隨著移動智能終端的快速普及以及萬物互聯(lián)所帶來的移動新業(yè)務的持續(xù)增長,使得第五代移動通信系統(tǒng)(5G)需要滿足高速率、高頻譜效率和功率效率的需求。能夠支撐每秒千兆比特傳輸速率的4G移動通信系統(tǒng),將難以滿足未來移動通信的應用需求,這就需要新的無線通信技術(shù)予以支持。與此同時,在無線資源日益緊張的情況下,如何降低移動通信網(wǎng)絡的能源消耗,提升頻譜效率與功率效率也是5G中的核心問題。大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO,multiple-input multiple-output)無線傳輸技術(shù)通過深度挖掘空間資源,已經(jīng)成為第五代移動通信領(lǐng)域最重要的研究方向之一。然而大規(guī)模MIMO技術(shù)走向全面應用,仍面臨一系列挑戰(zhàn)。例如:大規(guī)模MIMO無線信道建模,信道狀態(tài)信息獲取,多用戶數(shù)據(jù)傳輸以及初始接入等。近年來,相關(guān)學者將大規(guī)模MIMO信道從天線域轉(zhuǎn)換到波束域,提出了波束域信道建模、大規(guī)模MIMO導頻復用方法以及波束分多址傳輸方案,有效的解決了數(shù)據(jù)信道傳輸?shù)膯栴}。但對于通信尚未建立的初始接入過程,仍有許多新問題需要進一步研究。對于下行同步,已有學者提出了全向傳輸方案,很好的解決了波束角度較窄需要頻繁掃描的問題,而對于上行同步,如何在波束域進行用戶隨機接入的研究尚未全面展開。本論文針對小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)較多時需要進行隨機接入的場景,從大規(guī)模MIMO波束域信道特性出發(fā),研究了大規(guī)模MIMO隨機接入信道設計,搭建了 5G原型驗證系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上進行了算法的硬件設計與實現(xiàn)。首先,本文研究了大規(guī)模MIMO波束域信道。分別針對窄帶波束域信道,正交頻分復用(OFDM,orthogonal frequency division multiplexing)寬帶波束域信道以及毫米波波束域信道進行了建模,研究了天線域信道與波束域信道之間的內(nèi)在聯(lián)系,揭示了波束域信道的稀疏特性和能量集中特性,為大規(guī)模MIMO波束域上行同步方法提供了重要的理論依據(jù),并通過仿真實驗驗證了波束域信道的相關(guān)特性。其次基于波束域信道特性,研究了波束域大規(guī)模MIMO多用戶上行同步方法,首先針對窄帶信道證明了當小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)巨大時,大規(guī)模MIMO波束域同步具有抗干擾性能,然后研究了大規(guī)模MIMO上行在基站側(cè)未知用戶到達角時的時間同步方法。并在此基礎(chǔ)上,研究了寬帶大規(guī)模MIMO-OFDM隨機接入檢測算法,給出了大規(guī)模MIMO-OFDM隨機接入定時估計在天線域和波束域下的理論解釋,并對天線域和波束域隨機接入接收分集方法進行了研究,給出了波束域下不同合并方法的性能對比,并提出了一種便于硬件實現(xiàn)的選擇波束等增益合并(SC/EGC,selective combining/equal gain combining)方法。仿真結(jié)果表明所提出的大規(guī)模MIMO-OFDM隨機接入檢測算法的性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)天線域隨機接入檢測算法。最后,在大規(guī)模MIMO-OFDM隨機接入檢測算法的基礎(chǔ)上,搭建了 5G原型驗證系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上進行了算法的硬件設計與實現(xiàn)。首先,給出了大規(guī)模MIMO原型驗證系統(tǒng)的架構(gòu)、平臺硬件組成以及原型驗證系統(tǒng)接口設計。在此基礎(chǔ)上設計了基于通用軟件無線電外設(USRP,universal software radio peripheral)的低復雜度波束域發(fā)射和接收方法,在發(fā)射端采用基于剪枝離散傅里葉變換(DFT,discrete fouriertransform)的混合時頻發(fā)射機,在接收端采用降采樣頻域接收機,大大減少了計算量及資源消耗。同時對隨機接入檢測算法的浮點程序進行了定點化,建立了定點仿真鏈路,用于與硬件結(jié)果進行對比驗證。最后,在USRP上對該設計進行了硬件實現(xiàn),并給出了基于USRP的波束域隨機接入信道硬件實現(xiàn)的資源消耗情況以及系統(tǒng)驗證方案。
【學位單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

