【摘要】：隨著4G LTE(Long-Term Evolution)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署和商用,各個(gè)研究機(jī)構(gòu)及一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(如3GPP)開(kāi)始將他們的工作重心轉(zhuǎn)移到5G移動(dòng)通信技術(shù)上。隨時(shí)隨地的寬帶無(wú)線通信業(yè)務(wù)在過(guò)去的幾年中迅速改變了人們的生活和工作方式。然而,隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求的持續(xù)高速增長(zhǎng),人們需要研發(fā)新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)提供更高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率。目前,5G通信技術(shù)已成為全球性的研究熱點(diǎn)。相比上一代移動(dòng)通信系統(tǒng),5G通信系統(tǒng)要求具有更低時(shí)延、更高頻譜效率和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率(達(dá)到10Gbps峰值速率)等多方面的性能提升。毫米波頻段具有大量的未被利用的頻譜資源,能夠提供支持5G通信容量和傳輸速率所需要的信道帶寬。因此毫米波移動(dòng)通信被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的5G技術(shù)方向之一。在系統(tǒng)架構(gòu)上,毫米波通信系統(tǒng)將引入了先進(jìn)的動(dòng)態(tài)波束賦形和多入多出(MIMO)傳輸技術(shù)以獲得更好的信號(hào)覆蓋和更高的通信速率。這通信系統(tǒng)架構(gòu)下,毫米波MIMO收發(fā)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)面臨諸多的挑戰(zhàn)亟待解決。本文的研究面向5G毫米波大規(guī)模MIMO收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì),解決了多個(gè)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)難題,研制了多個(gè)用于5G毫米波通信的寬帶高性能毫米波MIMO收發(fā)電路和系統(tǒng)。研制的收發(fā)系統(tǒng)被成功用于5G毫米波移動(dòng)通信空口測(cè)試和外場(chǎng)試驗(yàn),取得了良好的效果。本文的主要研究工作內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)針對(duì)5G毫米波寬帶移動(dòng)通信,緊密結(jié)合基帶正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制和傳輸技術(shù),采用基帶算法與射頻性能協(xié)同仿真,深入分析了射頻收發(fā)電路的關(guān)鍵特性對(duì)毫米波MIMO通信系統(tǒng)的性能影響以及相關(guān)的數(shù)字基帶補(bǔ)償處理技術(shù),包括通道平坦度、I/Q不平衡、非線性失真、相位噪聲、載波頻偏、收發(fā)互易性失配幾個(gè)方面。該部分的研究為MIMO-OFDM傳輸方案下的5G毫米波MIMO系統(tǒng)的射頻收發(fā)機(jī)電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論參考。(2)針對(duì)毫米波寬帶天線展開(kāi)研究,研制了一種用于5G毫米波大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)的寬帶毫米波金屬漸變縫隙天線。該天線首次提出采用SIW饋電并垂直轉(zhuǎn)接到金屬漸變縫隙,實(shí)現(xiàn)緊湊的H面半波長(zhǎng)陣列,并與多通道收發(fā)機(jī)電路集成在同一個(gè)基板上。天線單元在22.5GHz到32GHz頻率反射系數(shù)小于-15dB,天線增益約9dBi,覆蓋ITU和FCC提議的多個(gè)5G毫米波頻率。該寬帶天線被成功用于4T4R毫米波MIMO通信系統(tǒng)和32單元毫米波混合波束成形通信系統(tǒng)等多個(gè)毫米波通信系統(tǒng)中,展示出了良好的性能。該部分研究成果已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán),并在國(guó)際核心期刊IEEE Transactions on Antenna and Propagation上發(fā)表。(3)針對(duì)基片集成波導(dǎo)(SIW)濾波器元件的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化技術(shù)展開(kāi)深入研究。SIW濾波器是毫米波收發(fā)電路的關(guān)鍵元件。