2x2 MIMO-OFDM实时平台设计与开发
这是一篇关于MIMO,OFDM,实时平台,验证的论文, 主要内容为近两年来,3G体系在中国已经趋于成熟发展,后3G技术成为众多研究人员的关注热点,并且无线通信委员会最近公开了能够提供宽带数据服务的技术,例如：多媒体流、高清电视等。因此,后3G系统的发展方向为高速率通信系统,需要协调解决吞吐量、覆盖率和可靠性三个方面的需求。 多输入多输出技术是通过空间多分复用来普遍用于提高通信可靠性和提高数据吞吐量的。正交频分复用技术已经被认为是多径衰落环境中通过接收端使用简单的均衡技术接收信号最有效的方法之一。MIMO-OFDM系统结合了这两种技术,吸引了当今无线通信领域的关注。IEEE802.11n标准支持MIMO-OFDM某一特定模式；IEEE802.11ae任务组已经开始了建立下一代WLAN标准,带宽在6Gbps以下,吞吐量目标是MAC层达到1GbpS。综上所述,对MIMO-OFDM技术的研究在通信界已经炙手可热。然而MIMO-OFDM的性能只是在理论和仿真级上被证明,对于其硬件实现仍然存在一定的挑战性。 目前,国内外越来越多的研究机构和大学开始进行MIMO-OFDM平台的设计、开发与验证。在各种国际会议和期刊中,相关的论文也频频出现。然而对于如何建立一个具有通用性、可扩展性、可靠实时传输和实时验证的平台,却没有定论。完全软件实现MIMO-OFDM平台,虽然具有设计周期短,易于实现等优点,但是却缺乏验证平台的最初的出发点—在实际环境中实时测试MIMO-OFDM技术的性能；完全硬件实现MIMO-OFDM平台,克服了完全软件设计的缺点,但对比而言,挑战更多,如设计开发周期长、可扩展性差和算法修改实现困难；二者折中,可以兼具两者优点,但是软硬件结合设计的平台,移植到硬件实施的结果还未可预测。在MIMO-OFDM验证平台设计标准各不相同的情况下,如何设计出可以具有上述优点,也可以克服相应缺点,并且能够展现各自特色的MIMO-OFDM实时平台,成为越来越多的研究工作人员的开发目标。 基于以上考虑,本文提出基于硬件实现的,实时性高的多输入多输出多载波(MIMO-OFDM, Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)无线通信系统验证平台,目标在于研究真实无线信道环境下,MIMO-OFDM技术的可实现性和性能问题。该平台主要基于FPGA实现,具有模块化、实时性、可验证功能,信号基带处理和中频处理完全自主研发,模拟数字转换器和射频天线模块采用商业化产品,其目的在于降低开发周期,避免现在已经成熟的技术的不必要二次开发。本2x2MIMO-OFDM验证平台可以用于教学、科研与商业合作等方面,也可以用于最新MIMO-OFDM技术最新研究技术的实现与功能验证。文章最后介绍了现已实现的基于IEEE802.11n标准的2x2MIMO-OFDM实时平台的实验结果。
5G MIMO手机边框天线设计
这是一篇关于5G,手机边框天线,MIMO,宽带,去耦,ECC的论文, 主要内容为随着移动通信技术的不断发展和人们对通信质量要求的不断提高,手机已经成为人们日常生活中必不可少的通信工具。天线作为手机里最重要的部件之一,其设计也面临着新的机遇和挑战。手机天线所需的频段也从最初的2G,3G,4G发展到现在的5G。从手机外形的发展和节约手机基板空间的方向上,手机边框天线的设计拥有很大发展前景。但目前手机边框天线普遍存在带宽小的局限性。另一方面,由于MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术可以在收发端增加天线数量,提供多条数据链路,减少多径效应、提高系统信道容量和加速数据传输率等方面具有优势,所以将MIMO技术应用到手机天线的设计中已经成为潮流。但是天线单元数量的增加会在手机内部造成复杂的电磁环境,势必加剧天线单元之间的耦合程度,从而影响天线的性能。