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《东南大学》 2017年
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宽带微波毫米波信道测量及数据传输硬件平台的研究

黄菲  
【摘要】:随着第五代移动通信(5G)研究的广泛开展,作为5G核心技术之一的毫米波大规模MIMO技术受到广泛的关注。该项技术结合了毫米波通信技术与大规模MIMO技术,优点突出:更大的信道带宽可以使用户更容易获得几十GBPS的传输速率;波长短、天线阵列尺寸小可以更容易实现大规模MIMO技术。MIMO技术应用的基础是无线通信特性,信道模型是关键。在毫米波频段,由于其尚未被广泛应用,并且昂贵的测试设备和极少的测试手段匮乏且昂贵,所以毫米波频段MIMO信道模型远不如低频段成熟。信道测量和建模的基础就是信道测量平台,测量平台的性能直接决定了测量的范围、测试的手段和结果建模的准确性。同时,毫米波频段带宽宽,传输速率更高,需要更高速的基带数据传输系统。因此,本论文先设计了一系列超高速数字数据传输系统,在此基础上研制了一套毫米波频段的宽带MIMO信道测量平台。研制的测试平台,也成功地用于毫米波大规模MIMO通信试验网中。本论文的主要工作如下:第一章,绪论描述了相关领域的研究背景,研究现状以及论文的研究目标和主要内容。第二章,论文首先研究了 MIMO信道优势,信道建模基本技术,信道特性基本参数。通过对现有技术的研究,得到未来毫米波信道测量系统所需采用的测量技术以及所要研究的目标。论文总结了一般性信道测量方法包括了大尺度衰落的测试方法以及小尺度衰落的测试方法。信道测量系统架构主要取决于收发信机的结构以及接收机采样方案。为了满足多种测试方法的需求,结合毫米波信道测量硬件平台的系统指标给出了系统方案设计,包括了各模块划分以及硬件设计。第三章,针对于大规模基带数据传输,本文设计实现了多种模拟基带数据采集传输系统,这些模拟基带处理单元分别应用于多种无线通信场景。3D-MIMO场景与混合波束形成场景中的模拟基带处理单元的数据码率为30.72 MSPS,支持20 MHz信号带宽。混合波束形成场景中的模拟基带处理单元具有多种外部控制接口,可以在数据传输的同时高速控制矢量调制器模块,用于直接调制射频信号,实现模拟波束合成的功能。Qlink-Pan 45 GHz场景的模拟基带处理单元可以支持540 MHz信号带宽,采样率达到660 MHz。这些模拟基带数据采集传输系统可扩展性强,结构紧凑,集成了多路收发转换以及控制功能,具有支持射频带宽宽,支持数字速率高的优点。第四章,实现多通道射频系统离不开射频系统关键硬件模块,本文主要研究了 3个新型硬件模块,单个圆形腔SIW四模滤波器,Ku波段可调圆形腔SIW滤波器以及动态栅极偏置高效功率放大器。四模滤波器能有效地减少PCB的面积,减小整体的规模,具有面积小,带宽宽的特点。可调滤波器是最先提出的机械式可调SIW滤波器,区别于电调谐方式,机械式调谐具有连续线性化调谐的能力。连续可调的优点能够使滤波器方便的应用于不同场景,更灵活的调试。动态栅压偏置的功放可支持的信号带宽达到184.32 MHz,与传统A类功放相比,动态栅压偏置可以增加系统的效率和线性度,在不降低信号质量的情况下提高A类放大器的效率。第五章,毫米波信道测量硬件平台由于要支持毫米波频段海量数据传输,需要有可支持大规模的基带数据传输功能的处理单元。该处理单元可以实现单元内FPGA与模拟数字转换芯片间的高速传输,同时实现与近端数字信号处理器DSP之间的高速传输。传输采用Aurora协议,利用光纤通信,可以在很远的物理距离上进行数据传输。作为数据传输硬件平台,该系统支持多路同步传输,同时支持多端口的数据控制,以及多种外部接口。该结构与传统数字基带传输系统的区别在于板内数据传输协议是基于高速串行协议JESD204B以及它的硬件接口实现的。该接口支持确定性时延,可以更有效的保证同步,单个路径支持10 GBPS数据传输速率,可以减少FPGA外围连线数量。为了实现实时多通道数据采样及测量,论文实现的毫米波信道测量硬件平台是一个瞬时多通道结构的毫米波MIMO系统。相对于采用替代式实现MIMO信道测量平台的结构,瞬时多通道的结构更灵活、性能更高,同时,难度也最大,尤其是需要单通道高性能、多通道同步性、多通道一致性。本课题克服了局部技术,整体结构,海量数据传输的技术难点,所实现的硬件平台链路测试结果满足指标,与天线一起实现了 OTA测试,能够在PC端完美解码。射频频率28 GHz,信道带宽500 MHz,支持4×4MIMO收发系统,可用于未来的毫米波通信。同时,本系统实际应用于5G毫米波大规模MIMO数字多波束系统,与其他采用混合波束赋形技术和多波束天线技术的系统相比,具有最优的灵活性和性能,系统实验的复杂度和难度也最高。第六章,本文结合毫米波信道测量硬件平台进行了室内毫米波MIMO信道测量,实验研究了毫米波MIMO-OFDM系统的性能和统计特性。先获得直视路径和非直视路径的脉冲响应矩阵,再计算路径损耗和阴影衰落模型。采用高定向天线测试了室内均方根时延扩展,计算了宽带信道容量以及实验的吞吐量。同时还与现有的其他信道测量硬件平台做了比较,本课题所研制的信道测量平台具有几个优点:第一,瞬时多通道系统有助于更方便地进行测量活动,每个通道的APC和AGC的独立控制,可以利用算法来提高通道容量;第二,开发的基带板可实现2.2 GHz的采样速率,并具有多种外部接口,可以轻松同步和传输数据,减少板上存储的压力:第三,OFDM信号的应用使得测试更快,免除了扫描的时间。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN919.3

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