張永斌，李學華，姚勃旭

（北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京 100101）

60 GHz 脈沖無線通信系統(tǒng)的 TH-PAM 多址接入方案

張永斌，李學華，姚勃旭

（北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京 100101）

針 對 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 中 的 多 用 戶 干 擾 問 題 ， 研 究 了 基 于 TH-PAM 的 多 址 調 制 方 案 的 性 能 。在 IEEE 802.15.3c 信 道 模 型 下 ， 建 立 了 系 統(tǒng) 誤 碼 性 能 、 通 信 距 離 和 用 戶 數(shù) 關 系 的 分 析 模 型 ， 研 究 了 TH-PAM 多址調制系統(tǒng)的多用戶干擾特性，并與 TH-PPM 方案進行了比較。 仿真結果表明，采用 TH-PAM 多址調制方式的系 統(tǒng) 在 通 信 距 離 小 于 30 m 的 范 圍 內 ， 誤 碼 率 可 以 保 持 在 10-5以 下 ， 而 采 用 TH-PPM 方 式 的 系 統(tǒng) 在 100 m 的 范圍 內 ， 誤 碼 率 始 終 大 于 10-4。 由 此 可 見 ，TH-PAM 比 TH-PPM 更 加 適 合 用 于 60 GHz 短 距 離 無 線 通 信 ， 為 5G 高 頻新空口的熱點高容量應用場景提供了技術參考。

60 GHz 頻 段 ；5G； 脈 沖 無 線 通 信 ；TH-PAM；TH-PPM； 多 用 戶 干 擾

1 引言

從 2012 年 以 來 ，NGMN、IMT-2020 推 進 組 、5GMF、5G Forum 等論壇和標準組織陸續(xù)出版了 5G 白皮書。 其中，在5G 需 求 層 面 最 有 代 表 性 的 是 NGMN 和 IMT-2020 工 作 組出版的需求白皮書。在 2015 年 6 月的 ITU-R 會議上，5G 工作取得了巨大進展。5G 被正式命名為 IMT-2020；IMT-2020對 5G 候選技術做了比較深入的分析研究，確定了 10 種使能技術：超密集組網(wǎng)、大規(guī)模天線、全頻譜接入、新型多址、新型多載波、先進調制編碼、終端直通、靈活雙工、全雙工和頻譜共享。 如圖 1 所示，5G 高頻新空口通過超大帶寬來滿足熱點高容量場景極高傳輸速率的要求。同時，高頻段覆蓋小、信號指向性強，可通過密集部署來達到極高的流量 密 度［1］。

由于擁有豐富的免許可頻譜資源、高方向性、高系統(tǒng)容 量 和 數(shù) Gbit／s 的 高 傳 輸 速 率 等 優(yōu) 勢［2］，60 GHz 頻 段 被 列為 5G 高 頻 新 空 口 的 候 選 頻 段 之 一 。當前國內外對 60 GHz無線通信系統(tǒng)的研究主要集中在信道的測量、標準的制定、收發(fā)信機集成電路芯片的設計等方面，而且主要針對 60 GHz 載波無線通信。眾所周知，載波通信對于信道的多徑效應十分 敏 感 ，特 別 是 像 60 GHz 這 種 高 頻 信 號 ，經 過 多 條 路 徑 的傳輸，在接收端會出現(xiàn)多種不同時延、相位的信號發(fā)生重疊的情況，這 將 嚴 重 降 低 系 統(tǒng) 的 性 能 。參 考 文 獻［3］首 次 提出 了 基 于 60 GHz 的 脈 沖 通 信 方 式 ，并 對 其 容 量 和 誤 碼 率性能進行了分析。研究結果表明，該通信方式具有良好的抗多徑衰落的特性。

