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无蜂窝大规模MIMO系统毫米波无线前传链路收发机关键技术研究
陈犇1
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摘要
为了实现“万物智联、数字孪生”的美好生活，第六代移动通信技术（6G）将提供Tbps量级的峰值速率、Gbps量级的用户体验速率、千万量级的连接数、亚毫秒量级的空口时延和99.99999%的可靠性。无蜂窝大规模MIMO系统将对6G关键性能指标实现起到至关重要的作用。区别于传统的基于蜂窝网络的MIMO系统，无蜂窝大规模MIMO系统通过多个节点的协作传输和联合处理，取代了多个蜂窝小区，不仅消除了小区边沿效应，还突破了干扰受限的瓶颈。为了实现分布式协作传输，无蜂窝大规模MIMO系统对前传链路的容量提出了较高的要求。对于不易于部署有线前传链路的场景，具有高吞吐率的毫米波无线前传链路是一种极具吸引力的低成本实现方式。作为无蜂窝大规模MIMO系统的重要组成部分，本文研究的毫米波无线前传链路收发机既能为节点的大规模部署提供无线连接方案，又能为分布式协作传输提供容量支撑。 首先，为了满足收发机超高系统吞吐率的发展需要和前传链路无线连接方案的工程需要，本文设计了无蜂窝毫米波无线前传链路收发机系统。鉴于正交频分复用技术在毫米波频段存在固有的缺点，本文设计了单载波分块传输方案以及相应的系统帧结构。根据系统吞吐率，本文确定了FPGA实现方式。在接收机关键技术设计中，本文进行了频域均衡技术、相位噪声补偿技术和软解调技术的理论分析。系统性能仿真对比了不同的调制方式、信道环境、相位噪声影响、均衡方式和相位噪声补偿方式下的误比特率性能。 然后，基于数据通路和控制器相分离的硬件设计思想，本文设计了多路并行的频域均衡模块和相位噪声补偿模块的硬件实现结构。一方面，在频域均衡模块中，均衡系数计算数据通路包括并行FFT、并行均衡系数计算和频域均衡系数存储器模块，频域均衡数据通路包括并行FFT/IFFT和并行均衡器模块，定点性能仿真确定了14比特量化方案。另一方面，在相位噪声估计与补偿模块中，相位噪声估计数据通路包括并行相位噪声估计和补偿角度更新模块，相位噪声补偿数据通路包括均衡输出存储器和相位噪声补偿模块，定点性能仿真确定了10比特量化方案。FPGA资源使用和时序分析报告表明，本文设计的均衡和相位噪声补偿模块能够满足系统吞吐率需求。 最后，基于组合逻辑电路和查找表硬件实现方式，本文设计了多路并行的调制模块和软解调模块的硬件实现结构；针对单个译码器吞吐率的瓶颈，本文设计了译码器并行实现方案。一方面，在调制模块和软解调模块中，组合逻辑电路实现方式存在运算误差问题，查找表实现方式则需要权衡存储器资源和系统性能。定点性能仿真确定了软解调模块8比特量化方案。另一方面，本文分析了不同系统吞吐率和不同调制方式下的译码器并行度，多个译码器利用输入输出调度模块，进行流水工作。FPGA上板验证结果表明，本文设计的调制模块、软解调模块和译码器调度模块能满足系统正常工作要求。
关键词
无蜂窝大规模多输入多输出/毫米波无线前传链路收发机/正交频分复用/现场可编程门阵列/频域均衡/相位噪声补偿/软解调引用本文复制引用
授予学位
硕士学科专业
通信工程导师
王向阳/潘文学位年度
2023学位授予单位
东南大学语种
中文中图分类号
TN