本文针对5G MIMO手机边框的天线设计中的带宽小和天线单元之间耦合系数高的问题,应用宽带技术和去耦技术设计了三款5G MIMO手机边框天线。1.设计了一款覆盖5G NR(New Radio)频段中N78频段的8单元MIMO手机边框天线。此天线系统有8个完全相同的天线单元,均匀对称分布在手机的左右两个长边框上。天线单元是由一个多边形结构和一个L形结构组合而成。多边形结构是以倒F结构为基础,通过增加枝节和弯折操作得到。该天线系统在反射系数小于-6 d B时可以覆盖5G NR频段的N78频段和一个可用于未来6G发展的频段(7.64-8 GHz)。包络相关系数(Envelope correlation coefficient,ECC)小于0.12177,天线单元之间的隔离度可以达到12 d B以上,天线效率可以达到50%,满足移动终端的设计需求。2.设计了一款覆盖5G NR频段中N77、N78、N79频段和Wi Fi(2.4 GHz)的8单元MIMO手机边框天线。天线系统有8个完全相同的天线单元,均匀分布在手机的金属边框上,每个天线单元是由一个汉字“卫”形槽和一个50Ω微带馈线组成。通过在馈线上加载调谐短线,可以在所需频段上实现令人满意的阻抗匹配性能。该天线系统在反射系数小于-10 d B时可以覆盖5G NR频段中的N77(3.3-4.2 GHz)、N78(3.3-3.8 GHz)和N79(4.4-5.0 GHz)以及Wi Fi(2.4 GHz)频段,包络相关系数ECC小于0.01,天线单元之间的隔离度可以达到10 d B以上并且天线效率可以达到55%,满足移动终端的设计需求。3.设计了一款自解耦高隔离度的5G MIMO手机边框天线。该天线在反射系数低于-6 d B时可以覆盖频段3.3-3.6 GHz。天线由50Ω同轴线从水平基板地面馈电,用于激励两侧小基板上的天线贴片以覆盖5G(3.3-3.6 GHz)频段,同时,天线两基板外侧面由左右对称的6个凸形天线单元组成。凸形天线单元的对称结构使得天线之间能实现自隔离,且具有相当好的隔离度,因此,该设计不需要其他的隔离手段来实现高隔离度。且各天线单元之间的隔离度可以达到20 d B以上,效率在70%以上。包络相关系数ECC小于0.0055,满足移动终端天线的设计要求。图[68]表[2]参[83]
MIMO系统天线到来角的研究
这是一篇关于MIMO,到来角,信道建模,极化分集,CSM的论文, 主要内容为MIMO技术是第四代移动通信中的关键技术，到来角是天线技术研究中的重要组成部分，单天线到来角的相关研究已有很大成果，但是MIMO系统的到来角问题的研究却几乎仍处于空白阶段。根据ITU-R M.2135标准报告，到来角是制约MIMO系统整体性能的关键因素之一。总体而言，本研究是一项前沿技术研究，也是一项基础性研究，对于完善MIMO技术有着很高的重要性，有着重大的意义和广阔的前景。为解决MIMO系统的到来角问题，找到合理的解决方法，改善并提高MIMO系统的性能，本研究对MIMO系统的到来角问题进行了深入探讨。 解决MIMO系统到来角问题的关键在于能够准确快速的估计出到来角。结合MIMO系统自身的特点，本研究先从MIMO系统的基本模型着手，首先建立系统模型，然后利用数学推导的方法找到产生到来角的关键因素，为整个研究的进行做好铺垫。要进行到来角的估计，离不开对信道矩阵的估计，本研究中提出了两种信道估计方法，比较其性能之后，得出一种较好的MIMO信道估计方法。比较之前的各种到来角估计方法，结合MIMO技术中的极化分集技术，最终提出了一种准确性和稳定性都较好的MIMO系统到来角估计方法——复合空间谱方位估计（CSM）算法，先从MIMO系统到来角模型入手，建立了三种情况下的到来角模型，分别是非均匀线阵模型、均匀线阵模型和正交线阵模型，推导出CSM算法的合理形式，然后通过一系列的仿真分析验证其正确性，包括单目标估计、多目标估计、统计性能、实测数据的仿真分析，最后通过与MUSIC、SSMUSIC、Capon等几种经典的到来角估计算法的比较，验证了CSM算法良好的性能。 本研究从MIMO基本信道模型入手，通过一系列的数学推导找到影响到来角的关键因素，得出到来角模型的具体形式，进而提出了一种较为合理的到来角估计方法，通过一系列的仿真分析以及与多种广泛应用的估计方法的比较，验证了本方法的合理性及可行性。此外，本方法也适用于其它系统的到来角估计，针对于未来的无线通信技术，具有进一步的扩展及改进空间，本方法对MIMO技术的深入研究和提高有着重要的意义和广阔的前景。
