陳現(xiàn)，李學華

(北京信息科技大學信息與通信工程學院，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)，李學華

(北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京 100101)

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參考。

60 GHz;5G;符號間干擾;均衡器;Rake接收機

1 引言

數(shù)字多媒體技術的不斷發(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，對無線傳輸技術也提出了更高的要求。60 GHz毫米波技術因其帶寬大、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頻段巨大的免授權帶寬資源可支持Gbit/s的數(shù)據(jù)速率［1］。在60 GHz頻帶上運行的WiGig(wireless gigabit，無線吉比特)技術，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 Port、PCIe 和 USB 等 都 可 以 適 配 到 WiGig MAC層進行傳輸，這吸引了學術界以及工業(yè)界極大的興趣［2-4］。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［5］。隨著60 GHz無線通信技術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［6］。因此，60 GHz高速無線通信的研究已經(jīng)成為未來無線技術領域的研究熱點。

現(xiàn)有60 GHz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)具有硬件結構復雜、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［7］。參考文獻［8］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 GHz通信環(huán)境中多徑效應明顯［9］，參考文獻［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 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，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，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

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)，αLOSδ(τ，)為直達徑分量，L是簇的數(shù)目，K 是 多徑分量 數(shù)目，αk，τ、τk，l和 ωk，l分 別是每個多徑分量的復數(shù)幅度、時延和到達方位角，Tl和θl是每簇的時延和平均到達方位角。圖1是傳輸距離為3 m，60 GHz 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 Gbit/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。

圖1 CM7.1信道離散沖激響應

圖2 均方根時延

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，接收機采用結構簡單的相干接收，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，α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 GHz。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，bj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Λ的多徑信道，可用有限沖激響應濾波器表示:

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為多徑信道最大時延擴展。

經(jīng)過多徑信道傳播后，接收信號為:

假設解調(diào)第j0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。

圖3 60 GHz脈沖通信系統(tǒng)

令k=j0-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，L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。

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接收，最后合并得到的輸出Z為:

其中，ωi為加權因子，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:

2PAM調(diào)制方式在高斯白噪聲信道下的誤碼率為假設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)合接收方案設計與仿真

在60 GHz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11012Hz，脈沖持續(xù)時間為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。

圖4 脈沖周期對系統(tǒng)性能的影響

［12］指出，采用MMSE-Rake接收機可以對干擾與收集能量進行權衡，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)計算結果為:

由式(16)可以看到，采用MMSE算法得到的最優(yōu)權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，系統(tǒng)將過于復雜，不利于硬件的實現(xiàn)。

參考文獻［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。

圖6 Rake均衡聯(lián)合接收性能比較

采用不同的均衡結構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 GHz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。

圖7 均衡算法對系統(tǒng)性能的影響

5 結束語

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參考。

參考文獻:

［1］方箭，王坦，黃標.高頻段寬帶無線通信前瞻 ［J］.電信科學，2014，30(3):109-113.FANG J，WANG T，HUANG B.Outlook of broadband wireless communications at high frequency bands［J］.Telecommunications Science，2014，30(3):109-113.

［2］HANSEN C J.WiGiG:multi-gigabit wireless communications in the 60 GHz band［J］.IEEE Wireless Communications，2011，18(6):6-7.

［3］MOPIDEVIH，HUNERLIH V，CAGATAY E，etal.Three-dimensional microfabricated broadband patch antenna for WiGig applications［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13(1):828-831.

［4］SAI S N，DASH D，MADI H E，et al.WiGig and IEEE 802.11ad for multi-gigabyte-per-second WPAN and WLAN ［J］.ZTE Communications，2012(4):13-22.

［5］IMT-2020(5G)Promotion Group.The white paper on 5G wireless technology architecture ［R/OL］.(2015-05-01)［2015-06-02］.http://wenku.baidu.com/linkurl=HTDV6u2JsuR 7ojJYD43H70ZZe TvpXkfdE-e690YCq4ox-FBBrPOJtXV7WFFrVudYU68uidnxGb OOiTruxahVKTTfUuonocBB7cZckz4HCxq.

［6］李娜.60 GHz脈沖無線通信系統(tǒng)的性能研究［D］.青島:中國海洋大學，2012.LI N.Performance analysis of 60 GHz impulse radio system［D］.Qingdao:Ocean University of China，2012.

［7］李學華，申思雨.卷積碼在60 GHz芯片間無線互連系統(tǒng)中的性能分析［J］.電信科學，2015，31(5):2015111.LI X H，SHEN S Y.Performance of convolution codes based on 60 GHz inter-chip wireless interconnection system ［J］.Telecommunications Science，2015，31(5):2015111.

［8］ARLELID M，WERNERSSON L E，EGARD M，et al.60 GHz ultra-wideband impulse radio transmitter［J］.IEEE International Conference on Ultra-Wideband，2009:185-188.

［9］ZWICKT，BEUKEMATJ，NAMH.Widebandchannel sounder with measurements and model for the 60 GHz indoor radio channel ［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2005，54(4):1266-1277.

［10］彭江濤，李學華.60 GHz芯片間無線互連系統(tǒng)中的Rake接收性能［J］.電訊技術，2014，54(10):1424-1429.PENG J T，LI X H.Performance of Rake receiver in 60 GHz inter chip wireless interconnect system ［J］.Telecommunications Engineering，2014，54(10):1424-1429.

［11］付煒.短距離無線通訊中傳播特性理論研究及相關關鍵技術［D］.成都:電子科技大學，2009.FU W.Study of radio wave propagation and key technologies in short-range wireless communications［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2009.

［12］張新躍，陶小峰，張平，等.一種適用于超寬帶系統(tǒng)的低復雜度 RAKE 接收機［J］.北京郵電大學學報，2005，28(3):93-95.ZHANG X Y，TAO X F，ZHANG P，et al.A low complexity Rake receiver for ultra-wideband communication system ［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2005，28(3):93-95.

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)

陳現(xiàn)(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。