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,滿足人們對于高速無線通信的需求,因此受到學術(shù)界和企業(yè)團體的廣泛關(guān)注。然而,目前大部分研究都集中在信道測量、硬件電路設計等,對于調(diào)制方式、物理層傳輸方案、容量或者誤碼率等與系統(tǒng)設計相關(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)復雜、功耗高、對信道中的多徑衰落敏感等缺點,所以在60GHz室內(nèi)多徑環(huán)境中

2、進行載波通信時,整個系統(tǒng)的復雜度和成本都會比較高。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,并且在調(diào)制方案、系統(tǒng)設計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),并對系統(tǒng)的容量和誤碼率性能進行了研究。
　　本文的工作和貢獻主要有以下幾個方面:第一,提出在60GHz頻段采用與IR-UWB相同的脈沖通信方式,設計了兩種適用于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模型。第二,基于Nakagami室內(nèi)衰落信道模型,對采用相關(guān)接收機時系統(tǒng)的容量和誤碼率公式進行了推導和分析,并研究了信道特征以及脈沖波形對系統(tǒng)性能的影響。第三,對IEEE TG3c推薦的兩種室內(nèi)居住環(huán)境的信道模型CM1和CM2進行了詳細的分析,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)學模型,以便于后續(xù)對系統(tǒng)性能的研

4、究。第四,對在兩種信道中分別采用不同的接收機時,60GHz單用戶PPM系統(tǒng)的容量和誤碼率性能進行了理論公式的推導和仿真分析,并比較了三種接收機的性能。
　　本文通過對60GHz單用戶PPM系統(tǒng)的性能研究,可以得到如下幾點結(jié)論:第一,脈沖波形的選擇會影響系統(tǒng)的性能,所以要合理地設計60GHz脈沖?？梢允褂帽疚闹型茖У娜萘抗?作為檢驗脈沖波形優(yōu)劣的一個標準。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中進行數(shù)據(jù)傳輸時,如果要求系統(tǒng)的誤碼率不超過10-4,此時系統(tǒng)可以實現(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),可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,但是通信距離會下降到20米以內(nèi)。在非視距(NLOS)信道中的2PPM系統(tǒng),要想實現(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,信號的能量分散在大量多徑信號內(nèi),多徑衰落比較嚴重,系統(tǒng)的性能相對較差。但是通過RAKE接收機對多條路徑進行分集接收,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)接收機對第一條到達的接收信號進行相干解調(diào),此時系統(tǒng)可以實現(xiàn)比較理想的性能。在CM2信道中的最佳接收機為采用MRC合并方式的RAKE相關(guān)接收機,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)的性能達到最優(yōu)。第五,能量接收機可以作為系統(tǒng)的次優(yōu)接收方案,因為該接收方案的性能雖然相對較差,但是結(jié)構(gòu)簡單,成本低,非常適用于對性能要求不是特別嚴格的60GHz脈沖通信系統(tǒng)。并且,通過對能量接收機的改進,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60GHz無線通信系統(tǒng)物理層傳輸方案的補充。并且,通過對60GHz信道的分析、脈沖波形的設計、接收機的選擇、以及誤碼率和容量性能的研究,完