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基于全向预编码的大规模MIMO系统同步方法研究与验证

施屹  
【摘要】:为应对未来移动通信系统多样化差异化业务需求发展趋势,满足超高速率、超低时延、高速移动、高能效和大连接等技术要求,5G新空口(NR,New Radio)技术将基于更加灵活的帧结构、大规模天线、波束成形以及高效率的编码方式等一系列关键技术去面对挑战。大规模MIMO技术通过深度挖掘空间资源,配合灵活的波束成形算法,为系统频谱效率、传输可靠性提升提供了重要保证。本文面向5G-NR系统,研究适合于大规模MIMO系统同步信号全向传输方法以及小区搜索中同步信号检测问题,并在大规模MIMO原型验证平台上完成相应算法的FPGA实现与验证。首先,本文针对5G-NR同步信号和大规模MIMO信道传输特性和模型进行了研究。重点研究了 NR系列协议,讨论了 5G的无线帧结构配置和同步序列生成方式以及资源映射位置。针对大规模MIMO系统的信号传输场景,讨论了在单环散射模型下无线信道的传输特性,并给出了信道模型。接着,研究了基于预编码的大规模MIMO同步信号全向传输以及时频同步方法。在大规模MIMO系统中,传统信道估计存在导频开销过大的问题,本文将高维发射信号矢量分解为与信道独立的预编码矩阵和低维信号矢量的乘积,终端仅需估计等效信道从而降低导频开销。对于全向预编码的设计,从角度域信号功率全覆盖以及实时天线功率相等的要求出发,给出了全向预编码设计的两个基本准则,并利用ZC序列以及Alamouti编码,给出了在均匀线阵以及面阵情况下的全向预编码矩阵和低维发射信号矢量联合设计实例,进而在此基础之上,比较了经典的同步信号传输方法,给出了适用于大规模MIMO系统的同步信号全向传输方案。在大规模MIMO信道与联合定时频偏最大似然估计的基础之上,给出了分段互相关同步信号检测方法。该方法将接收信号分成多段,每段分别与本地副本做相关求和并累加,能够有效对抗频偏对同步信号检测带来的影响,利用发射端的发送分集,在接收端通过多天线、多次互相关结果非相干合并,能够有效提高算法的检测性能。在分段互相关基础之上加入多径能量窗滤波,能够有效对抗多径衰落效应,并且在采用多流同步信号的情况下,利用Alamouti编码获得空时编码的分集增益,进一步提升检测性能。数值仿真结果表明,采用基于双流序列全向预编码的全向传输以及同步信号检测性能明显优于单流序列,并且检测算法有较强的鲁棒性。最后,在上述研究的基础上,完成了全向传输和完整的下行同步检测具体实现架构设计以及FPGA实现。首先介绍了整体硬件平台架构,给出了原型验证系统及其各个子系统的设计方案。之后对全向预编码和下行同步顶层以及各个子模块输出进行定点化设计,给出了定点算法与浮点算法的性能比较。而后根据设计的具体流程,完成各个模块的电路设计、接口设计以及时序设计,并利用Verilog语言完成代码编写。最后,在赛灵思公司的Kintex-7和Virtex-7系列FPGA上进行了实现,并给出了硬件资源消耗情况。


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