圖２．１大規(guī)模ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系統(tǒng)框圖??很多利用多天線提供的空間資源實現(xiàn)多用戶通信的方式，例如傳統(tǒng)的空分多址接入??（ＳＤＭＡ，Ｓｐａｔｉａｌ?Ｄｉｖｉｓｉｏｎ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ａｃｃｅｓｓ）以及在大規(guī)模ＭＩＭＯ系統(tǒng)中的波束分多址??接入方式（ＢＤＭＡ，Ｂｅａｍ?Ｄｉｖｉｓｉｏｎ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ａｃｃｅｓｓ）［⑷。通過增加同時調(diào)度和服務的用??戶數(shù)來實現(xiàn)同時服務多個用戶的目的［３３＿３６］。ＭＵ－ＭＩＭＯ由于其能夠充分利用空間資源，??提高通信吞吐率，已經(jīng)是５Ｇ中的發(fā)展趨勢。但是隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，未來小區(qū)??內(nèi)的用戶數(shù)是巨大的，所以如果基站同時與多個用戶間進行通信的話，會產(chǎn)生比較大的??多用戶干擾，因此也有很多學者在研究如何進行用戶調(diào)度和干擾控制來使ＭＵ－ＭＩＭＯ??系統(tǒng)能夠在實際中應用。用戶調(diào)度是指，基站通過選擇相同小區(qū)內(nèi)的一部分用戶進行??通信。常見的用戶調(diào)度方法有比例公平調(diào)度、最大和速率調(diào)度和輪詢調(diào)度等，這些調(diào)度??方法可以實現(xiàn)不同的性能需求。因為ＭＵ－ＭＩＭＯ系統(tǒng)相比ＳＵ－ＭＩＭＯ系統(tǒng)更具有研宄??價值，因此本文后續(xù)的寬帶大規(guī)模ＭＩＭＯ信道，均假設是存在多用戶的場景。??本節(jié)我們研宄一個物理激勵的寬帶大規(guī)模Ｍ１ＭＯ－ＯＦＤＭ波束域信道模型，并研宄??其固有的信道稀疏性。我們考慮的場景為，單小區(qū)ＴＤＤ寬帶大規(guī)模ＭＩＭＯ無線通信系??統(tǒng)。其中基站側(cè)配置Ｍ個天線，小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)（ＵＴｓ）為Ｋ個且每個用戶均配置單??＝－

小區(qū)半徑?５００?ｍ?２００?ｍ??圖２．２和圖２．３來源于微波信道場景和毫米波信道場景生成的一次采樣。圖２．２給出了??兩種場景下波束域的能量分布情況�？梢钥闯�，對于微波信道和毫米波信道，信道能??量都表現(xiàn)為集中在較少的幾個波束之上。通過１０００次的蒙特卡洛仿真，可得對于３．５??ＧＨｚ的微波信道，平均每條通信鏈路有超過９０％的功率都集中在ＢＳ的６．８２個波束上；??相比而言，對于２８ＧＨｚ信道，平均每條通信鏈路超過９０％的功率集中在ＢＳ的３．２３個??波束上和ＵＴ的１．６０個波束上。因此結(jié)合本節(jié)的仿真結(jié)果，可以印證理論分析的結(jié)果。??即波束域信道具有能量稀疏特性，信道的頻率越高這種稀疏性表現(xiàn)的越明顯。進一步??的，基于該特性，我們可以在波束域進行多用戶同步，即波束域同步方案，該方案將在??下一章進行詳細說明。??６０??４０＇?５０－??３。、?Ｊｍ

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【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 秦志輝;龔華達;覃勇;;基于FPGA的CPCI總線光纖傳輸系統(tǒng)[J];光通信技術(shù);2008年04期

2 曹瀚文;王文博;;GNU Radio:開放的軟件無線電平臺[J];電信快報;2007年04期

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 王琳凱;無線通信中剪枝FFT算法研究及其可配置VLSI設計與實現(xiàn)[D];復旦大學;2012年

相關(guān)碩士學位論文 前1條

1 許海云;LTE-A系統(tǒng)上行傳輸鏈路設計與實現(xiàn)[D];東南大學;2015年

本文編號：2849316