基于深度学习的MIMO系统信号检测研究
这是一篇关于MIMO,深度学习,信号检测,启发式树搜索,迭代顺序检测网络的论文, 主要内容为多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术是第五代移动通信系统(5th Generation Mobile Communication System,5G)的关键技术。其能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高通信系统的信道容量。然而,MIMO技术有着诸多优势的同时也带来了一些需要解决的技术挑战。信号检测是MIMO技术中的关键挑战之一。在天线数量较多的情况下,传输的信号会受到来自其他天线的信号以及环境因素的干扰,给接收端检测带来极大困难。与此同时,深度学习(Deep Learning,DL)在各个领域的应用愈发广泛,其在信号检测的突出表现不断引起人们的关注。本文就以MIMO系统为研究对象,探索利用深度学习来解决MIMO系统信号检测中的技术难题。首先,本文分析了MIMO通信系统中信号检测的数学模型和基本原理,介绍了一些经典的MIMO信号检测算法,研究了它们各自的优缺点,并对其中一些算法进行了计算机仿真与分析比较。接着,研究了基于树搜索的MIMO检测算法,这类算法可以在接近最佳的最大似然(Maximum Likelihood,ML)检测性能和降低计算复杂度之间取得有吸引力的权衡,享有显著的设计灵活性。本文对传统的基于QR分解的M算法(QR decomposition based Malgorithm,QRD-M)进行了改进,设计了一种基于深度学习的QRD-M算法,其是一种广度优先的通用启发式树搜索算法。相比于原有的QRD-M算法,其保留了QRD-M算法整体结构,但对QRD-M算法中每一层中保留节点的标准进行了改进。具体而言,它引入了启发式代价函数,并使用深度神经网络(Deep Neural Networks,DNN)来估计该启发式代价函数,进而用计算出的总体代价函数作为每一层节点保留的标准,而非原有的累计代价函数。通过对每一层节点保留标准的改进,其能够更加精准地保留每一层中最有“希望”的节点。仿真结果表明,本文所设计的启发式树搜索算法相比于QRD-M检测算法能够获得更好的检测性能。最后,为了应对近些年来发射天线数目较多的情况。本文以大规模MIMO检测中非常流行的迭代检测算法为基础,分析研究了DL和迭代检测算法的一般结合方式。接着对经典的检测网络(Detection Network,Det Net)的结构进行了简化,得到一种简化的Det Net(Simplified Det Net,SDet Net)。仿真结果表明,当接收天线数大于发射天线数时,SDet Net在降低算法复杂度的同时,能获得与Det Net相似的检测性能。之后,本文借鉴了正交近似信息传递网络(Orthogonal Approximate Message Passing Network,OAMPNet)的改进思想,提出了一种新的基于DL的迭代顺序检测网络(Iterative Sequential Detection Network,ISDNet)。ISDNet结构较为简单,易于实现,其复杂度比OAMPNet和Det Net低很多。仿真结果表明,ISDNet能够获得出色的性能表现,优于传统的线性检测算法和Det Net检测算法。特别的,当接收天线数目大于发射天线数目时,ISDNet能够取得比OAMPNet更好的检测性能。
Ka频段8发8收信道模拟系统设计与验证
