60 GHz 脉冲无线通信系统的 TH-PAM 多址接入方案

张永斌，李学华，姚勃旭

（北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京 100101）

60 GHz 脉冲无线通信系统的 TH-PAM 多址接入方案

张永斌，李学华，姚勃旭

（北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京 100101）

针 对 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统 中 的 多 用 户 干 扰 问 题 ， 研 究 了 基 于 TH-PAM 的 多 址 调 制 方 案 的 性 能 。在 IEEE 802.15.3c 信 道 模 型 下 ， 建 立 了 系 统 误 码 性 能 、 通 信 距 离 和 用 户 数 关 系 的 分 析 模 型 ， 研 究 了 TH-PAM 多址调制系统的多用户干扰特性，并与 TH-PPM 方案进行了比较。 仿真结果表明，采用 TH-PAM 多址调制方式的系 统 在 通 信 距 离 小 于 30 m 的 范 围 内 ， 误 码 率 可 以 保 持 在 10-5以 下 ， 而 采 用 TH-PPM 方 式 的 系 统 在 100 m 的 范围 内 ， 误 码 率 始 终 大 于 10-4。 由 此 可 见 ，TH-PAM 比 TH-PPM 更 加 适 合 用 于 60 GHz 短 距 离 无 线 通 信 ， 为 5G 高 频新空口的热点高容量应用场景提供了技术参考。

60 GHz 频 段 ；5G； 脉 冲 无 线 通 信 ；TH-PAM；TH-PPM； 多 用 户 干 扰

1 引言

从 2012 年 以 来 ，NGMN、IMT-2020 推 进 组 、5GMF、5G Forum 等论坛和标准组织陆续出版了 5G 白皮书。 其中，在5G 需 求 层 面 最 有 代 表 性 的 是 NGMN 和 IMT-2020 工 作 组出版的需求白皮书。在 2015 年 6 月的 ITU-R 会议上，5G 工作取得了巨大进展。5G 被正式命名为 IMT-2020；IMT-2020对 5G 候选技术做了比较深入的分析研究，确定了 10 种使能技术：超密集组网、大规模天线、全频谱接入、新型多址、新型多载波、先进调制编码、终端直通、灵活双工、全双工和频谱共享。 如图 1 所示，5G 高频新空口通过超大带宽来满足热点高容量场景极高传输速率的要求。同时，高频段覆盖小、信号指向性强，可通过密集部署来达到极高的流量 密 度［1］。

由于拥有丰富的免许可频谱资源、高方向性、高系统容 量 和 数 Gbit／s 的 高 传 输 速 率 等 优 势［2］，60 GHz 频 段 被 列为 5G 高 频 新 空 口 的 候 选 频 段 之 一 。当前国内外对 60 GHz无线通信系统的研究主要集中在信道的测量、标准的制定、收发信机集成电路芯片的设计等方面，而且主要针对 60 GHz 载波无线通信。众所周知，载波通信对于信道的多径效应十分 敏 感 ，特 别 是 像 60 GHz 这 种 高 频 信 号 ，经 过 多 条 路 径 的传输，在接收端会出现多种不同时延、相位的信号发生重叠的情况，这 将 严 重 降 低 系 统 的 性 能 。参 考 文 献［3］首 次 提出 了 基 于 60 GHz 的 脉 冲 通 信 方 式 ，并 对 其 容 量 和 误 码 率性能进行了分析。研究结果表明，该通信方式具有良好的抗多径衰落的特性。

在 5G 高频新空口热点高容量场景中，多用户干扰问题是不可避免的。在无线通信系统中，多址接入技术使得多个用户共享同一信道成为可能，可以有效地解决多用户干 扰 问 题 。 针 对 5G 低 频 段 应 用 的 多 址 技 术 包 括［1］： 基 于 多维 调 制 和 稀 疏 码 扩 频 的 SCMA （sparse code multiple access，稀疏码分多址接入）技术、基于非正交特征图样的PDMA（pattern division multiple access，图 样 分 割 多 址 接 入 ）技术和基于复数多元码及增强叠加编码的 MUSA（multi-user shared access，多 用 户 共 享 接 入 ）技 术 等 ，这 些 新 型 多 址 接 入技术通过多用户信息在相同资源上的叠加传输，在接收侧利用先进的接收算法分离多用户信息，不仅可以有效提升系统频谱效率，还可成倍地增加系统的接入容量。针对UWB（ultra wideband，超 宽 带 ）无 线 通 信 系 统 的 多 址 调 制 技术的研究主要集中在 TH-PAM 和 TH-PPM 方案上。参考文献［4］分 析 了 单 用 户 M-PAM 和 M-PPM 系 统 的 误 码 率 性 能 ，结 果 表 明 ，采 用 2-PAM 和 2-PPM 能 够 实 现 更 好 的 误 码 性能。参考文献［5］表明在 AWGN 信道下，TH-PAM 和TH-PPM超宽带单用户系统的性能均随脉冲重复次数的增加而有明 显 的 改 善 ，并 且 前 者 优 于 后 者 。目 前 ，针 对 60 GHz 脉 冲无线通信系统多址调制方案的研究尚未展开。综上所述，研 究 一 种 多 址 接 入 方 案 以 满 足 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统的需求是十分必要的。

