠(yuǎn)通信覆蓋范圍達(dá)4 m。在保持快速處理和低功耗的前提下，使UWB系統(tǒng)能夠支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并能保持更遠(yuǎn)的傳輸距離。這將為MIMO UWB技術(shù)無線個(gè)人局域網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用中打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。