隨著移動(dòng)智能終端的快速普及以及萬物互聯(lián)所帶來的移動(dòng)新業(yè)務(wù)的持續(xù)增長(zhǎng),使得第五代移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng),將難以滿足未來移動(dòng)通信的應(yīng)用需求,這就需要新的無線通信技術(shù)予以支持。與此同時(shí),在無線資源日益緊張的情況下,如何降低移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(dòng)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(yīng)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(xué)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(dǎo)頻復(fù)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(duì)于通信尚未建立的初始接入過程,仍有許多新問題需要進(jìn)一步研究。對(duì)于下行同步,已有學(xué)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(duì)于上行同步,如何在波束域進(jìn)行用戶隨機(jī)接入的研究尚未全面展開。本論文針對(duì)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)較多時(shí)需要進(jìn)行隨機(jī)接入的場(chǎng)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(jī)接入信道設(shè)計(jì),搭建了 5G原型驗(yàn)證系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了算法的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先,本文研究了大規(guī)模MIMO波束域信道。分別針對(duì)窄帶波束域信道,正交頻分復(fù)用(OFDM,orthogonal frequency division multiplexing)寬帶波束域信道以及毫米波波束域信道進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)窄帶信道證明了當(dāng)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)巨大時(shí),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(dá)角時(shí)的時(shí)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(jī)接入檢測(cè)算法,給出了大規(guī)模MIMO-OFDM隨機(jī)接入定時(shí)估計(jì)在天線域和波束域下的理論解釋,并對(duì)天線域和波束域隨機(jī)接入接收分集方法進(jìn)行了研究,給出了波束域下不同合并方法的性能對(duì)比,并提出了一種便于硬件實(shí)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(jī)接入檢測(cè)算法的性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)天線域隨機(jī)接入檢測(cè)算法。最后,在大規(guī)模MIMO-OFDM隨機(jī)接入檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上,搭建了 5G原型驗(yàn)證系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了算法的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先,給出了大規(guī)模MIMO原型驗(yàn)證系統(tǒng)的架構(gòu)、平臺(tái)硬件組成以及原型驗(yàn)證系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于通用軟件無線電外設(shè)(USRP,universal software radio peripheral)的低復(fù)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(shí)頻發(fā)射機(jī),在接收端采用降采樣頻域接收機(jī),大大減少了計(jì)算量及資源消耗。同時(shí)對(duì)隨機(jī)接入檢測(cè)算法的浮點(diǎn)程序進(jìn)行了定點(diǎn)化,建立了定點(diǎn)仿真鏈路,用于與硬件結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。最后,在USRP上對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn),并給出了基于USRP的波束域隨機(jī)接入信道硬件實(shí)現(xiàn)的資源消耗情況以及系統(tǒng)驗(yàn)證方案。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(shí)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(shí)調(diào)度和服務(wù)的用??戶數(shù)來實(shí)現(xiàn)同時(shí)服務(wù)多個(gè)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(shì)。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(shí)與多個(gè)用戶間進(jìn)行通信的話，會(huì)產(chǎn)生比較大的??多用戶干擾，因此也有很多學(xué)者在研究如何進(jìn)行用戶調(diào)度和干擾控制來使ＭＵ－ＭＩＭＯ??系統(tǒng)能夠在實(shí)際中應(yīng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)不同的性能需求。因?yàn)椋停眨停桑停舷到y(tǒng)相比ＳＵ－ＭＩＭＯ系統(tǒng)更具有研宄??價(jià)值，因此本文后續(xù)的寬帶大規(guī)模ＭＩＭＯ信道，均假設(shè)是存在多用戶的場(chǎng)景。??本節(jié)我們研宄一個(gè)物理激勵(lì)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(chǎng)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(gè)天線，小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)（ＵＴｓ）為Ｋ個(gè)且每個(gè)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(chǎng)景和毫米波信道場(chǎng)景生成的一次采樣。圖２．２給出了??兩種場(chǎng)景下波束域的能量分布情況�？梢钥闯觯瑢�(duì)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(gè)波束之上。通過１０００次的蒙特卡洛仿真，可得對(duì)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(gè)波束上；??相比而言，對(duì)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(gè)??波束上和ＵＴ的１．６０個(gè)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(jìn)一步??的，基于該特性，我們可以在波束域進(jìn)行多用戶同步，即波束域同步方案，該方案將在??下一章進(jìn)行詳細(xì)說明。??６０??４０＇?５０－??３。、?Ｊｍ

小區(qū)半徑?５００?ｍ?２００?ｍ??圖２．２和圖２．３來源于微波信道場(chǎng)景和毫米波信道場(chǎng)景生成的一次采樣。圖２．２給出了??兩種場(chǎng)景下波束域的能量分布情況�？梢钥闯�，對(duì)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(gè)波束之上。通過１０００次的蒙特卡洛仿真，可得對(duì)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(gè)波束上；??相比而言，對(duì)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(gè)??波束上和ＵＴ的１．６０個(gè)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(jìn)一步??的，基于該特性，我們可以在波束域進(jìn)行多用戶同步，即波束域同步方案，該方案將在??下一章進(jìn)行詳細(xì)說明。??６０??４０＇?５０－??３。、?Ｊｍ
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2849316