一种毫米波通信的物理层设计与仿真

王 东，文 海

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

无线通信在过去的几十年中经过了空前的发展，当前无线通信的传输速率可达几百Mbps，但仍不能满足人们对高速率无线通信的需求[1]。随着频谱资源的日益紧张，目前的无线通信技术逐渐将目光转移到了毫米波通信。毫米波通信由于其极其丰富的频谱资源，可提供高达数吉比特的数据传输速率，成为未来最具潜力的无线通信技术之一。

由于现阶段频带资源非常稀缺，国际上很多国家都规划了毫米波频段，如60 GHz左右频带和70～80 GHz频带，设定的带宽高达10 GHz左右。IEEE工作组发布了针对60 GHz毫米波的802.15.3c标准[3]，主要规定了毫米波物理层的规范。文献[2]提出了一种频域交叠均衡技术，该技术是在数据块之间不加入循环前缀通过在频域进行处理以降低码间干扰，从而提高了毫米波通信的传输效率。本文在上述基础上对物理层进行了系统设计，提出了一种完整的物理层设计方案。该设计在不降低系统性能的前提下将训练序列尽量简化，有效地保证了毫米波通信的传输效率，降低了对系统硬件资源的占用；并且简化的训练序列能够足以处理定时、频偏和信道估计等的影响。通过此种设计在AWGN信道下进行了仿真，验证了系统性能。

1 物理层工作原理

物理层(PHY)处于整个网络结构的最底层[3]，它为毫米波通信的传输提供通道，是实现上层协议、网络传输的基础，其工作原理如图1所示[4]。

图1 物理层工作原理

在发送端，由MAC层接收到的信号经过编码、调制后再经过带宽调整、抽样滤波和D/A变换后输出。接收端，可同时接收2路不同极化的信号，经过A/D变换、FFT后合为一路，再进行XPIC(交叉极化干扰抵消)、解调和解码后送入MAC层。

为了将物理层功能及相互接口区分清晰[5]，将其分成3个子层，分别定义如下[6-8]：

① 物理层管理子层(Physical Layer Management，PLM)：与MAC层管理相连，为物理层提供管理功能；

② 物理层汇聚子层(Physical Layer Convergence Procedure，PLCP)：该层主要定义MAC层与物理层通信的方法。过程包括添加物理帧头、计算帧检测序列(Header Check Sequence，HCS)、成帧、编码和星座映射等以形成PLCP协议数据单元；

③ 物理层信号处理子层(Physical Signal Process，PSP)：PSP子层负责信号的A/D、D/A变换、信道估计和均衡等部分。

图1虚框内的部分是在PLCP子层进行处理，其他部分均在PSP层进行。

2 物理层设计

涉及信号处理的部分主要在PLCP子层和PSP子层进行，本文的设计主要针对PLCP和PSP两个子层进行。

2.1 PLCP子层设计

PLCP子层的工作主要有成帧、编码以及星座映射等工作。PLCP子层的帧结构如图2所示，包括帧头、帧头检测序列(Header Check Sequence)和数据[9-11]。

图2 PLCP子层帧结构

帧头由未经过编码的符号构成，数据是经过LDPC编码和调制的数据。

本文设计中每个帧包括83个数据块，每个数据块由47个数据符号和1个导频符号构成。数据块是为了便于接收端处理而定义的，并无实际的物理意义。帧头包括47个BPSK调制符号，具体定义如下：

2(调制)+2(编码)+2(逻辑带宽选择)+5(链路质量标识)+4(序列数)+16(CRC)+16(预留)

循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check)采用的是CCITT CRC-16标准，其帧头检测序列表达式如下：

X16+X12+X5+1。

HCS的处理流程如图3所示。

图3 HCS处理流程

2.2 PSP子层设计

PSP子层产生基带信号来承载PLCP子层的数据信息并接收基带信号将其变换后发送给PLCP子层。

PSP的帧结构如图4所示，在PLCP子层帧结构设计的基础上加入了训练序列。为了便于接收信号处理，整个帧被分成了若干个数据块(每个数据块包括48个数据符号)，每个数据块的尾部有一个导频信号。训练序列包含3个数据块，帧头由一个数据块，数据部分有83个数据块，最后一个数据块的尾部有13个冗余数据符号，这13个冗余数据符号是随机产生的。

图4 PSP子层帧结构

由图4可看出，在帧结构的设计中采用了数据块之间不插入循环前缀的单载波传输方式，因块间干扰只会影响数据块边缘的数据部分，采用了频域交叠均衡技术以抑制块间干扰。由此减少了系统开销，提高了传输效率。

训练序列的选择主要考虑了信道的相关性，在两径的信道条件下已经做到了最短，再减少将会对定时、频偏估计等产生较大影响，继而影响系统性能；如若信道条件恶化，可考虑适当增加训练序列以弥补对信道估计的影响。

训练序列用于同步、信道估计、载波频偏(CFO)估计、I/Q失衡估计和部分时偏估计等，这样就要求信道的延时扩展不大于48个数据符号。

将以上成帧信号经过编码、调制、抽样滤波和D/A变换等一系列处理后发送。

3 仿真分析

仿真采用了上述毫米波物理层的设计方法，在带宽为500 MHz，采用64QAM的调制方式，传输速率为2.5 Gbps的条件下，在AWGN信道下进行了存在工程偏差和不存在工程偏差2种情况下仿真，并对系统性能进行了评估[12-14]。

在不考虑工程偏差情况下的理论值和仿真值的性能仿真曲线如图5所示。由图5中可以看出，在BER=10-6，在AWGN信道下，理论值和仿真值的差值约1.3 dB，这主要是由信道估计误差、采样率变化和均衡等因素引起的。

图5 无偏差下的性能曲线

在工程应用中，综合考虑各种硬件器件的选择带来的系统偏差，确定参数为载波频偏0.5 MHz，采样偏差5 ppm，I/Q偏差2 dB。在以上工程偏差情况下进行的系统性能的仿真。在存在以上偏差，并且纠正完成后的信号星座映射图如图6所示。

图6 存在偏差下的信号星座

以上偏差条件下的性能仿真曲线如图7所示。由图7可以看出，在BER=10-6时，理论值和仿真值的差值为2.5 dB[15-17]。

图7 存在偏差下的性能曲线

通过以上在AWGN信道2种情况的仿真，可以看出，系统的误码率曲线均较接近理论值，较好地保证了系统的性能。

4 结束语

为了保证毫米波通信的传输效率，针对毫米波通信高速传输的特点，基于分层设计的思想，提出了一种完整的物理层设计方法，通过合理的帧结构设计，算法设计尽量地提高传输效率，并对其性能进行了仿真[18-20]。仿真结果表明，该设计可以在较少的系统开销下，保证较高的传输性能和传输效率，可为毫米波通信的工程应用提供支撑。