在 5G 高頻新空口熱點高容量場景中，多用戶干擾問題是不可避免的。在無線通信系統(tǒng)中，多址接入技術使得多個用戶共享同一信道成為可能，可以有效地解決多用戶干 擾 問 題 。 針 對 5G 低 頻 段 應 用 的 多 址 技 術 包 括［1］： 基 于 多維 調 制 和 稀 疏 碼 擴 頻 的 SCMA （sparse code multiple access，稀疏碼分多址接入）技術、基于非正交特征圖樣的PDMA（pattern division multiple access，圖 樣 分 割 多 址 接 入 ）技術和基于復數(shù)多元碼及增強疊加編碼的 MUSA（multi-user shared access，多 用 戶 共 享 接 入 ）技 術 等 ，這 些 新 型 多 址 接 入技術通過多用戶信息在相同資源上的疊加傳輸，在接收側利用先進的接收算法分離多用戶信息，不僅可以有效提升系統(tǒng)頻譜效率，還可成倍地增加系統(tǒng)的接入容量。針對UWB（ultra wideband，超 寬 帶 ）無 線 通 信 系 統(tǒng) 的 多 址 調 制 技術的研究主要集中在 TH-PAM 和 TH-PPM 方案上。參考文獻［4］分 析 了 單 用 戶 M-PAM 和 M-PPM 系 統(tǒng) 的 誤 碼 率 性 能 ，結 果 表 明 ，采 用 2-PAM 和 2-PPM 能 夠 實 現(xiàn) 更 好 的 誤 碼 性能。參考文獻［5］表明在 AWGN 信道下，TH-PAM 和TH-PPM超寬帶單用戶系統(tǒng)的性能均隨脈沖重復次數(shù)的增加而有明 顯 的 改 善 ，并 且 前 者 優(yōu) 于 后 者 。目 前 ，針 對 60 GHz 脈 沖無線通信系統(tǒng)多址調制方案的研究尚未展開。綜上所述，研 究 一 種 多 址 接 入 方 案 以 滿 足 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng)的需求是十分必要的。

本 文 首 先 建 立 了 基 于 TH-PAM 多 址 調 制 的 60 GHz 脈沖 無 線 通 信系 統(tǒng) 模 型 ；其 次 ，對 TH-PAM 的 多 址 性 能 進 行了研究，建立了系統(tǒng)誤碼性能的理論分析模型。再次，對60 GHz TH-PAM 的 誤 碼 率 性 能 與 通 信 距 離 、用 戶 數(shù) 三 者 之間的關系進行了仿真，并與 TH-PPM 進行了比較。

2 60 GHz 脈沖無線通信系統(tǒng)模型

基 于 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 的 TH-PAM 多 址 調 制方案的系統(tǒng)模型如圖2所示。信道編碼選擇具有高碼率的LDPC（low density parity check code，低 密 度 奇 偶 校 驗 碼 ）［6］，PN 碼 選 擇 具 有 良 好 相 關 特 性 的 Gold 碼 ，調 制 方 式 選 擇PAM，接收端采用結構簡單的相干接收。

圖1 5G 無線技術路線與應用場景

在 信 道 模 型 的 選 擇 上 ，IEEE 802.15.3c 工 作 小 組 在2009 年 推 薦 了 幾 種 60 GHz 無 線 通 信 系 統(tǒng) 信 道 模 型［8］。其中 ，CM4 信 道 為 非 視 距 情 況 下 的 辦 公 環(huán) 境 中 的 60 GHz 信道模型，符合本文的應用場景，因此本文采用該信道模型作 為 基 礎 進 行 理 論 分 析 和 仿 真 。參 考 文 獻 ［9］根 據(jù) Friis 方程和 60 GHz系統(tǒng)噪聲模型推導 出 了 系 統(tǒng) 性 能 與 最 大 通 信距離d之間的關系為：

圖2 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng)

其 中 ，n 為 功 率 衰 減 指 數(shù) ，一 般 取 2.2，λ 是 與 中 心 頻 率fc相 對 應 的 波 長 。

在 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 中 ，脈 沖 波 形 攜 帶 需 要傳 輸 的 信 息 ，這 是 與 載 波 通 信 的 本 質 區(qū) 別 。采用 60 GHz頻率的余弦函數(shù)將基帶脈沖信號調制到射頻段，即可以得到滿 足 60 GHz射頻輻射模板的脈沖波 形 。高 斯 脈 沖 信 號 頻譜曲線光滑，但其信號成分中含有直流分量，不利于通信系統(tǒng)的有效傳輸，為了避免脈沖信號直流分量給通信系統(tǒng)帶來的信號畸變，可以對高斯函數(shù)進行求導運算，參考文獻 ［10］中 選 擇 了 高 斯 脈 沖 的 二 階 導 數(shù) 作 為 60 GHz 脈 沖 波形，信號形式為：