本 文 首 先 建 立 了 基 于 TH-PAM 多 址 调 制 的 60 GHz 脉冲 无 线 通 信系 统 模 型 ；其 次 ，对 TH-PAM 的 多 址 性 能 进 行了研究，建立了系统误码性能的理论分析模型。再次，对60 GHz TH-PAM 的 误 码 率 性 能 与 通 信 距 离 、用 户 数 三 者 之间的关系进行了仿真，并与 TH-PPM 进行了比较。

2 60 GHz 脉冲无线通信系统模型

基 于 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统 的 TH-PAM 多 址 调 制方案的系统模型如图2所示。信道编码选择具有高码率的LDPC（low density parity check code，低 密 度 奇 偶 校 验 码 ）［6］，PN 码 选 择 具 有 良 好 相 关 特 性 的 Gold 码 ，调 制 方 式 选 择PAM，接收端采用结构简单的相干接收。

图1 5G 无线技术路线与应用场景

在 信 道 模 型 的 选 择 上 ，IEEE 802.15.3c 工 作 小 组 在2009 年 推 荐 了 几 种 60 GHz 无 线 通 信 系 统 信 道 模 型［8］。其中 ，CM4 信 道 为 非 视 距 情 况 下 的 办 公 环 境 中 的 60 GHz 信道模型，符合本文的应用场景，因此本文采用该信道模型作 为 基 础 进 行 理 论 分 析 和 仿 真 。参 考 文 献 ［9］根 据 Friis 方程和 60 GHz系统噪声模型推导 出 了 系 统 性 能 与 最 大 通 信距离d之间的关系为：

图2 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统

其 中 ，n 为 功 率 衰 减 指 数 ，一 般 取 2.2，λ 是 与 中 心 频 率fc相 对 应 的 波 长 。

在 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统 中 ，脉 冲 波 形 携 带 需 要传 输 的 信 息 ，这 是 与 载 波 通 信 的 本 质 区 别 。采用 60 GHz频率的余弦函数将基带脉冲信号调制到射频段，即可以得到满 足 60 GHz射频辐射模板的脉冲波 形 。高 斯 脉 冲 信 号 频谱曲线光滑，但其信号成分中含有直流分量，不利于通信系统的有效传输，为了避免脉冲信号直流分量给通信系统带来的信号畸变，可以对高斯函数进行求导运算，参考文献 ［10］中 选 择 了 高 斯 脉 冲 的 二 阶 导 数 作 为 60 GHz 脉 冲 波形，信号形式为：

其 中 ，α2=4πσ2为脉冲因子。

本 文 也 选 择 了 高 斯 脉 冲 的 二 阶 导 数 作 为 60 GHz 脉 冲波 形 。图 3 为 应 用 高 斯 二 阶 导 函 数 产 生 的 60 GHz 脉 冲 信号波形及其功率谱密度。

图3 60 GHz 高 斯 脉 冲 时 域 波 形 及 功 率 谱 密 度

3 TH-PAM 多址性能

3.1 多用户干扰模型

多址技术可以有效地解决多用户干扰问题，TH-PAM是利用不同伪随机码区分不同用户，用不同脉冲幅度 表 示 不 同 信 息 的 多 址 调 制 技 术 。在 多 用 户 的 60 GHz脉 冲 无 线 通 信 系 统 中 ，用 户 k 的 TH-PAM 信 号 可 以 表示 为 ［11，12］：

经过 CM4 多径信道传输后，接收信号为：

其 中 ，ai（i=0，1，… ，L-1）表 示 路 径 幅 度 衰 落 ，L 表 示 路 径数，Λ 表示多径信道时延，Ak表示多用户路径损耗。

假设模型是对称的，接收机和发射机收发信息完全同步，则接收机已知对应的 PN 码和传输时延 Λ。接收端采用相干 检 测，设 用户 0 为 主 要 接 收 信 号，其 余 用 户 的 信号 皆视为多用户干扰。则用户 0接收机检测时需提供的相关掩膜信号为：

