60GHz无线通信系统在PPM调制下的信道容量分析

　　摘要：本文主要研究60GHz无线通信系统在高斯信道下的香农信道容量及在脉冲位置调制(MPPM)下的信道容量。理论分析与推导得到香农信道容量与传输距离的关系函数，由MPPM调制原理及高斯信道的数学模型推导系统在MPPM调制下信道容量与信噪比、信道容量与通信距离间的函数关系，利用Matlab仿真，得到不同条件下的关系曲线。研究结果表明，60GHz无线通信系统在高斯信道下的信道容量是通信距离和信噪比的函数，该系统更适合于短距离无线通信。高进制的PPM调制能够显著的提高系统数据传输速率，当数据率相同时，高进制调制的PPM能够提供的可靠通信距离更远。

　　关键词：60GHz；信道容量；通信距离；信噪比

　　中图分类号: X73 文献标识码:B

　　On Capacity of 60 GHz Wireless Communications System with Pulse Position Modulation Abstract

　　 This paper mainly investigates the capacity of 60GHz wireless communications over AWGN channels, including the Shannon capacity and channel capacity with M-ary pulse position modulation (MPPM). Firstly, the function of the relationship between Shannon capacity and transmission distance is derived by theoretical analysis. Using the principle of MPPM and the mathematical model system of AWGN, the relationship between the capacity with PPM and the signal to noise ratio (SNR) could be gotten and the relationship between the capacity and the communication distance could be gotten too. Secondly, the paper simulates the research results using Matlab. The function relationship curves are obtained. The result shows that, the capacity of 60GHz wireless communication over AWGN channels is a function of communication distance and signal to noise ratio and the system is suitable for short distance communication. Whenchoose the high ary PPM, the system data transfer rate will be improved. When the transfer rate is unchanged, the high ary PPM can provide farther reliable communication distance.

　　Keywords: 60GHz; Channel Capacity; Communication Distance; SNR

　　1脉冲位置调制(PPM)

　　PPM是一种改变脉冲时间的调制方式。以BPPM为例，当调制数据为‘0’时，脉冲位置出现一个偏移；当调制数据为‘1’时，脉冲位置不变，脉冲间隔仍是脉冲周期。脉冲位置调制的波形为：

　　结果显示：一个60GHz无线通信系统，不同的功率衰减指数n的信道容量和通信距离关系。得出：随着通信距离的增加信道容量降低，相同的通信距离，功率衰减指数n越小信道容量越大。假设带宽为5GHz，n=2.2，通信距离1km时，可获得的最大信息传输率为25Mbps，保持信道容量不变，功率衰减指数n越小，可实现可靠通信的距离越远。

　　4.2PPM调制下的信道容量分析

　　使用MATLAB仿真，得到：

　　图2 MPPM调制下信道容量与信噪比的关系

　　 (M=2,4,8,16,32)

　　一个5GHz带宽，MPPM调制下的60GHz无线通信系统：

　　2-PPM调制：SNR=5dB时数据率为3Gbps；SNR=15dB时数据率为5Gbps；

　　4-PPM调制：SNR=5dB时数据率为6Gbps；SNR=15dB时数据率为10Gbps；

　　8-PPM调制：SNR=5dB时数据率为7.5Gbps；SNR=15dB时数据率为15Gbps；

　　信道容量达到最大值后，信噪比SNR进一步增大，数据传输速率不会进一步提高。

　　随着SNR增加，不同进制的PPM调制数据传输速率整体呈现上升趋势，当SNR大于0dB时，调制数越大，数据传输率越高。高进制的PPM调制能显著提高系统数据传输速率。

　　一个5GHz带宽，采用MPPM调制下的60GHz无线通信系统而言：

　　2-PPM：通信距离D=50m，数据传输率为5Gbps，通信距离D=100m，数据率4Gbps；

　　4-PPM：通信距离D=50m，数据传输率为10Gbps，通信距离D=100m，数据率为8Gbps；

　　8-PPM：通信距离D=50m，数据传输率为15Gbps ，通信距离D=100m，数据率为11.25Gbps；

　　通过比较得出：信道容量随通信距离的增加而降低，D相同时，M越高，数据传输速率越大。相同数据率（例如2.5Gbps）时，采用高进制的PPM能够提供可靠通信的距离更远。传输距离达到几十米时，信道容量发生锐减，通信距离进一步增加，信道容量呈下降趋势直至几乎为零，得出结论：60GHz无线通信系统适合短距离传输。

　　6结论

　　本文简要说明PPM调制原理，分析60GHz无线通信系统的链路模型，推导了香农信道容量和MPPM下的信道容量。分析仿真结果得出：60GHz无线通信系统适于短距离通信，高进制的PPM能显著提高系统数据传输速率，当数据率相同时，高进制的PPM能够提供的可靠通信距离更远。

　　参考文献

　　[1]王静，杨旭，莫亭亭. 60GHz无线通信研究现状和发展趋势. 信息技术报. 第32卷第3期. 2008.3.

　　[2]S. Dolinar,1 D. Divsalar,1 J. Hamkins,1 and F. Pollara1.Capacity of Pulse-Position Modulation (PPM) on Gaussian and Webb Channels,8-~11.

　　[3]Zhang Hao，Liu Jian, Chen Wei. On the capacity of 60 GHz wireless communications over AWGN channels. ISAPE 2008 - The 8th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory Proceedings，2008，1557-1560. 28~29, 31~34.

　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

60GHz无线通信系统在PPM调制下的信道容量分析