其 中 ，α2=4πσ2為脈沖因子。

本 文 也 選 擇 了 高 斯 脈 沖 的 二 階 導 數(shù) 作 為 60 GHz 脈 沖波 形 。圖 3 為 應 用 高 斯 二 階 導 函 數(shù) 產 生 的 60 GHz 脈 沖 信號波形及其功率譜密度。

圖3 60 GHz 高 斯 脈 沖 時 域 波 形 及 功 率 譜 密 度

3 TH-PAM 多址性能

3.1 多用戶干擾模型

多址技術可以有效地解決多用戶干擾問題，TH-PAM是利用不同偽隨機碼區(qū)分不同用戶，用不同脈沖幅度 表 示 不 同 信 息 的 多 址 調 制 技 術 。在 多 用 戶 的 60 GHz脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 中 ，用 戶 k 的 TH-PAM 信 號 可 以 表示 為 ［11，12］：

經過 CM4 多徑信道傳輸后，接收信號為：

其 中 ，ai（i=0，1，… ，L-1）表 示 路 徑 幅 度 衰 落 ，L 表 示 路 徑數(shù)，Λ 表示多徑信道時延，Ak表示多用戶路徑損耗。

假設模型是對稱的，接收機和發(fā)射機收發(fā)信息完全同步，則接收機已知對應的 PN 碼和傳輸時延 Λ。接收端采用相干 檢 測，設 用戶 0 為 主 要 接 收 信 號，其 余 用 戶 的 信號 皆視為多用戶干擾。則用戶 0接收機檢測時需提供的相關掩膜信號為：

接收機的輸出信號為：

其 中 ，R0為 有 用 信 號 相 關 檢 測 輸 出 ，Rmui為 多 用 戶 干擾，Rn為高斯白噪聲相關輸出。

3.2 SINR 和 BER 性能

由于短距離無線通信中每個用戶受到的干擾可假設是 相同的，因此可根據(jù)某一個用戶 接 收 信號的 BER 性 能來衡量整個多用戶系統(tǒng)的傳輸性能。而 BER 與 SINR 是相關 聯(lián) 的 ，故 60 GHz 短 距 離 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 中 SINR 值 的確定將十分關鍵。根據(jù)參考文獻［14］，有：

其 中 ，Eb為 接 收 端 有 用 信 號 能 量 之 和為 多 用 戶 干擾 方 差 ，σn2為 接 收 端 輸 出 噪 聲 干 擾 方 差 。根 據(jù) 第 3.1 節(jié) 中分析的多用戶干擾模型，可以得到：

為了 減少碼 間串 擾并保 持較 高 的 傳 輸 性 能 ，在 60 GHz脈 沖 無 線 通 信系 統(tǒng) 中 將 采 用 正 交 PAM 調 制 。如 果 系 統(tǒng) 實施良好的功率控制，接收端的各用戶信號能量基本相等 ，每 條 傳 輸 鏈 路 的 衰 減 總 和 是 相 同 的 ，可 以 得 到 SINR與 β（脈沖占空比的倒數(shù)，取決于 Tp和 Tc的大小 ，一般為定 值 ） 、Nu（用 戶 數(shù) ） 、Ns（每 比 特 脈 沖 數(shù) ）、Nh（ 跳 時 碼 最大值上界）、SNR（單位脈沖信噪比）的關系，可將式（7）寫成：

根據(jù)參考文獻［15，16］可得 TH-PPM 的 SINR 為：

根 據(jù) 參 考 文 獻 ［13］中 對 TH-PPM 的 BER 與 SINR 關 系的 推 導 和 參 考 文 獻［17］中 對 TH-PAM 的 BER 與 SINR 關 系的推導，并且結合式（1）中通信距離與信噪比的關系，可得基 于 TH-PAM 和 TH-PPM 多 址 調 制 的 60 GHz 脈 沖 無 線 通信系統(tǒng)的誤碼率、通信距離以及用戶數(shù)的關系分別為：

