一種毫米波通信的物理層設(shè)計(jì)與仿真

王 東，文 海

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

無(wú)線通信在過(guò)去的幾十年中經(jīng)過(guò)了空前的發(fā)展，當(dāng)前無(wú)線通信的傳輸速率可達(dá)幾百M(fèi)bps，但仍不能滿足人們對(duì)高速率無(wú)線通信的需求[1]。隨著頻譜資源的日益緊張，目前的無(wú)線通信技術(shù)逐漸將目光轉(zhuǎn)移到了毫米波通信。毫米波通信由于其極其豐富的頻譜資源，可提供高達(dá)數(shù)吉比特的數(shù)據(jù)傳輸速率，成為未來(lái)最具潛力的無(wú)線通信技術(shù)之一。

由于現(xiàn)階段頻帶資源非常稀缺，國(guó)際上很多國(guó)家都規(guī)劃了毫米波頻段，如60 GHz左右頻帶和70～80 GHz頻帶，設(shè)定的帶寬高達(dá)10 GHz左右。IEEE工作組發(fā)布了針對(duì)60 GHz毫米波的802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)[3]，主要規(guī)定了毫米波物理層的規(guī)范。文獻(xiàn)[2]提出了一種頻域交疊均衡技術(shù)，該技術(shù)是在數(shù)據(jù)塊之間不加入循環(huán)前綴通過(guò)在頻域進(jìn)行處理以降低碼間干擾，從而提高了毫米波通信的傳輸效率。本文在上述基礎(chǔ)上對(duì)物理層進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一種完整的物理層設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)在不降低系統(tǒng)性能的前提下將訓(xùn)練序列盡量簡(jiǎn)化，有效地保證了毫米波通信的傳輸效率，降低了對(duì)系統(tǒng)硬件資源的占用；并且簡(jiǎn)化的訓(xùn)練序列能夠足以處理定時(shí)、頻偏和信道估計(jì)等的影響。通過(guò)此種設(shè)計(jì)在AWGN信道下進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)性能。

1 物理層工作原理

物理層(PHY)處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最底層[3]，它為毫米波通信的傳輸提供通道，是實(shí)現(xiàn)上層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕A(chǔ)，其工作原理如圖1所示[4]。

圖1 物理層工作原理

在發(fā)送端，由MAC層接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制后再經(jīng)過(guò)帶寬調(diào)整、抽樣濾波和D/A變換后輸出。接收端，可同時(shí)接收2路不同極化的信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D變換、FFT后合為一路，再進(jìn)行XPIC(交叉極化干擾抵消)、解調(diào)和解碼后送入MAC層。

為了將物理層功能及相互接口區(qū)分清晰[5]，將其分成3個(gè)子層，分別定義如下[6-8]：

① 物理層管理子層(Physical Layer Management，PLM)：與MAC層管理相連，為物理層提供管理功能；

② 物理層匯聚子層(Physical Layer Convergence Procedure，PLCP)：該層主要定義MAC層與物理層通信的方法。過(guò)程包括添加物理幀頭、計(jì)算幀檢測(cè)序列(Header Check Sequence，HCS)、成幀、編碼和星座映射等以形成PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元；

③ 物理層信號(hào)處理子層(Physical Signal Process，PSP)：PSP子層負(fù)責(zé)信號(hào)的A/D、D/A變換、信道估計(jì)和均衡等部分。

圖1虛框內(nèi)的部分是在PLCP子層進(jìn)行處理，其他部分均在PSP層進(jìn)行。

2 物理層設(shè)計(jì)

涉及信號(hào)處理的部分主要在PLCP子層和PSP子層進(jìn)行，本文的設(shè)計(jì)主要針對(duì)PLCP和PSP兩個(gè)子層進(jìn)行。

2.1 PLCP子層設(shè)計(jì)

PLCP子層的工作主要有成幀、編碼以及星座映射等工作。PLCP子層的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括幀頭、幀頭檢測(cè)序列(Header Check Sequence)和數(shù)據(jù)[9-11]。

圖2 PLCP子層幀結(jié)構(gòu)

幀頭由未經(jīng)過(guò)編碼的符號(hào)構(gòu)成，數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)LDPC編碼和調(diào)制的數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)中每個(gè)幀包括83個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊由47個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)和1個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)構(gòu)成。數(shù)據(jù)塊是為了便于接收端處理而定義的，并無(wú)實(shí)際的物理意義。幀頭包括47個(gè)BPSK調(diào)制符號(hào)，具體定義如下：

2(調(diào)制)+2(編碼)+2(邏輯帶寬選擇)+5(鏈路質(zhì)量標(biāo)識(shí))+4(序列數(shù))+16(CRC)+16(預(yù)留)