这是一篇关于FPGA,MIMO,XPI,微波,信道模拟系统的论文, 主要内容为为了满足大容量无线通信业务需求,微波通信成为通信领域研究的热点之一。微波通信系统性能与信道环境密切相关,而模拟多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)和交叉极化干扰(Cross Polarization Interference,XPI)信道环境是困难的。本文设计了一种Ka频段信道模拟系统,能够模拟38GHz频段下的信道传输特性,以验证通信设备的功能和性能,从而提高微波通信系统的研发效率。本文针对Ka频段8发8收信道模拟系统的研制展开研究,具体包括:第一,调研了信道模拟在国内外的发展现状和市场产品现状。简要概述了传输信道对微波通信系统的影响和信道模拟系统的国内外研究现状,明确本文的研究意义;并分析了微波传播损耗、多径效应和噪声特性等传输特性,为信道模拟系统的设计提供理论依据。第二,分析了信道模拟系统的应用场景和指标需求。根据模拟的MIMO和XPI信道场景,给出了信道模拟系统的软硬件架构和基带的信道模拟实现方法;同时,对系统通道同步、带内平坦和通道隔离等问题进行了分析,并提出了同源时钟、LMS自适应补偿和合理的结构规划等解决方式,使系统具备可实现性。第三,完成了信道模拟系统软硬件的设计与实现。首先基于超外差和带通采样结构,完成了信道模拟系统的硬件平台设计,包含射频前端和数字基带部分。其次,针对信道模拟系统子信道波形和噪声波形进行了仿真设计和FPGA实现。最后在ARM处理器中完成软件平台设计,并给出了软件开发流程,使系统具备可重构性,缩短了开发周期。第四,验证了38GHz下8发8收信道模拟系统的性能。使用标准仪器对该信道模拟系统进行测试,结果表明:各通道在224MHz带宽内的带内平坦度均小于2d B,通道之间隔离度均大于60d B,相位噪声均小于-124d Bc@1MHz,在112MHz带宽内4096QAM调制信号的SNR达到54d B、EVM小于0.2%,且能够实现8×8多径信道模拟。测试结果表明,各项指标均满足设计要求。本文研究了Ka频段信道模拟系统的软硬件设计,支持自定义信道模拟器参数配置,具备良好的信道模拟性能。本文简化了通信设备测试流程,对信道模拟系统的工程实现具有指导意义。
面向UWB/K频段MIMO天线的设计与去耦研究
这是一篇关于小型化,超宽带,K频段,MIMO,去耦枝节,缺陷地,互补开口谐振环的论文, 主要内容为随着无线通信等相关技术的快速发展,天线小型化与宽带化设计行业迅速崛起。为缓解频段拥挤压力,天线设计不仅局限于超宽带(Ultra-wideband,UWB),也面向于K频段等毫米频段。作为多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)通信技术发展的核心内容之一,MIMO技术应用于天线可突破容量限制,抑制共道干扰。虽然MIMO天线具有单天线不可比拟的优势,但天线单元间的耦合会对天线辐射效率、阻抗匹配等产生极大影响,所以在兼备各项性能的同时采用何种去耦技术实现解耦是MIMO天线设计的关键。针对上述内容,本文面向UWB和K频段对天线展开设计与去耦研究。为了拓宽MIMO天线的使用频段,设计了一款基于回形环结构去耦的小型化UWBMIMO天线,整体尺寸为17mm×28mm×0.8mm。天线辐射贴片由外表近似“蘑菇”形的两个单极子天线组成,采用表面曲流技术并对接地板刻蚀矩形槽缝隙,实现了天线的宽带化;采用加载技术在接地板面引入回形环枝节,实现了天线的去耦。天线最终的工作带宽为1.88～11.27GHz,带宽范围内最大增益达到14.1d Bi,可应用于实际的超宽带系统中,为小型化的MIMO天线去耦提供了一种方案。为了保证MIMO天线工作带宽的同时简化去耦结构,设计了一款基于缺陷地结构(Defective Ground Structure,DGS)去耦的小型化UWB-MIMO天线,整体尺寸为18mm×22mm×1mm。