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一種適用于60 GHz脈沖通信系統(tǒng)的Rake均衡接收新方案

作者:張毅

1  引言

  數(shù)字多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展,促使人們對無線傳輸?shù)乃俾市枨蟛粩嘣黾,視頻、音頻等應用的不斷發(fā)展在大大提高用戶體驗的同時,對無線傳輸技術(shù)也提出了更高的要求。60 CHz毫米波技術(shù)因其帶寬大、速率高、適合短距離傳輸?shù)葍?yōu)勢成為研究趨勢。在60 GHz頻段上,氧氣吸收效應明顯,無線傳輸衰減高達15 dB/km,這使得60 GHz空間隔離度很高且傳輸安全性很好,并且60 GHz頻段巨大的免授權(quán)帶寬資源可支持Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。在60 GHz頻帶上運行的WiGig (wireless gigabit,無線吉比特)技術(shù),不僅能滿足高分辨率視頻信號、大文件的傳輸需求,而且HDMI、Display Pon、PCIe和USB等都可以適配到WiGig MAC層進行傳輸,這吸引了學術(shù)界以及工業(yè)界極大的興趣。第五代(5G)移動通信將在室內(nèi)外局部熱點區(qū)域為用戶提供數(shù)十Gbit/s的峰值速率,60 GHz頻段被列為重點候選頻段。隨著60 GHz無線通信技術(shù)應用需求的不斷增加,半導體加工工藝的不斷進步,制造小體積、低成本、高性能的60 GHz芯片也逐漸成為可能。因此,60 CHz高速無線通信的研究已經(jīng)成為未來無線技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

  現(xiàn)有60 CHz通信系統(tǒng)物理層方案大多采用載波通信進行傳輸,而載波通信系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)復雜、功耗高、對信道中的多徑衰落敏感等缺點,因此在60 GHz無線通信系統(tǒng)中采用載波通信將使整個系統(tǒng)的復雜度和成本大大提高。60 GHz脈沖通信系統(tǒng)通過將脈沖通信技術(shù)應用在60 GHz頻段,既提高了UWB (ultra wideband)系統(tǒng)的通信容量和傳輸速率,又最大限度地降低了功耗并節(jié)約了成本。設計實現(xiàn)了一種60 GHz超寬帶脈沖發(fā)射機,脈沖周期只有100 ps,證明了在60 GHz頻段以脈沖信號為載體進行通信是可實現(xiàn)的。在60 CHz通信

環(huán)境中多徑效應明顯,研究了60 CHz脈沖通信系統(tǒng)的接收方案,提出采用兩徑的Rake接收機能夠有效解決系統(tǒng)中的多徑衰落問題。然而,針對60 GHz多徑效應問題的研究均集中在多徑衰落引起的能量彌散上,沒有考慮符號間干擾(inter symbol interference,ISI)對系統(tǒng)的影響。研究表明,在60 GHz多徑環(huán)境下進行超過Gbit/s的超高速傳輸將產(chǎn)生嚴重的ISI。因此針對這一問題,研究一種對抗系統(tǒng)多徑衰落并消除符號間干擾的接收方案,以滿足60 CHz脈沖通信系統(tǒng)高速、可靠的傳輸要求是十分必要的。

  本文搭建了60 GHz脈沖通信系統(tǒng)仿真平臺,對60 GHz脈沖通信系統(tǒng)中符號間干擾問題進行了理論分析與數(shù)值仿真,設計了一種Rake接收機聯(lián)合均衡器的接收方案,通過仿真分析了接收方案中均衡抽頭數(shù)、均衡算法以及Rake合并方式對系統(tǒng)性能的影響。研究表明,采用兩徑MRC-Rake接收模塊并聯(lián)合MMSE線性均衡模塊的接收方案能夠在不增加過多復雜度的同時提高系統(tǒng)性能。

2  60 GHz無線信道模型分析

  本文的研究基于傳輸距離在數(shù)米內(nèi)的60 GHz脈沖通信環(huán)境,根據(jù)IEEE 802.15.3c工作組建立60 GHz無線信道模型,該模型中的CM7.1適用于通信距離Sm以內(nèi)的短距離通信系統(tǒng),因此采用CM7.1作為系統(tǒng)的信道模型。信道沖激響應反映了信道的多徑衰落特性,均方根時延影響著系統(tǒng)中ISI的嚴重程度,因此本節(jié)將對CM7.1信道的一個樣本中的這兩個參數(shù)進行分析。

60 GHz頻段的路徑損耗模型為:

  其中,前兩項表示平均路徑損耗,do是參考距離.n為路徑損耗系數(shù),取決于信道環(huán)境,本文n=1.95,Xσ表示陰影衰落。

2.1  信道離散沖激響應

  根據(jù)Saleh-Valenzuela模型在角度域的擴展得到了方向信道沖擊響應的復數(shù)基帶表達式:

