一種毫米波通信的物理層設計與仿真

王 東，文 海

(1.中國電子科技集團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

無線通信在過去的幾十年中經過了空前的發展，當前無線通信的傳輸速率可達幾百Mbps，但仍不能滿足人們對高速率無線通信的需求[1]。隨著頻譜資源的日益緊張，目前的無線通信技術逐漸將目光轉移到了毫米波通信。毫米波通信由于其極其豐富的頻譜資源，可提供高達數吉比特的數據傳輸速率，成為未來最具潛力的無線通信技術之一。

由于現階段頻帶資源非常稀缺，國際上很多國家都規劃了毫米波頻段，如60 GHz左右頻帶和70～80 GHz頻帶，設定的帶寬高達10 GHz左右。IEEE工作組發布了針對60 GHz毫米波的802.15.3c標準[3]，主要規定了毫米波物理層的規范。文獻[2]提出了一種頻域交疊均衡技術，該技術是在數據塊之間不加入循環前綴通過在頻域進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。本文在上述基礎上對物理層進行了系統設計，提出了一種完整的物理層設計方案。該設計在不降低系統性能的前提下將訓練序列盡量簡化，有效地保證了毫米波通信的傳輸效率，降低了對系統硬件資源的占用；并且簡化的訓練序列能夠足以處理定時、頻偏和信道估計等的影響。通過此種設計在AWGN信道下進行了仿真，驗證了系統性能。

1 物理層工作原理

物理層(PHY)處于整個網絡結構的最底層[3]，它為毫米波通信的傳輸提供通道，是實現上層協議、網絡傳輸的基礎，其工作原理如圖1所示[4]。

圖1 物理層工作原理

在發送端，由MAC層接收到的信號經過編碼、調制后再經過帶寬調整、抽樣濾波和D/A變換后輸出。接收端，可同時接收2路不同極化的信號，經過A/D變換、FFT后合為一路，再進行XPIC(交叉極化干擾抵消)、解調和解碼后送入MAC層。

為了將物理層功能及相互接口區分清晰[5]，將其分成3個子層，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。過程包括添加物理幀頭、計算幀檢測序列(Header Check Sequence，HCS)、成幀、編碼和星座映射等以形成PLCP協議數據單元；

③ 物理層信號處理子層(Physical Signal Process，PSP)：PSP子層負責信號的A/D、D/A變換、信道估計和均衡等部分。

圖1虛框內的部分是在PLCP子層進行處理，其他部分均在PSP層進行。

2 物理層設計

涉及信號處理的部分主要在PLCP子層和PSP子層進行，本文的設計主要針對PLCP和PSP兩個子層進行。

2.1 PLCP子層設計

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

圖2 PLCP子層幀結構

幀頭由未經過編碼的符號構成，數據是經過LDPC編碼和調制的數據。

本文設計中每個幀包括83個數據塊，每個數據塊由47個數據符號和1個導頻符號構成。數據塊是為了便于接收端處理而定義的，并無實際的物理意義。幀頭包括47個BPSK調制符號，具體定義如下：

2(調制)+2(編碼)+2(邏輯帶寬選擇)+5(鏈路質量標識)+4(序列數)+16(CRC)+16(預留)

循環冗余校驗(Cyclic Redundancy Check)采用的是CCITT CRC-16標準，其幀頭檢測序列表達式如下：

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子層設計

PSP子層產生基帶信號來承載PLCP子層的數據信息并接收基帶信號將其變換后發送給PLCP子層。

PSP的幀結構如圖4所示，在PLCP子層幀結構設計的基礎上加入了訓練序列。為了便于接收信號處理，整個幀被分成了若干個數據塊(每個數據塊包括48個數據符號)，每個數據塊的尾部有一個導頻信號。訓練序列包含3個數據塊，幀頭由一個數據塊，數據部分有83個數據塊，最后一個數據塊的尾部有13個冗余數據符號，這13個冗余數據符號是隨機產生的。

圖4 PSP子層幀結構

由圖4可看出，在幀結構的設計中采用了數據塊之間不插入循環前綴的單載波傳輸方式，因塊間干擾只會影響數據塊邊緣的數據部分，采用了頻域交疊均衡技術以抑制塊間干擾。由此減少了系統開銷，提高了傳輸效率。

訓練序列的選擇主要考慮了信道的相關性，在兩徑的信道條件下已經做到了最短，再減少將會對定時、頻偏估計等產生較大影響，繼而影響系統性能；如若信道條件惡化，可考慮適當增加訓練序列以彌補對信道估計的影響。

訓練序列用于同步、信道估計、載波頻偏(CFO)估計、I/Q失衡估計和部分時偏估計等，這樣就要求信道的延時擴展不大于48個數據符號。

將以上成幀信號經過編碼、調制、抽樣濾波和D/A變換等一系列處理后發送。

3 仿真分析

仿真采用了上述毫米波物理層的設計方法，在帶寬為500 MHz，采用64QAM的調制方式，傳輸速率為2.5 Gbps的條件下，在AWGN信道下進行了存在工程偏差和不存在工程偏差2種情況下仿真，并對系統性能進行了評估[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誤差、采樣率變化和均衡等因素引起的。

圖5 無偏差下的性能曲線

在工程應用中，綜合考慮各種硬件器件的選擇帶來的系統偏差，確定參數為載波頻偏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行的系統性能的仿真。在存在以上偏差，并且糾正完成后的信號星座映射圖如圖6所示。

圖6 存在偏差下的信號星座

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，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

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

4 結束語

為了保證毫米波通信的傳輸效率，針對毫米波通信高速傳輸的特點，基于分層設計的思想，提出了一種完整的物理層設計方法，通過合理的幀結構設計，算法設計盡量地提高傳輸效率，并對其性能進行了仿真[18-20]。仿真結果表明，該設計可以在較少的系統開銷下，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用提供支撐。