為了實(shí)現(xiàn)SIW濾波器電磁設(shè)計(jì)快速優(yōu)化,本文提出了一種通用模型J矩陣更新優(yōu)化法。對(duì)SIW濾波器的特征電路進(jìn)行研究,建立了關(guān)聯(lián)濾波器物理尺寸和特征參數(shù)(頻率、耦合系數(shù)、外部品質(zhì)因素)的通用模型。采用耦合矩陣進(jìn)行擾動(dòng)和BFGS擬牛頓算法對(duì)電磁仿真的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速逼近,實(shí)現(xiàn)濾波器特性誤差的直接提取。通過(guò)通用模型計(jì)算Jacobian矩陣并對(duì)電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行誤差估計(jì)和迭代修正,達(dá)到濾波器快速優(yōu)化。采用該算法對(duì)多個(gè)SIW濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)快速優(yōu)化,在較少的電磁計(jì)算次數(shù)即可達(dá)到良好的優(yōu)化效果,比漸進(jìn)空間映射法具有更好的穩(wěn)定性和優(yōu)化速度。此外,本文進(jìn)一步提出了一種通用模型與置信域空間映射聯(lián)合J矩陣更新優(yōu)化算法,結(jié)合通用模型J矩陣更新的穩(wěn)定高效和空間映射的J矩陣更新修正能力,進(jìn)一步提升的優(yōu)化性能。該研究成果被成功用于多個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的SIW濾波器設(shè)計(jì)優(yōu)化,有效縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期,達(dá)到了良好的效果。該部分的研究結(jié)果已投稿至國(guó)際核心期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques。(4)對(duì)毫米波全數(shù)字波束賦形預(yù)編碼MIMO收發(fā)系統(tǒng)開(kāi)展深入的研究,研制了全球首個(gè)用于5G毫米波移動(dòng)通信的Ka頻段64通道毫米波全數(shù)字波束賦形MIMO收發(fā)系統(tǒng)。該毫米波MIMO收發(fā)系統(tǒng)工作在28GHz頻率,采用500MHz信號(hào)帶寬、2.75GHz中頻頻率和時(shí)分雙工方式(TDD)。該系統(tǒng)基站側(cè)的64個(gè)完整的射頻收發(fā)通道具有良好的射頻性能,在500MHz帶寬內(nèi)的通道平坦度達(dá)到1.1dB以內(nèi),最大線性等效全向輻射功率(EIRP)為58dBm。研制的毫米波MIMO收發(fā)系統(tǒng)被成功用于5G毫米波通信的空口性能測(cè)試、驗(yàn)證和外場(chǎng)測(cè)試。在單用戶移動(dòng)場(chǎng)景下,系統(tǒng)使用兩個(gè)OFDM QAM-64信號(hào)流和波束追蹤技術(shù),可以為單用戶提供5.3Gbps傳輸速率;在多用戶MIMO場(chǎng)景下,同時(shí)傳輸20個(gè)非相干的數(shù)據(jù)流到8個(gè)4通道用戶端,最大峰值傳輸速率達(dá)到了50.73Gbps,相應(yīng)的頻譜效率達(dá)到了101.5bit/s/Hz,接近目前業(yè)界的最高水平。該部分研究成果已在國(guó)際核心期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques上發(fā)表。(5)針對(duì)毫米波模數(shù)混合波束賦形預(yù)編碼MIMO通信系統(tǒng)應(yīng)用,研制了一種用于5G毫米波通信的28GHz頻段的低成本高性能相控陣列。該相控陣的移相電路創(chuàng)造性地采用本振移相結(jié)合諧波混頻技術(shù)在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)全360o范圍移相,達(dá)到了10-bit相控精度和極低的幅度波動(dòng)。每個(gè)相控通道包含一個(gè)中頻1bit的180o移相器和一個(gè)本振低壓變?nèi)莨苷{(diào)諧反射式移相器。本振移相可以在實(shí)現(xiàn)精細(xì)相位調(diào)整的同時(shí)達(dá)到非常低的幅度波動(dòng)。諧波混頻技術(shù)可以有效降低本振頻率以及要求的本振移相器的調(diào)相范圍。測(cè)試表明,研制的移相電路的均方根相位和幅度誤差分別為0.3o和0.1dB,移相性能到達(dá)了目前毫米波頻段移相器的最先進(jìn)的水平。同時(shí),本文提出了毫米波相控陣列單探點(diǎn)空口快速校準(zhǔn)技術(shù),展示了相關(guān)的OTA校準(zhǔn)和性能測(cè)試。研制的相控陣列到達(dá)了+/-50o的波束掃描范圍,波束指向步進(jìn)精度優(yōu)于1o。陣列在1GHz帶寬內(nèi)的增益平坦度小于+/-1dB,在10dB線性回退下EIRP達(dá)到41 dBm,使用500 MHz帶寬的OFDM QAM-64信號(hào)下測(cè)試得到的EVM約1.72%。本章的研究成果已在國(guó)際核心期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques上發(fā)表。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.5
