適用于60 GHz脈沖通信系統(tǒng)的Rake均衡接收方案

陳現(xiàn)，李學(xué)華

(北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100101)

適用于60 GHz脈沖通信系統(tǒng)的Rake均衡接收方案

陳現(xiàn)，李學(xué)華

(北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100101)

60 GHz脈沖通信環(huán)境中的多徑衰落問題使信號(hào)能量發(fā)生彌散并產(chǎn)生符號(hào)間干擾 (ISI)。針對(duì)這一問題，分析了系統(tǒng)中ISI的嚴(yán)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(tái)，對(duì)系統(tǒng)中的ISI進(jìn)行了理論分析與數(shù)值仿真，設(shè)計(jì)了一種Rake接收機(jī)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(fù)雜度的同時(shí)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(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

60 GHz;5G;符號(hào)間干擾;均衡器;Rake接收機(jī)

1 引言

數(shù)字多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，促使人們對(duì)無線傳輸?shù)乃俾市枨蟛粩嘣黾?，視頻、音頻等應(yīng)用的不斷發(fā)展在大大提高用戶體驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)無線傳輸技術(shù)也提出了更高的要求。60 GHz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(shì)成為研究趨勢(shì)。在60 GHz頻段上，氧氣吸收效應(yīng)明顯，無線傳輸衰減高達(dá) 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［1］。在60 GHz頻帶上運(yùn)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(hào)、大文件的傳輸需求，而且HDMI、Display Port、PCIe 和 USB 等 都 可 以 適 配 到 WiGig MAC層進(jìn)行傳輸，這吸引了學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界極大的興趣［2-4］。第五代(5G)移動(dòng)通信將在室內(nèi)外局部熱點(diǎn)區(qū)域?yàn)橛脩籼峁?shù)十Gbit/s的峰值速率，60 GHz頻段被列為重點(diǎn)候選頻段［5］。隨著60 GHz無線通信技術(shù)應(yīng)用需求的不斷增加，半導(dǎo)體加工工藝的不斷進(jìn)步，制造小體積、低成本、高性能的 60 GHz芯片也逐漸成為可能［6］。因此，60 GHz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(diǎn)。

現(xiàn)有60 GHz通信系統(tǒng)物理層方案大多采用載波通信進(jìn)行傳輸，而載波通信系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高、對(duì)信道中的多徑衰落敏感等缺點(diǎn)，因此在60 GHz無線通信系統(tǒng)中采用載波通信將使整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)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(yīng)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［7］。參考文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種 60 GHz超寬帶脈沖發(fā)射機(jī)，脈沖周期只有100 ps，證明了在60 GHz頻段以脈沖信號(hào)為載體進(jìn)行通信是可實(shí)現(xiàn)的。在60 GHz通信環(huán)境中多徑效應(yīng)明顯［9］，參考文獻(xiàn)［10］研究了 60 GHz脈沖通信系統(tǒng)的接收方案，提出采用兩徑的Rake接收機(jī)能夠有效解決系統(tǒng)中的多徑衰落問題。然而，針對(duì)60 GHz多徑效應(yīng)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(hào)間干擾(inter symbol interference，ISI)對(duì)系統(tǒng)的影響。研究表明，在60 GHz多徑環(huán)境下進(jìn)行超過Gbit/s的超高速傳輸將產(chǎn)生嚴(yán)重的ISI。因此針對(duì)這一問題，研究一種對(duì)抗系統(tǒng)多徑衰落并消除符號(hào)間干擾的接收方案，以滿足60 GHz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(tái)，對(duì)60 GHz脈沖通信系統(tǒng)中符號(hào)間干擾問題進(jìn)行了理論分析與數(shù)值仿真，設(shè)計(jì)了一種Rake接收機(jī)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(duì)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(fù)雜度的同時(shí)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5 m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(yīng)反映了信道的多徑衰落特性，均方根時(shí)延影響著系統(tǒng)中ISI的嚴(yán)重程度，因此本節(jié)將對(duì)CM7.1信道的一個(gè)樣本中的這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。

60 GHz頻段的路徑損耗模型為:

其中，前兩項(xiàng)表示平均路徑損耗，d0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［11］，Xσ表示陰影衰落。