4 性能仿真

根據(jù)第 3節(jié)推導出的誤碼率計算式，本節(jié)將使用MATLAB 工具，對誤碼率計算式進行數(shù)值計算仿真，驗證TH-PAM 和 TH-PPM 在 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 中 的 抗多 用 戶 干 擾 性 能 。仿 真 參 數(shù) 設 置 如 下 ：β=10，fc=60 GHz，c=

［7］指 出 ，在 理 論 上 ，為 了 避 免 過 大 的 非 線 性失真，一種直觀的方案是采用輸出功率回退機制，限定發(fā)射信號的輸出功率。眾所周知，降低發(fā)射功率會使信噪比降低，致使系統(tǒng)的抗干擾能力減弱。根據(jù)參考文獻［9］中的鏈路預算分析，本文研究了功放元件非線性特性對系統(tǒng)性能的影響。 如圖 4 所示，當信噪比小于 10 dB 時，輸入／輸出將 處 于 線 性 區(qū) ， 但 TH-PAM 系 統(tǒng) 的 誤 碼 率 始 終 大 于 10-5，TH-PPM 系 統(tǒng) 的 誤 碼 率 更 差 ，始 終 大 于 10-3，都 無 法 保 證 通信 質 量 ；當 信 噪 比 大 于 10 dB 時 ，功 放 元 件 將 工 作 在 非 線性 區(qū) ，但 TH-PAM 系 統(tǒng) 的 誤 碼 率 大 于 10-5，能 夠 滿 足 信 息可 靠 傳 輸?shù)?要 求 ，而 TH-PPM 系 統(tǒng) 依 然 無 法 保 證 通 信 質量。因此，功率回退機制是在犧牲系統(tǒng)性能的情況下降低了 非 線 性 失 真 的 負 面 影 響 。如 果 要 滿 足 系 統(tǒng) QoS（quality of service，服 務 質 量 ）的 需 求 ，這 就 對 功 放 元 件 的 結 構 設計、制造工藝等方面提出了較高的要求。

圖4 系統(tǒng)信噪比與誤碼率性能的關系

如 圖 5 所 示 ，在 用 戶 數(shù) Nu=50 的 情 況 下 ，TH-PAM 和TH-PPM 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 的 誤 碼 率 性 能 都 隨 著距 離 d 的 增 大 而 變 差 。TH-PAM 多址調制方式在 d≤30 m的 范圍內 ，誤碼 率 可以保持 在 10-5以 下 ，說 明 該 方 式比 較適合短距離之間的信息傳輸。而 TH-PPM 多址調制方式的系統(tǒng)誤碼率比較差，始終大于 10-4。顯然，相比于 TH-PPM，TH-PAM 多 址 調 制 方 式 更 適 合 多 用 戶 60 GHz 脈 沖 無 線 通信系統(tǒng)。

圖5 TH-PAM 與 TH-PPM 的誤碼率性能 比 較

如 圖 6 所 示 ，隨 著 通信 距 離 d 的 不 斷 增 加，系 統(tǒng)能 保證 正 常 通 信 的 用 戶數(shù) 在 不 斷 減 少 。當 通 信 距 離 d≤45 m時，只要提高 單位比特脈沖數(shù) Ns的值，采用 TH-PAM 多 址調制方式的系統(tǒng)誤碼率就可以保 持在 10-5以下，即可保證500 個用戶正常通信。當用戶數(shù)相對比較少時，例如 Nu≤300，采 用 TH-PAM 多 址 調 制 方式 的 系 統(tǒng) 可 以 保 證 更 加 理 想 的誤 碼 性 能 。從 圖 7 可 以 看 出 ，當 通 信 距 離 為 45 m，用 戶 數(shù)為 500 個時 ，采用 TH-PPM 多 址調制方式 的 系統(tǒng)誤碼 率 已經接近 3.1×10-2，系統(tǒng)的可靠性較差。即使在用戶數(shù)為 200時 ，系 統(tǒng) 的 誤 碼 率 也 只 有 2.2×10-3。綜 上 所 述 ，TH-PAM 比TH-PPM 多 址 調 制 方 式 更 適 合 用 于 多 用 戶 60 GHz 脈 沖 短距離無線通信系統(tǒng)。