  其中,δ是狄拉克沖激函數(shù),aLOSδ(T,φ)為直達徑分量,L是簇的數(shù)目,K是多徑分量數(shù)目,ak,T、Tk,ι和Wk,l分別是每個多徑分量的復數(shù)幅度、時延和到達方位角,Tι和θι是每簇的時延和平均到達方位角。圖1是傳輸距離為3 m,60CHz CM7.1信道沖激響應的一個樣本。

2,2均方根時延

  在多徑信道傳播條件下,發(fā)射信號經(jīng)過多條路徑到達接收天線的時間不同,因此在接收端將發(fā)生時延擴展。如圖2所示,在CM7.1信道下,均方根時延擴展平均值為1.756 ns,最大值為7.5 ns。在60 GHz脈沖通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)速率應超過1 Cbit/s.即符號周期最大值為1 ns,這遠小于均方根時延擴展的平均值,因此系統(tǒng)中的ISI很嚴重,這就需要對接收系統(tǒng)進行均衡處理。

3  系統(tǒng)模型與干擾分析

  本節(jié)建立60 GHz脈沖通信系統(tǒng)模型,調(diào)制方式選擇直擴脈沖幅度調(diào)制(DS-PAM),信道選用IEEE 802.15.3c標準中的CM7.1信道模型,接收機采用結(jié)構(gòu)簡單的相干接收,如圖3所示。

  本節(jié)著重分析系統(tǒng)模型下ISI的數(shù)學特征,為突出研究重點,假設收發(fā)信機完全同步,不存在用戶間干擾,天線傳輸特性理想。系統(tǒng)采用載波搬移高斯脈沖至60 GHz頻段的方法生成脈沖波形。

  其中,a是脈沖因子,Tp為脈沖持續(xù)時間,fc為中心頻率,對于60 GHz通信系統(tǒng),一般取fc=60.5 CHz。發(fā)射機發(fā)送的PAM信號表達式為:

  其中,Ts為脈沖重復周期,6J表示第j個符號經(jīng)過PAM調(diào)制、DS編碼映射后的二進制數(shù)據(jù)序列。

  在60 GHz脈沖通信系統(tǒng)中,通常在若干信號時間內(nèi)可視作準靜態(tài)信道,對于分辨率為A的多徑信道,可用有限沖激響應濾波器表示:

  其中,yi(i=0,…,L-1)表示路徑幅度衰落,L表示路徑數(shù)量,Tma:c=LA為多徑信道最大時延擴展。

經(jīng)過多徑信道傳播后,接收信號為:

假設解調(diào)第jo個周期脈沖的相干掩膜為:

接收機的判決輸出為:

  由(8)式可得,判決輸出主要分為3個部分:有用信號部分zu、白噪聲部分Zn以及干擾部分Zisi。

  設Aq0為第q個脈沖帶來的第i路多徑分量,y(Aqo)為相應的幅度衰落因子,Rp(T)為脈沖波形的自相關(guān)函數(shù),第jo個周期內(nèi)脈沖受到的ISI可表示為:

令k=jn-q,根據(jù)應用環(huán)境的信道參數(shù),設每個脈沖的能量為1,且忽略脈沖波形對能量損耗的影響,可以估算出ISI的平均功率為:

  其中,£為一個脈沖引起的多徑分量的平均數(shù),所以多徑分量的出現(xiàn)概率近似為L/L。

  Rake接收機可以將分散的能量收集起來,提高系統(tǒng)效率:發(fā)射機發(fā)送信號s(t),通過CM7.1信道后,接收機接收到的信號為r(t),r(t)經(jīng)過多徑分離分為多路信號,并對每路信號進行相關(guān)接收,最后合并得到的輸出Z為:

  其中,wi為加權(quán)因子,由合并方案決定。常用的合并方案有等增益合并(EGC)、最大比合并(MRC)和最小均方誤差合并(MMSE)。將信號通過均衡器,可以得到:

  其中,cn為均衡器的抽頭系數(shù),信號經(jīng)過均衡后的ISI的平均功率為:

因此,系統(tǒng)的信噪比可以表示為:

4  Rake均衡聯(lián)合接收方案設計與仿真

  在60 CHz脈沖通信系統(tǒng)環(huán)境下,多徑效應引起的符號間干擾使得高速通信難以實現(xiàn),如果不對ISI加以有效處理,會造成錯誤判決,這將嚴重影響系統(tǒng)的誤碼性能。根據(jù)式(13)可知,ISI同時受到信道狀況和脈沖周期的影響。選取不同脈沖周期對系統(tǒng)進行仿真。仿真參數(shù)設置如下:發(fā)射功率為0 dBm,采樣頻率為1xl012 Hz,脈沖持續(xù)時間為2xl0-11 s,脈沖形成因子為8xl0-12。

  如圖4可知,脈沖周期的不斷減小使干擾越來越嚴重,當Ts減小到0.5 ns時,也就是傳輸速率達到2 Gbit/s時,系統(tǒng)干擾隨著信噪比的增加越來越明顯。當Ts減小到0.1 ns時,系統(tǒng)性能很差,將無法進行通信。

  采用MMSE-Rake接收機可以對干擾與收集能量進行權(quán)衡,將各個支路的多徑分量根據(jù)