接收机的输出信号为：

其 中 ，R0为 有 用 信 号 相 关 检 测 输 出 ，Rmui为 多 用 户 干扰，Rn为高斯白噪声相关输出。

3.2 SINR 和 BER 性能

由于短距离无线通信中每个用户受到的干扰可假设是 相同的，因此可根据某一个用户 接 收 信号的 BER 性 能来衡量整个多用户系统的传输性能。而 BER 与 SINR 是相关 联 的 ，故 60 GHz 短 距 离 脉 冲 无 线 通 信 系 统 中 SINR 值 的确定将十分关键。根据参考文献［14］，有：

其 中 ，Eb为 接 收 端 有 用 信 号 能 量 之 和为 多 用 户 干扰 方 差 ，σn2为 接 收 端 输 出 噪 声 干 扰 方 差 。根 据 第 3.1 节 中分析的多用户干扰模型，可以得到：

为了 减少码 间串 扰并保 持较 高 的 传 输 性 能 ，在 60 GHz脉 冲 无 线 通 信系 统 中 将 采 用 正 交 PAM 调 制 。如 果 系 统 实施良好的功率控制，接收端的各用户信号能量基本相等 ，每 条 传 输 链 路 的 衰 减 总 和 是 相 同 的 ，可 以 得 到 SINR与 β（脉冲占空比的倒数，取决于 Tp和 Tc的大小 ，一般为定 值 ） 、Nu（用 户 数 ） 、Ns（每 比 特 脉 冲 数 ）、Nh（ 跳 时 码 最大值上界）、SNR（单位脉冲信噪比）的关系，可将式（7）写成：

根据参考文献［15，16］可得 TH-PPM 的 SINR 为：

根 据 参 考 文 献 ［13］中 对 TH-PPM 的 BER 与 SINR 关 系的 推 导 和 参 考 文 献［17］中 对 TH-PAM 的 BER 与 SINR 关 系的推导，并且结合式（1）中通信距离与信噪比的关系，可得基 于 TH-PAM 和 TH-PPM 多 址 调 制 的 60 GHz 脉 冲 无 线 通信系统的误码率、通信距离以及用户数的关系分别为：

4 性能仿真

根据第 3节推导出的误码率计算式，本节将使用MATLAB 工具，对误码率计算式进行数值计算仿真，验证TH-PAM 和 TH-PPM 在 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统 中 的 抗多 用 户 干 扰 性 能 。仿 真 参 数 设 置 如 下 ：β=10，fc=60 GHz，c=

［7］指 出 ，在 理 论 上 ，为 了 避 免 过 大 的 非 线 性失真，一种直观的方案是采用输出功率回退机制，限定发射信号的输出功率。众所周知，降低发射功率会使信噪比降低，致使系统的抗干扰能力减弱。根据参考文献［9］中的链路预算分析，本文研究了功放元件非线性特性对系统性能的影响。 如图 4 所示，当信噪比小于 10 dB 时，输入／输出将 处 于 线 性 区 ， 但 TH-PAM 系 统 的 误 码 率 始 终 大 于 10-5，TH-PPM 系 统 的 误 码 率 更 差 ，始 终 大 于 10-3，都 无 法 保 证 通信 质 量 ；当 信 噪 比 大 于 10 dB 时 ，功 放 元 件 将 工 作 在 非 线性 区 ，但 TH-PAM 系 统 的 误 码 率 大 于 10-5，能 够 满 足 信 息可 靠 传 输的 要 求 ，而 TH-PPM 系 统 依 然 无 法 保 证 通 信 质量。因此，功率回退机制是在牺牲系统性能的情况下降低了 非 线 性 失 真 的 负 面 影 响 。如 果 要 满 足 系 统 QoS（quality of service，服 务 质 量 ）的 需 求 ，这 就 对 功 放 元 件 的 结 构 设计、制造工艺等方面提出了较高的要求。

图4 系统信噪比与误码率性能的关系

如 图 5 所 示 ，在 用 户 数 Nu=50 的 情 况 下 ，TH-PAM 和TH-PPM 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统 的 误 码 率 性 能 都 随 着距 离 d 的 增 大 而 变 差 。TH-PAM 多址调制方式在 d≤30 m的 范围内 ，误码 率 可以保持 在 10-5以 下 ，说 明 该 方 式比 较适合短距离之间的信息传输。而 TH-PPM 多址调制方式的系统误码率比较差，始终大于 10-4。显然，相比于 TH-PPM，TH-PAM 多 址 调 制 方 式 更 适 合 多 用 户 60 GHz 脉 冲 无 线 通信系统。