在天线矩形辐射贴片上刻蚀六角星及不规则矩形等,实现了天线的宽带化;采用DGS技术在接地板刻蚀半圆形缺陷地结构,电路衬底材料的有效介电常数改变而触发带隙特性,实现了天线的去耦,达到高隔离度的要求。天线最终的工作带宽为2.75～10.64GHz,且在带宽范围内隔离度小于–22d B,仿真和测试数据之间存在良好的一致性,为设计具有高隔离度的小型UWB-MIMO天线提供借鉴。为了在K波段应用中改善MIMO天线去耦效果,设计了一款基于互补开口谐振环结构(Complementary Split Ring Resonator,CSRR)去耦的小型化K频段MIMO天线,整体尺寸为15mm×24mm×0.8mm。采用切割技术改进辐射贴片边缘并结合接地板凹槽处理,实现了天线的宽带化;在接地板上引入矩形寄生枝节后刻蚀CSRR结构,电荷积聚导致磁场效应减弱,在固定频点处产生谐振吸收峰而降低系统内部耦合,实现了天线的去耦。天线最终工作带宽为17～27.2GHz,带宽范围内隔离度小于–18.3d B。为研究高频段毫米波MIMO天线去耦提供了新方法。本文设计研究的三款天线通过不同结构和技术实现了UWB/K频段MIMO天线的带宽要求和去耦效果,同时经过加工测试证实了天线性能稳定。为天线设计提供了实现带宽和去耦方案,也为商业化通信系统开发与应用贡献新思路。该论文有图64幅,表7个,参考文献110篇。
基于MIMO的SC-FDE系统研究与实现
这是一篇关于MIMO,SC-FDE,信道估计,频域均衡,FPGA的论文, 主要内容为在无线通信系统中,信息的主要传送载体为无线信道,但无线信道的传播特性会对所传送的信息造成一定的影响。例如,通信系统的可靠性和有效性会因为无线信道中存在多径效应而降低。所以在无线通信系统中,如何去解决多径效应带来的问题是尤为关键的。单载波频域均衡技术(SC-FDE)和正交频分复用技术(OFDM)可以有效地解决多径效应带来的一系列问题。两种技术所构成的通信系统具有相同的处理性能和计算复杂度。由于SC-FDE的峰均功率比较低,所以在LTE系统的工程实现中,SC-FDE适合应用于LTE的上行链路中。而多输入多输出技术(MIMO)是充分地利用了丰富的空间资源,所以极大地提高了无线通信系统的传输效率与质量。本文主要研究的内容是基于MIMO技术的SC-FDE通信系统的研究和实现,其具体的工作内容如下:首先,研究与分析无线信道的特性与理论模型;论述SC-FDE技术与MIMO技术的基本原理,其中包括SC-FDE系统的构成与模型建立,MIMO技术中的分集与复用技术以及STBC块编码。其次,本文针对MIMO-SC-FDE系统内的关键技术展开研究与讨论,并选择相应的关键技术来构建出整个系统的设计方案。针对系统的发射端设计,主要对导频的选择,导频的插入方式,帧结构设计三个方面,展开研究与讨论并且进行相应的技术选取。其中,帧结构设计方面,根据系统设计要求,提出两种帧结构可供选择;由于考虑到工程实现的复杂度,所以最终选择基于导频交叉的帧结构。针对系统的接收端设计,主要对定时同步,频率同步,信道估计,频域均衡四个方面,展开研究与讨论并且进行相应的技术选取。其中,在信道估计方面,由于基于DFT变换域的LS信道估计方法,既可以兼顾抗噪声性能,又可以兼顾算法复杂度,所以最终选择该信道估计方法。在频域均衡方面,由于考虑到系统均衡阶段的抗噪声性能,所以最终选择MMSE均衡。最后,本文根据整个系统的设计方案进行系统的物理层实现。硬件平台采取的是FPGA+DSP架构,FPGA侧的主要实现任务有:发射端整体实现,接收端的定时同步,频率同步,信道估计,FPGA与DSP数据通信接口实现。在对系统的物理层实现完成之后,对硬件系统进行测试,测试方式有可调衰减器测试和信道仿真仪测试。根据测试结果表明,本文设计的MIMO-SC-FDE硬件通信系统工作性能良好,系统的各项指标均达到系统设计要求。
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