MMSE最小均方誤差準則計算得到Rake接收機的合并系數(shù),可以較好地提高系統(tǒng)性能。合并系數(shù)計算結(jié)果為:

  由式(16)可以看到,采用MMSE算法得到的最優(yōu)權(quán)值需要對矩陣的逆進行求解,但參考文獻[12]采用UWB系統(tǒng),傳輸速率較低,因此ISI不會擴展到過多的符號周期,而在60 GHz脈沖通信系統(tǒng)下,脈沖周期很小,即使主要干擾延伸到10 ns,也將需要幾十條支路通過矩陣計算進行加權(quán),系統(tǒng)將過于復雜,不利于硬件的實現(xiàn)。

  在CM7信道環(huán)境下仿真分析了多徑分量的衰落特性,證明了其能量主要集中在前兩徑,并指出采用抽頭數(shù)為2的Rake接收機可在不增加過多復雜度的情況下,收集到大部分能量。因此,本文在60 GHz脈沖通信系統(tǒng)中采用兩支路的MRC-Rake接收機,并在后端聯(lián)合時域均衡器的接收方案,既不需要大量Rake支路,又能夠有效消除干擾。

  Rake均衡接收方案的系統(tǒng)如圖5所示,信號經(jīng)歷多徑后首先通過Rake接收機將主要能量合并收集,得到信號Z,合并方式采用最大比合并,再將信號Z通過均衡器。

  圖6中K表示均衡器抽頭數(shù),L表示Rake接收支路數(shù)。從圖6可知,Rake接收機能夠捕捉到更多的信號能量,提高系統(tǒng)性能。采用Rake均衡聯(lián)合接收方案后,系統(tǒng)性能得到大幅提高,尤其是在信噪比較大的情況下,ISI對系統(tǒng)的影響成為主導,使均衡器的效果更加明顯。均衡抽頭數(shù)越多,均衡效果越好,當均衡器能夠?qū)ψ畲髸r延的主要干擾進行處理時,增加均衡抽頭數(shù)對系統(tǒng)性能影響不大。

  采用不同的均衡結(jié)構(gòu)以及均衡準則進行性能比較,從圖7可知.MMSE線性均衡既能夠有效處理ISI,同時又不增加過多復雜度,對比其他均衡算法,MMSE效果較好。

  雖然采用Rake接收,在60 GHz信道傳輸環(huán)境下實現(xiàn)了分集接收,改善了多徑衰落,但其未考慮多徑干擾對系統(tǒng)的影響,不能滿足高速通信的需求;在UWB傳輸環(huán)境下采用MMSE-Rake接收方案,可改善多徑干擾對系統(tǒng)的影響,但在60 GHz無線通信系統(tǒng)中采用MMSE-Rake接收,需要進行復雜的高階矩陣逆運算,大大增加硬件的實現(xiàn)難度。本文基于60 CHz無線脈沖傳輸方案,設計采用兩支路、最大比合并的Rake接收機聯(lián)合線性均衡器克服了上述缺點。

5結(jié)束語

針對60 GHz通信環(huán)境中的多徑干擾問題,本文首先分析適用于該通信環(huán)境的信道模型,根據(jù)通信距離、運行頻段以及應用場景采用IEEE 802.15.3c工作組建立的CM7.1 60 GHz無線信道模型;其次對60 GHz脈沖通信系統(tǒng)中ISI問題進行了理論分析與數(shù)值仿真,得到信道狀況和脈沖周期是ISI的主要影響因素;最后設計了一種Rake接收機聯(lián)合均衡器的接收方案以對抗ISI,并仿真分析了該方案中均衡抽頭數(shù)、均衡算法以及Rake合并方式對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明,采用兩徑MRC-Rake接收模塊聯(lián)合MMSE線性均衡模塊的接收方案,能夠在不增加過多復雜度的同時提高系統(tǒng)性能。本文設計的接收方案在一定程度上解決了60 GHz脈沖通信系統(tǒng)中的多徑干擾問題,為今后60 GHz脈沖通信系統(tǒng)接收方案的設計提供了技術(shù)參考。

6摘要:60 GHz脈沖通信環(huán)境中的多徑衰落問題使信號能量發(fā)生彌散并產(chǎn)生符號間干擾(ISI)。針對這一問題,分析了系統(tǒng)中ISI的嚴重程度,并研究了消除干擾的解決方法。在IEEE 802.15.3c工作組建立的60 GHz無線信道模型基礎(chǔ)上,搭建了60 GHz脈沖通信系統(tǒng)仿真平臺,對系統(tǒng)中的ISI進行了理論分析與數(shù)值仿真,設計了一種Rake接收機聯(lián)合均衡器的接收方案。研究結(jié)果表明,采用兩徑MRC-Rake接收模塊并聯(lián)合MMSE線性均衡模塊,既可獲得多徑分集增益又能有效處理ISI,在不增加過多復雜度的同時提高了系統(tǒng)性能。為今后60 GHz脈沖通信系統(tǒng)接收方案的設計提供了技術(shù)參考。

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