寬帶微波毫米波信道測量及數(shù)據(jù)傳輸硬件平臺的研究.pdf

1、隨著第五代移動通信(5G)研究的廣泛開展，作為5G核心技術(shù)之一的毫米波大規(guī)模MIMO技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。該項技術(shù)結(jié)合了毫米波通信技術(shù)與大規(guī)模MIMO技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)突出:更大的信道帶寬可以使用戶更容易獲得幾十GBPS的傳輸速率;波長短、天線陣列尺寸小可以更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO技術(shù)。
　　MIMO技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)是無線通信特性，信道模型是關(guān)鍵。在毫米波頻段，由于其尚未被廣泛應(yīng)用，并且昂貴的測試設(shè)備和極少的測試手段匱乏且昂貴，所以毫米波頻段

2、MIMO信道模型遠(yuǎn)不如低頻段成熟。信道測量和建模的基礎(chǔ)就是信道測量平臺，測量平臺的性能直接決定了測量的范圍、測試的手段和結(jié)果建模的準(zhǔn)確性。同時，毫米波頻段帶寬寬，傳輸速率更高，需要更高速的基帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。因此，本論文先設(shè)計了一系列超高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上研制了一套毫米波頻段的寬帶MIMO信道測量平臺。研制的測試平臺，也成功地用于毫米波大規(guī)模MIMO通信試驗(yàn)網(wǎng)中。
　　本論文的主要工作如下:
　　第一章，緒論描述了

3、相關(guān)領(lǐng)域的研究背景，研究現(xiàn)狀以及論文的研究目標(biāo)和主要內(nèi)容。
　　第二章，論文首先研究了MIMO信道優(yōu)勢，信道建?；炯夹g(shù)，信道特性基本參數(shù)。通過對現(xiàn)有技術(shù)的研究，得到未來毫米波信道測量系統(tǒng)所需采用的測量技術(shù)以及所要研究的目標(biāo)。論文總結(jié)了一般性信道測量方法包括了大尺度衰落的測試方法以及小尺度衰落的測試方法。信道測量系統(tǒng)架構(gòu)主要取決于收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)以及接收機(jī)采樣方案。為了滿足多種測試方法的需求，結(jié)合毫米波信道測量硬件平臺的系統(tǒng)指標(biāo)給出

4、了系統(tǒng)方案設(shè)計，包括了各模塊劃分以及硬件設(shè)計。
　　第三章，針對于大規(guī)?；鶐?shù)據(jù)傳輸，本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了多種模擬基帶數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，這些模擬基帶處理單元分別應(yīng)用于多種無線通信場景。3D-MIMO場景與混合波束形成場景中的模擬基帶處理單元的數(shù)據(jù)碼率為30.72 MSPS，支持20 MHz信號帶寬。混合波束形成場景中的模擬基帶處理單元具有多種外部控制接口，可以在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r高速控制矢量調(diào)制器模塊，用于直接調(diào)制射頻信號，實(shí)現(xiàn)模擬波束合成

5、的功能。Qlink-Pan45 GHz場景的模擬基帶處理單元可以支持540 MHz信號帶寬，采樣率達(dá)到660 MHz。這些模擬基帶數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，集成了多路收發(fā)轉(zhuǎn)換以及控制功能，具有支持射頻帶寬寬，支持?jǐn)?shù)字速率高的優(yōu)點(diǎn)。
　　第四章，實(shí)現(xiàn)多通道射頻系統(tǒng)離不開射頻系統(tǒng)關(guān)鍵硬件模塊，本文主要研究了3個新型硬件模塊，單個圓形腔SIW四模濾波器，Ku波段可調(diào)圓形腔SIW濾波器以及動態(tài)柵極偏置高效功率放大器。四模濾波器

6、能有效地減少PCB的面積，減小整體的規(guī)模，具有面積小，帶寬寬的特點(diǎn)?？烧{(diào)濾波器是最先提出的機(jī)械式可調(diào)SIW濾波器，區(qū)別于電調(diào)諧方式，機(jī)械式調(diào)諧具有連續(xù)線性化調(diào)諧的能力。連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)能夠使濾波器方便的應(yīng)用于不同場景，更靈活的調(diào)試。動態(tài)柵壓偏置的功放可支持的信號帶寬達(dá)到184.32 MHz，與傳統(tǒng)A類功放相比，動態(tài)柵壓偏置可以增加系統(tǒng)的效率和線性度，在不降低信號質(zhì)量的情況下提高A類放大器的效率。
　　第五章，毫米波信道測量硬件平臺由

7、于要支持毫米波頻段海量數(shù)據(jù)傳輸，需要有可支持大規(guī)模的基帶數(shù)據(jù)傳輸功能的處理單元。該處理單元可以實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)FPGA與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片間的高速傳輸，同時實(shí)現(xiàn)與近端數(shù)字信號處理器DSP之間的高速傳輸。傳輸采用Aurora協(xié)議，利用光纖通信，可以在很遠(yuǎn)的物理距離上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。作為數(shù)據(jù)傳輸硬件平臺，該系統(tǒng)支持多路同步傳輸，同時支持多端口的數(shù)據(jù)控制，以及多種外部接口。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于板內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是基于高速串行協(xié)議JESD

8、204B以及它的硬件接口實(shí)現(xiàn)的。該接口支持確定性時延，可以更有效的保證同步，單個路徑支持10 GBPS數(shù)據(jù)傳輸速率，可以減少FPGA外圍連線數(shù)量。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時多通道數(shù)據(jù)采樣及測量，論文實(shí)現(xiàn)的毫米波信道測量硬件平臺是一個瞬時多通道結(jié)構(gòu)的毫米波MIMO系統(tǒng)。相對于采用替代式實(shí)現(xiàn)MIMO信道測量平臺的結(jié)構(gòu)，瞬時多通道的結(jié)構(gòu)更靈活、性能更高，同時，難度也最大，尤其是需要單通道高性能、多通道同步性、多通道一致性。本課題克服了局部技術(shù)，整體結(jié)構(gòu)，海

9、量數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)難點(diǎn)，所實(shí)現(xiàn)的硬件平臺鏈路測試結(jié)果滿足指標(biāo)，與天線一起實(shí)現(xiàn)了OTA測試，能夠在PC端完美解碼。射頻頻率28 GHz，信道帶寬500 MHz，支持4×4 MIMO收發(fā)系統(tǒng)，可用于未來的毫米波通信。同時，本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于5G毫米波大規(guī)模MIMO數(shù)字多波束系統(tǒng)，與其他采用混合波束賦形技術(shù)和多波束天線技術(shù)的系統(tǒng)相比，具有最優(yōu)的靈活性和性能，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度和難度也最高。
　　第六章，本文結(jié)合毫米波信道測量硬件平臺進(jìn)行了室內(nèi)

10、毫米波MIMO信道測量，實(shí)驗(yàn)研究了毫米波MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能和統(tǒng)計特性。先獲得直視路徑和非直視路徑的脈沖響應(yīng)矩陣，再計算路徑損耗和陰影衰落模型。采用高定向天線測試了室內(nèi)均方根時延擴(kuò)展，計算了寬帶信道容量以及實(shí)驗(yàn)的吞吐量。同時還與現(xiàn)有的其他信道測量硬件平臺做了比較，本課題所研制的信道測量平臺具有幾個優(yōu)點(diǎn):第一，瞬時多通道系統(tǒng)有助于更方便地進(jìn)行測量活動，每個通道的APC和AGC的獨(dú)立控制，可以利用算法來提高通道容量;第二，開發(fā)的基帶