循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check)采用的是CCITT CRC-16標(biāo)準(zhǔn)，其幀頭檢測(cè)序列表達(dá)式如下：

X16+X12+X5+1。

HCS的處理流程如圖3所示。

圖3 HCS處理流程

2.2 PSP子層設(shè)計(jì)

PSP子層產(chǎn)生基帶信號(hào)來(lái)承載PLCP子層的數(shù)據(jù)信息并接收基帶信號(hào)將其變換后發(fā)送給PLCP子層。

PSP的幀結(jié)構(gòu)如圖4所示，在PLCP子層幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加入了訓(xùn)練序列。為了便于接收信號(hào)處理，整個(gè)幀被分成了若干個(gè)數(shù)據(jù)塊(每個(gè)數(shù)據(jù)塊包括48個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào))，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的尾部有一個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)。訓(xùn)練序列包含3個(gè)數(shù)據(jù)塊，幀頭由一個(gè)數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)部分有83個(gè)數(shù)據(jù)塊，最后一個(gè)數(shù)據(jù)塊的尾部有13個(gè)冗余數(shù)據(jù)符號(hào)，這13個(gè)冗余數(shù)據(jù)符號(hào)是隨機(jī)產(chǎn)生的。

圖4 PSP子層幀結(jié)構(gòu)

由圖4可看出，在幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采用了數(shù)據(jù)塊之間不插入循環(huán)前綴的單載波傳輸方式，因塊間干擾只會(huì)影響數(shù)據(jù)塊邊緣的數(shù)據(jù)部分，采用了頻域交疊均衡技術(shù)以抑制塊間干擾。由此減少了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，提高了傳輸效率。

訓(xùn)練序列的選擇主要考慮了信道的相關(guān)性，在兩徑的信道條件下已經(jīng)做到了最短，再減少將會(huì)對(duì)定時(shí)、頻偏估計(jì)等產(chǎn)生較大影響，繼而影響系統(tǒng)性能；如若信道條件惡化，可考慮適當(dāng)增加訓(xùn)練序列以彌補(bǔ)對(duì)信道估計(jì)的影響。

訓(xùn)練序列用于同步、信道估計(jì)、載波頻偏(CFO)估計(jì)、I/Q失衡估計(jì)和部分時(shí)偏估計(jì)等，這樣就要求信道的延時(shí)擴(kuò)展不大于48個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)。

將以上成幀信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制、抽樣濾波和D/A變換等一系列處理后發(fā)送。

3 仿真分析

仿真采用了上述毫米波物理層的設(shè)計(jì)方法，在帶寬為500 MHz，采用64QAM的調(diào)制方式，傳輸速率為2.5 Gbps的條件下，在AWGN信道下進(jìn)行了存在工程偏差和不存在工程偏差2種情況下仿真，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)估[12-14]。

在不考慮工程偏差情況下的理論值和仿真值的性能仿真曲線如圖5所示。由圖5中可以看出，在BER=10-6，在AWGN信道下，理論值和仿真值的差值約1.3 dB，這主要是由信道估計(jì)誤差、采樣率變化和均衡等因素引起的。

圖5 無(wú)偏差下的性能曲線

在工程應(yīng)用中，綜合考慮各種硬件器件的選擇帶來(lái)的系統(tǒng)偏差，確定參數(shù)為載波頻偏0.5 MHz，采樣偏差5 ppm，I/Q偏差2 dB。在以上工程偏差情況下進(jìn)行的系統(tǒng)性能的仿真。在存在以上偏差，并且糾正完成后的信號(hào)星座映射圖如圖6所示。

圖6 存在偏差下的信號(hào)星座

以上偏差條件下的性能仿真曲線如圖7所示。由圖7可以看出，在BER=10-6時(shí)，理論值和仿真值的差值為2.5 dB[15-17]。

圖7 存在偏差下的性能曲線

通過(guò)以上在AWGN信道2種情況的仿真，可以看出，系統(tǒng)的誤碼率曲線均較接近理論值，較好地保證了系統(tǒng)的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了保證毫米波通信的傳輸效率，針對(duì)毫米波通信高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，基于分層設(shè)計(jì)的思想，提出了一種完整的物理層設(shè)計(jì)方法，通過(guò)合理的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，算法設(shè)計(jì)盡量地提高傳輸效率，并對(duì)其性能進(jìn)行了仿真[18-20]。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可以在較少的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)下，保證較高的傳輸性能和傳輸效率，可為毫米波通信的工程應(yīng)用提供支撐。