【圖文】：

無(wú)線通信業(yè)務(wù)在全球范圍內(nèi)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。人們得寬帶無(wú)線通信業(yè)務(wù)帶來(lái)的便捷，同時(shí)對(duì)于移動(dòng)通信數(shù)據(jù)流量的需求呈營(yíng)商 AT&T 的數(shù)據(jù)流量從 2007 年至 2012 年增長(zhǎng)了 30000%，年復(fù)增[1]。同樣，CISCO 的 VNI 報(bào)告指出[2]，2010 年至 2011 年的移動(dòng)數(shù)據(jù)如圖 1-1 所示，Alcatel-Lucent 貝爾實(shí)驗(yàn)室(現(xiàn)在的 Nokia 貝爾實(shí)驗(yàn)室)信數(shù)據(jù)流量的發(fā)展趨勢(shì)[3]，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，作為面向 2020 年以后的第(5G)的數(shù)據(jù)流量全球的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將比第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)增。這些增長(zhǎng)不僅來(lái)源于移動(dòng)設(shè)備的激增和支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的移動(dòng)設(shè)備的普動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)了一些新興的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的興起。這種驚人的增長(zhǎng)速于隨時(shí)隨地互連并獲取信息的強(qiáng)烈需求，也進(jìn)一步表明了技術(shù)發(fā)展所力。射頻微波電路技術(shù)、高速數(shù)字信號(hào)處理和先進(jìn)的集成電路封裝技展，使得新一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的部署和發(fā)展成為可能。

東南大學(xué)博士學(xué)位論文的射頻饋線及饋線引入的損耗，更好的支持大規(guī)模 MIMO 等新型多天線技術(shù)，因此 5G系統(tǒng)中整個(gè)射頻收發(fā)系統(tǒng)更多的定義為天線陣列到射頻法收發(fā)電路再到 CPRI 接口。目前，以 AAS 形式為代表的 5G 基站射頻收發(fā)系統(tǒng)發(fā)展方向趨勢(shì)越發(fā)明顯[8]，特別是面向毫米波頻段的 MIMO 收發(fā)系統(tǒng)。由于毫米波頻段的饋線和連接器具有高昂的價(jià)格和損耗，因此采用射頻電路與天線一體化設(shè)計(jì)是 5G 毫米波通信系統(tǒng)必然的選擇結(jié)果。另外一方面，隨著數(shù)字處理技術(shù)的日益強(qiáng)大，在 5G 通信系統(tǒng)中一些基帶（Baseband）處理被上移到射頻收發(fā)系統(tǒng)中以補(bǔ)償射頻缺陷并獲得最佳的系統(tǒng)性能，同時(shí)基帶信號(hào)處理與射頻收發(fā)系統(tǒng)的聯(lián)系也更加的緊密，邊界也逐漸模糊。

Tsym=NTs。取每個(gè)子載波頻率 fk=k/Tsym。則 OFDM 符號(hào)的基帶時(shí)域信號(hào)離散采樣為： 1j2 /01Nkn Nkx n X k eN (2.2)即OFDM符號(hào)是QAM符號(hào)序列{ X[k]}的N點(diǎn)離散傅里葉反變換（IDFT），可以使用IFFT進(jìn)行快速計(jì)算。同樣，對(duì)于接收的 OFDM 符號(hào)采樣序列 y[n]通過(guò)離散傅里葉變換（DFT），可以得到各個(gè)子載波的調(diào)制符號(hào)與信道響應(yīng)的乘積，可以采用 FFT 進(jìn)行快速計(jì)算。 1 1j2 / j2 /chan0 01 1j2 / j2 /chan0 01 1j2 ( ) /chan chan0 011N Nkn N kn Nn nN Nmn N kn Nn mN Nm-k n Nn mY k y n e x n h n e= H m X m e eN= H m X m e H k X kN (2.3)其中 Hchan[k]為各個(gè)子載波的信道頻率響應(yīng)，一般可通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行插值估計(jì)。然后即可恢復(fù)調(diào)制符號(hào) X[k]。

本文編號(hào)：2785239