图5 TH-PAM 与 TH-PPM 的误码率性能 比 较

如 图 6 所 示 ，随 着 通信 距 离 d 的 不 断 增 加，系 统能 保证 正 常 通 信 的 用 户数 在 不 断 减 少 。当 通 信 距 离 d≤45 m时，只要提高 单位比特脉冲数 Ns的值，采用 TH-PAM 多 址调制方式的系统误码率就可以保 持在 10-5以下，即可保证500 个用户正常通信。当用户数相对比较少时，例如 Nu≤300，采 用 TH-PAM 多 址 调 制 方式 的 系 统 可 以 保 证 更 加 理 想 的误 码 性 能 。从 图 7 可 以 看 出 ，当 通 信 距 离 为 45 m，用 户 数为 500 个时 ，采用 TH-PPM 多 址调制方式 的 系统误码 率 已经接近 3.1×10-2，系统的可靠性较差。即使在用户数为 200时 ，系 统 的 误 码 率 也 只 有 2.2×10-3。综 上 所 述 ，TH-PAM 比TH-PPM 多 址 调 制 方 式 更 适 合 用 于 多 用 户 60 GHz 脉 冲 短距离无线通信系统。

5 结束语

当前，5G 愿景与需求已基本明确，国际标准制定工作即将启动。为此，迫切需要尽快细化 5G 技术路线，整合各种 无 线 关 键 技 术 。60 GHz 是 5G 高 频 新 空 口 的 候 选 频 段 之一 。针 对 目 前 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统 中 尚 未 解 决 的 多用 户 干 扰 问 题 ， 通 过 在 发 送 端 引 入 TH-PAM 多 址 调 制方案，实现多址接入来提高系统的可靠性。本文建立了基 于 TH-PAM 的 60 GHz 脉 冲 无 线 通 信 系 统 模 型 ，在IEEE 802.15.3c 信道模型下研究了系统误码性能、用户 数 和通 信 距 离 之 间 的 关 系 ，分 析 了 TH-PAM 多 址 调 制 下 60 GHz脉冲无线通信系统的多用户干扰特性 ，并 与 TH-PPM 方 案进 行 了 比 较 。 性 能 仿 真 与 分 析 结 果 显 示 ，TH-PAM 比TH-PPM 多 址 调 制 方 式 更 加 适 合 用 于 60 GHz 脉 冲 无 线 短距离通信。本文的研究为今后 5G 高频新空口的热点高 容量场景的研究提供了重要的参考。

图6 TH-PAM 的误码率性能与通信距离、用户数的关系

图7 TH-PPM 的误码率性能与通信距离、用户数的关系

参考文献：

（2）网络爬虫抓取机制考虑到了专用与通用结合，在确保包装及印刷领域信息搜索的同时，尽量满足了包装及印刷各工序中多方面的信息查询需求。

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TH-PAM multiple access scheme for 60 GHz pulse wireless communication system

ZHANG Yongbin，LI Xuehua，YAO Boxu
School of Information&Communication Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China

In view of the multi-user interference problem in 60 GHz pulse wireless communication system，the performance of the system based on TH-PAM multiple modulation scheme was studied.Under the IEEE 802.15.3.c channel model，relationship analysis model between system BER performance，communication distance and number of user was put forward，multi-user interference characteristics of the system with TH-PAM multiple access modulation was studied.It was compared with TH-PPM multiple access system.Simulation results show that the BER of TH-PAM multiple access system can keep below 10-5within the scope of the communication distance is less than 30 meters，and the BER of TH-PPM multiple access system is always greater than 10-4in range of 100 meters. As a result，TH-PAM was more suitable for 60 GHz short-range wireless communication than TH-PPM and provided technical reference for hot high capacity scenario of 5G high-frequency new hollow.

60 GHz，5G，pulse wireless communication，TH-PAM，TH-PPM，multi-user interference

s：The National Natural Science Foundation of China（No.61171039），Beijing Youth Talents Foundation（No.CIT&TCD201404114），Science and Technology Project of Beijing Municipal Education Commission（No.KM201511232010）

TN914

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016118

张永斌（1991-），男，北京信息科技大学信息与通信工程学院硕士生，主要研究方向为射频通信及高速电路传输。

李学华（1977-），女，博士，北京信息科技大学信息与通信工程学院副教授、副院长，主要研究方向为无线通信物理层关键技术。

姚勃旭（1988-），男，北京信息科技大学信息与通信工程学院硕士生，主要研究方向为射频通信及通信系统信道编码。

2015-12-08；

2016-03-30

国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （No.61171039）； 北 京 市 青 年 拔 尖 人 才 资 助 项 目 （No.CIT&TCD201404114）； 北 京 市 教 委 科 技 面 上 项目（No.KM201511232010）