2.1 信道離散沖激響應(yīng)

根據(jù)Saleh-Valenzuela模型在角度域的擴(kuò)展得到了方向信道沖擊響應(yīng)的復(fù)數(shù)基帶表達(dá)式:

其中，δ是狄拉克沖激函數(shù)，αLOSδ(τ，)為直達(dá)徑分量，L是簇的數(shù)目，K 是 多徑分量 數(shù)目，αk，τ、τk，l和 ωk，l分 別是每個(gè)多徑分量的復(fù)數(shù)幅度、時(shí)延和到達(dá)方位角，Tl和θl是每簇的時(shí)延和平均到達(dá)方位角。圖1是傳輸距離為3 m，60 GHz CM7.1信道沖激響應(yīng)的一個(gè)樣本。

2.2 均方根時(shí)延

在多徑信道傳播條件下，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收天線的時(shí)間不同，因此在接收端將發(fā)生時(shí)延擴(kuò)展。如圖2所示，在CM7.1信道下，均方根時(shí)延擴(kuò)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(yīng)超過1 Gbit/s，即符號(hào)周期最大值為1 ns，這遠(yuǎn)小于均方根時(shí)延擴(kuò)展的平均值，因此系統(tǒng)中的ISI很嚴(yán)重，這就需要對(duì)接收系統(tǒng)進(jìn)行均衡處理。

圖1 CM7.1信道離散沖激響應(yīng)

圖2 均方根時(shí)延

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(kuò)脈沖幅度調(diào)制 (DS-PAM)，信道選用IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)中的CM7.1信道模型，接收機(jī)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xué)特征，為突出研究重點(diǎn)，假設(shè)收發(fā)信機(jī)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，α是脈沖因子，Tp為脈沖持續(xù)時(shí)間，fc為中心頻率，對(duì)于60 GHz通信系統(tǒng)，一般取fc=60.5 GHz。發(fā)射機(jī)發(fā)送的PAM信號(hào)表達(dá)式為:

其中，Ts為脈沖重復(fù)周期，bj表示第 j個(gè)符號(hào)經(jīng)過PAM調(diào)制、DS編碼映射后的二進(jìn)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(hào)時(shí)間內(nèi)可視作準(zhǔn)靜態(tài)信道，對(duì)于分辨率為Λ的多徑信道，可用有限沖激響應(yīng)濾波器表示:

其中，γi(i=0，…，L-1)表示路徑幅度衰落，L 表示路徑數(shù)量，τmax=LΛ為多徑信道最大時(shí)延擴(kuò)展。

經(jīng)過多徑信道傳播后，接收信號(hào)為:

假設(shè)解調(diào)第j0個(gè)周期脈沖的相干掩膜為:

接收機(jī)的判決輸出為:

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

圖3 60 GHz脈沖通信系統(tǒng)

令k=j0-q，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的信道參數(shù)，設(shè)每個(gè)脈沖的能量為1，且忽略脈沖波形對(duì)能量損耗的影響，可以估算出ISI的平均功率為:

其中，L為一個(gè)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。

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

其中，ωi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(hào)通過均衡器，可以得到:

其中，cn為均衡器的抽頭系數(shù)，信號(hào)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:

2PAM調(diào)制方式在高斯白噪聲信道下的誤碼率為假設(shè)信道幅度衰落的概率密度函數(shù)為f(αi)，得到多徑衰落信道下系統(tǒng)的誤碼率為:

4 Rake均衡聯(lián)合接收方案設(shè)計(jì)與仿真

在60 GHz脈沖通信系統(tǒng)環(huán)境下，多徑效應(yīng)引起的符號(hào)間干擾使得高速通信難以實(shí)現(xiàn)，如果不對(duì)ISI加以有效處理，會(huì)造成錯(cuò)誤判決，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的誤碼性能。根據(jù)式(13)可知，ISI同時(shí)受到信道狀況和脈沖周期的影響。選取不同脈沖周期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)設(shè)置如下:發(fā)射功率為0 dBm，采樣頻率為11012Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為210-11s，脈沖形成因子為810-12。