5 結束語

當前，5G 愿景與需求已基本明確，國際標準制定工作即將啟動。為此，迫切需要盡快細化 5G 技術路線，整合各種 無 線 關 鍵 技 術 。60 GHz 是 5G 高 頻 新 空 口 的 候 選 頻 段 之一 。針 對 目 前 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 中 尚 未 解 決 的 多用 戶 干 擾 問 題 ， 通 過 在 發(fā) 送 端 引 入 TH-PAM 多 址 調 制方案，實現(xiàn)多址接入來提高系統(tǒng)的可靠性。本文建立了基 于 TH-PAM 的 60 GHz 脈 沖 無 線 通 信 系 統(tǒng) 模 型 ，在IEEE 802.15.3c 信道模型下研究了系統(tǒng)誤碼性能、用戶 數(shù) 和通 信 距 離 之 間 的 關 系 ，分 析 了 TH-PAM 多 址 調 制 下 60 GHz脈沖無線通信系統(tǒng)的多用戶干擾特性 ，并 與 TH-PPM 方 案進 行 了 比 較 。 性 能 仿 真 與 分 析 結 果 顯 示 ，TH-PAM 比TH-PPM 多 址 調 制 方 式 更 加 適 合 用 于 60 GHz 脈 沖 無 線 短距離通信。本文的研究為今后 5G 高頻新空口的熱點高 容量場景的研究提供了重要的參考。

圖6 TH-PAM 的誤碼率性能與通信距離、用戶數(shù)的關系

圖7 TH-PPM 的誤碼率性能與通信距離、用戶數(shù)的關系

參考文獻：

（2）網(wǎng)絡爬蟲抓取機制考慮到了專用與通用結合，在確保包裝及印刷領域信息搜索的同時，盡量滿足了包裝及印刷各工序中多方面的信息查詢需求。

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TH-PAM multiple access scheme for 60 GHz pulse wireless communication system

ZHANG Yongbin，LI Xuehua，YAO Boxu
School of Information&Communication Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China

In view of the multi-user interference problem in 60 GHz pulse wireless communication system，the performance of the system based on TH-PAM multiple modulation scheme was studied.Under the IEEE 802.15.3.c channel model，relationship analysis model between system BER performance，communication distance and number of user was put forward，multi-user interference characteristics of the system with TH-PAM multiple access modulation was studied.It was compared with TH-PPM multiple access system.Simulation results show that the BER of TH-PAM multiple access system can keep below 10-5within the scope of the communication distance is less than 30 meters，and the BER of TH-PPM multiple access system is always greater than 10-4in range of 100 meters. As a result，TH-PAM was more suitable for 60 GHz short-range wireless communication than TH-PPM and provided technical reference for hot high capacity scenario of 5G high-frequency new hollow.

60 GHz，5G，pulse wireless communication，TH-PAM，TH-PPM，multi-user interference

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

TN914

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016118

張永斌（1991-），男，北京信息科技大學信息與通信工程學院碩士生，主要研究方向為射頻通信及高速電路傳輸。

李學華（1977-），女，博士，北京信息科技大學信息與通信工程學院副教授、副院長，主要研究方向為無線通信物理層關鍵技術。

姚勃旭（1988-），男，北京信息科技大學信息與通信工程學院碩士生，主要研究方向為射頻通信及通信系統(tǒng)信道編碼。

2015-12-08；

2016-03-30

國 家 自 然 科 學 基 金 資 助 項 目 （No.61171039）； 北 京 市 青 年 拔 尖 人 才 資 助 項 目 （No.CIT&TCD201404114）； 北 京 市 教 委 科 技 面 上 項目（No.KM201511232010）