60GHz脈沖無線通信系統(tǒng)的性能研究.pdf

1、60GHz無線通信系統(tǒng)可以提供數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,滿足人們對(duì)于高速無線通信的需求,因此受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)團(tuán)體的廣泛關(guān)注。然而,目前大部分研究都集中在信道測(cè)量、硬件電路設(shè)計(jì)等,對(duì)于調(diào)制方式、物理層傳輸方案、容量或者誤碼率等與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的研究則非常少。并且,現(xiàn)有60GHz無線通信的系統(tǒng)方案基本上都是基于單載波通信或者OFDM調(diào)制的,而載波通信系統(tǒng)由于具有硬件結(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),所以在60GHz室內(nèi)多徑環(huán)境中

2、進(jìn)行載波通信時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本都會(huì)比較高。超寬帶通信系統(tǒng)所采用的脈沖通信技術(shù)能夠克服載波通信的上述缺點(diǎn),并且在調(diào)制方案、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及性能研究等方面的理論已經(jīng)發(fā)展的十分成熟。所以本文基于沖激無線電的基本原理,提出了一種60GHz脈沖無線通信系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)的容量和誤碼率性能進(jìn)行了研究。
　　本文的工作和貢獻(xiàn)主要有以下幾個(gè)方面:第一,提出在60GHz頻段采用與IR-UWB相同的脈沖通信方式,設(shè)計(jì)了兩種適用于60GHz脈沖無線通信

3、系統(tǒng)的脈沖波形,提出采用基本的PPM調(diào)制方式,并針對(duì)該調(diào)制方式選擇了單相關(guān)接收、RAKE接收和能量接收三種接收機(jī)模型。第二,基于Nakagami室內(nèi)衰落信道模型,對(duì)采用相關(guān)接收機(jī)時(shí)系統(tǒng)的容量和誤碼率公式進(jìn)行了推導(dǎo)和分析,并研究了信道特征以及脈沖波形對(duì)系統(tǒng)性能的影響。第三,對(duì)IEEE TG3c推薦的兩種室內(nèi)居住環(huán)境的信道模型CM1和CM2進(jìn)行了詳細(xì)的分析,研究了兩者的大尺度和小尺度衰落特性,并分別為其建立數(shù)學(xué)模型,以便于后續(xù)對(duì)系統(tǒng)性能的研

4、究。第四,對(duì)在兩種信道中分別采用不同的接收機(jī)時(shí),60GHz單用戶PPM系統(tǒng)的容量和誤碼率性能進(jìn)行了理論公式的推導(dǎo)和仿真分析,并比較了三種接收機(jī)的性能。
　　本文通過對(duì)60GHz單用戶PPM系統(tǒng)的性能研究,可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論:第一,脈沖波形的選擇會(huì)影響系統(tǒng)的性能,所以要合理地設(shè)計(jì)60GHz脈沖?？梢允褂帽疚闹型茖?dǎo)的容量公式,作為檢驗(yàn)脈沖波形優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。第二,該系統(tǒng)適用于短距離的高速無線通信。以2PPM系統(tǒng)為例,在視距(LOS)

5、信道CM1中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),如果要求系統(tǒng)的誤碼率不超過10-4,此時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)接近5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,并且通信距離不到70米。高階PPM調(diào)制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,但是通信距離會(huì)下降到20米以內(nèi)。在非視距(NLOS)信道中的2PPM系統(tǒng),要想實(shí)現(xiàn)相同的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率,系統(tǒng)的通信距離只有5米左右。第三,由于CM1信道的能量主要集中于第一條到達(dá)的多徑內(nèi),而其他多徑的能量很小,幾乎可以忽略,所以,CM1信道的多徑衰落不

6、明顯,在該信道中的系統(tǒng)擁有較好的性能。CM2信道是典型的頻率選擇性多徑衰落信道,信號(hào)的能量分散在大量多徑信號(hào)內(nèi),多徑衰落比較嚴(yán)重,系統(tǒng)的性能相對(duì)較差。但是通過RAKE接收機(jī)對(duì)多條路徑進(jìn)行分集接收,可以一定程度的提高系統(tǒng)的性能。第四,系統(tǒng)在CM1信道中的最佳接收方案是采用單相關(guān)接收機(jī)對(duì)第一條到達(dá)的接收信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào),此時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比較理想的性能。在CM2信道中的最佳接收機(jī)為采用MRC合并方式的RAKE相關(guān)接收機(jī),通過合理選擇分支數(shù)目和

7、加權(quán)系數(shù),能夠使得系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。第五,能量接收機(jī)可以作為系統(tǒng)的次優(yōu)接收方案,因?yàn)樵摻邮辗桨傅男阅茈m然相對(duì)較差,但是結(jié)構(gòu)簡單,成本低,非常適用于對(duì)性能要求不是特別嚴(yán)格的60GHz脈沖通信系統(tǒng)。并且,通過對(duì)能量接收機(jī)的改進(jìn),可以一定程度地提高其性能。
　　本文提出的60GHz脈沖通信方式,是對(duì)60GHz無線通信系統(tǒng)物理層傳輸方案的補(bǔ)充。并且,通過對(duì)60GHz信道的分析、脈沖波形的設(shè)計(jì)、接收機(jī)的選擇、以及誤碼率和容量性能的研究,完