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

圖4 脈沖周期對(duì)系統(tǒng)性能的影響

［12］指出，采用MMSE-Rake接收機(jī)可以對(duì)干擾與收集能量進(jìn)行權(quán)衡，將各個(gè)支路的多徑分量根據(jù)MMSE最小均方誤差準(zhǔn)則計(jì)算得到Rake接收機(jī)的合并系數(shù)，可以較好地提高系統(tǒng)性能。合并系數(shù)計(jì)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(duì)矩陣的逆進(jìn)行求解，但參考文獻(xiàn)［12］采用UWB系統(tǒng)，傳輸速率較低，因此ISI不會(huì)擴(kuò)展到過多的符號(hào)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(jì)算進(jìn)行加權(quán)，系統(tǒng)將過于復(fù)雜，不利于硬件的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)［10］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(jī)可在不增加過多復(fù)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(jī)，并在后端聯(lián)合時(shí)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(hào)經(jīng)歷多徑后首先通過Rake接收機(jī)將主要能量合并收集，得到信號(hào)Z，合并方式采用最大比合并，再將信號(hào)Z通過均衡器。

圖5 Rake均衡接收方案系統(tǒng)

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(jī)能夠捕捉到更多的信號(hào)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(duì)系統(tǒng)的影響成為主導(dǎo)，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(dāng)均衡器能夠?qū)ψ畲髸r(shí)延的主要干擾進(jìn)行處理時(shí)，增加均衡抽頭數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響不大。

圖6 Rake均衡聯(lián)合接收性能比較

采用不同的均衡結(jié)構(gòu)以及均衡準(zhǔn)則進(jìn)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(shí)又不增加過多復(fù)雜度，對(duì)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(shí)現(xiàn)了分集接收，改善了多徑衰落，但其未考慮多徑干擾對(duì)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(duì)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(jìn)行復(fù)雜的高階矩陣逆運(yùn)算，大大增加硬件的實(shí)現(xiàn)難度。本文基于60 GHz無線脈沖傳輸方案，設(shè)計(jì)采用兩支路、最大比合并的Rake接收機(jī)聯(lián)合線性均衡器克服了上述缺點(diǎn)。

圖7 均衡算法對(duì)系統(tǒng)性能的影響

5 結(jié)束語

針對(duì)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(yùn)行頻段以及應(yīng)用場(chǎng)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(duì)60 GHz脈沖通信系統(tǒng)中ISI問題進(jìn)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(shè)計(jì)了一種Rake接收機(jī)聯(lián)合均衡器的接收方案以對(duì)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(duì)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(fù)雜度的同時(shí)提高系統(tǒng)性能。本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

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Receiver scheme of rake equalization for 60 GHz pulse communication system

CHEN Xian，LI Xuehua
School of Information and Telecommunication Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China

Dispersion of the signal energy and the inter symbol interference(ISI)is caused by the multipath fading in 60 GHz pulse communication environment.To solve this problem，the severity of the ISI in the system was analyzed，and the method to eliminate interference was studied.Based on the 60 GHz wireless channel model established by IEEE 802.15.3c，the simulation platform of 60 GHz pulse communication system was built.Theoretical analysis and numerical simulation of ISI in the system were carried out，and a receiver scheme of combining Rake receiver and equalizer was designed.Results show that，the two taps MRC-Rake receiver module combined with MMSE linear equalization module can not only improve the signal energy by multipath diversity，but also eliminate ISI.The performance of the system was improved without increasing the complexity.The scheme provides a reference for the design of 60 GHz pulse communication system in the future.

60 GHz，5G，inter symbol interference，equalizer，Rake receiver

s:The National Natural Science Foundation of China (No.61171039)，Beijing Youth Talents Foundation of Beijing(No.CIT&TCD201404114)，Science and Technology Project of Beijing Municipal Education Commission(No.KM201511232010)

TN914

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016011

2015-07-20;

2015-12-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61171039);北京市青年拔尖人才資助項(xiàng)目(No.CIT&TCD201404114);北京市教委科技面上項(xiàng)目(No.KM201511232010)

陳現(xiàn)(1991-)，男，北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)樯漕l通信及高速電路傳輸。

李學(xué)華(1977-)，女，博士，北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授、副院長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)闊o線通信物理層關(guān)鍵技術(shù)。