60GHz脉冲无线通信系统的性能研究

摘要

60GHz无线通信系统可以提供数Gbps的数据传输速率,满足人们对于高速无线通信的需求,因此受到学术界和企业团体的广泛关注。然而,目前大部分研究都集中在信道测量、硬件电路设计等,对于调制方式、物理层传输方案、容量或者误码率等与系统设计相关的研究则非常少。并且,现有60GHz无线通信的系统方案基本上都是基于单载波通信或者OFDM调制的,而载波通信系统由于具有硬件结构复杂、功耗高、对信道中的多径衰落敏感等缺点,所以在60GHz室内多径环境中进行载波通信时,整个系统的复杂度和成本都会比较高。超宽带通信系统所采用的脉冲通信技术能够克服载波通信的上述缺点,并且在调制方案、系统设计以及性能研究等方面的理论已经发展的十分成熟。所以本文基于冲激无线电的基本原理,提出了一种60GHz脉冲无线通信系统,并对系统的容量和误码率性能进行了研究。
　　本文的工作和贡献主要有以下几个方面:第一,提出在60GHz频段采用与IR-UWB相同的脉冲通信方式,设计了两种适用于60GHz脉冲无线通信系统的脉冲波形,提出采用基本的PPM调制方式,并针对该调制方式选择了单相关接收、RAKE接收和能量接收三种接收机模型。第二,基于Nakagami室内衰落信道模型,对采用相关接收机时系统的容量和误码率公式进行了推导和分析,并研究了信道特征以及脉冲波形对系统性能的影响。第三,对IEEE TG3c推荐的两种室内居住环境的信道模型CM1和CM2进行了详细的分析,研究了两者的大尺度和小尺度衰落特性,并分别为其建立数学模型,以便于后续对系统性能的研究。第四,对在两种信道中分别采用不同的接收机时,60GHz单用户PPM系统的容量和误码率性能进行了理论公式的推导和仿真分析,并比较了三种接收机的性能。
　　本文通过对60GHz单用户PPM系统的性能研究,可以得到如下几点结论:第一,脉冲波形的选择会影响系统的性能,所以要合理地设计60GHz脉冲。可以使用本文中推导的容量公式,作为检验脉冲波形优劣的一个标准。第二,该系统适用于短距离的高速无线通信。以2PPM系统为例,在视距(LOS)信道CM1中进行数据传输时,如果要求系统的误码率不超过10-4,此时系统可以实现接近5Gbps的数据传输速率,并且通信距离不到70米。高阶PPM调制系统,可以实现更高的数据传输速率,但是通信距离会下降到20米以内。在非视距(NLOS)信道中的2PPM系统,要想实现相同的可靠性和数据传输速率,系统的通信距离只有5米左右。第三,由于CM1信道的能量主要集中于第一条到达的多径内,而其他多径的能量很小,几乎可以忽略,所以,CM1信道的多径衰落不明显,在该信道中的系统拥有较好的性能。CM2信道是典型的频率选择性多径衰落信道,信号的能量分散在大量多径信号内,多径衰落比较严重,系统的性能相对较差。但是通过RAKE接收机对多条路径进行分集接收,可以一定程度的提高系统的性能。第四,系统在CM1信道中的最佳接收方案是采用单相关接收机对第一条到达的接收信号进行相干解调,此时系统可以实现比较理想的性能。在CM2信道中的最佳接收机为采用MRC合并方式的RAKE相关接收机,通过合理选择分支数目和加权系数,能够使得系统的性能达到最优。第五,能量接收机可以作为系统的次优接收方案,因为该接收方案的性能虽然相对较差,但是结构简单,成本低,非常适用于对性能要求不是特别严格的60GHz脉冲通信系统。并且,通过对能量接收机的改进,可以一定程度地提高其性能。
　　本文提出的60GHz脉冲通信方式,是对60GHz无线通信系统物理层传输方案的补充。并且,通过对60GHz信道的分析、脉冲波形的设计、接收机的选择、以及误码率和容量性能的研究,完善了60GHz脉冲通信的理论基础,可以为将来相关系统的设计和产品的开发提供指导和理论支持,对促进60GHz技术的广泛应用具有重要的意义。