毫米波无线通信系统中物理层关键技术研究

摘要

第五代移动通信(5G)旨在满足2020年及未来人们日益增长的通信业务需求，对系统容量和数据速率要求的不断提升，开发高频段的频谱资源势在必行。毫米波通信技术的发展为弥补与解决微波频段稀缺的问题提供了有效途径，已经成为5G乃至未来无线通信中的关键技术，现有的研究工作主要针对毫米波通信系统中的部分关键技术进行设计和评估，很少有对整个毫米波通信方案进行系统实现和性能评估的工作，实际系统的实现缺乏一定依据。因此，本文围绕毫米波无线通信系统中物理层关键技术，对帧结构、短数据包发送方案、同步方案和信道估计方案进行了研究，并给出了Matlab仿真平台上的链路级性能评估。本文的主要工作如下： 介绍了毫米波通信系统的混合波束赋形天线架构和统计分簇信道模型，基于LTE标准和毫米波特性设计了帧结构、物理信道分布、资源分配方案和参考信号映射方案，为后续章节的毫米波无线通信系统中物理层关键技术的研究奠定了基础。 针对大带宽OFDM系统中的短数据包发送过程，提出了一种基于扩频的短数据包发送方案，仿真对比结果表明了该方案能有效降低短数据包多次重复导致的OFDM信号PAPR，由此设计了毫米波无线通信系统中系统信息、控制信息和用户数据的收发流程。 设计了毫米波无线通信系统中同步序列PSS/SSS的生成与映射方案，然后详细介绍了接收端的时频同步算法流程。仿真分析表明所提的帧定时同步方案可以获得精确同步。 设计了毫米波无线通信系统中参考信号RS的生成与映射方案，然后给出了接收端包括LS信道估计、时域平均和频域插值的信道估计处理流程，随后详细研究了数据辅助信道估计技术。仿真结果表明，基于参考信号的信道估计方法具有较低的复杂度和良好的信道估计性能，因此将其确定为毫米波无线通信系统链路级性能评估中采用的信道估计方案，而数据辅助信道估计在可用参考信号数目较少的情况下可以通过反馈迭代处理改善信道估计性能。 根据已研究的物理层关键技术，详细描述了毫米波无线通信系统仿真评估方案的仿真参数和信道生成参数，然后分析评估了系统信息、控制信息和用户数据在理想和非理想情况下的性能，仿真结果表明毫米波通信系统在1GHz带宽下可以实现接近10Gbps的峰值速率，证明了毫米波通信是一种解决频谱资源瓶颈问题的可靠而具有广阔前景的技术，为实际系统的实现提供了可行性依据。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 毫米波通信研究现状

1.3 毫米波通信关键技术

1.3.1 混合波束赋形

1.3.2 系统设计

1.4 论文研究内容和组织结构

2 毫米波无线通信系统架构及其帧结构设计

2.1 引言

2.2 系统架构

2.3 信道模型

2.4 帧结构

2.5 本章小结

3 毫米波无线通信系统短数据包发送方案

3.1 引言

3.2 PAPR概述

3.3 基于扩频的短数据包发送方案

3.4 毫米波无线通信系统数据发送流程

3.4.1 PBCH

3.4.2 PCFICH

3.4.3 PHICH

3.4.4 PDCCH

3.4.5 PDSCH

3.5 仿真结果与分析

3.6 本章小结

4 毫米波无线通信系统同步序列设计及同步方案

4.1 引言

4.2 同步序列生成

4.2.1 PSS生成

4.2.2 SSS生成

4.2.3 PSS映射

4.2.4 SSS映射

4.3 定时同步算法

4.4 仿真结果与分析

4.5 本章小结

5 毫米波无线通信系统参考信号设计及其应用

5.1 引言

5.2 基于参考信号的信道估计

5.2.1 参考信号生成

5.2.2 参考信号映射

5.2.3 信道估计方案

5.3 数据辅助信道估计

5.3.1 基本原理

5.3.2 接收机处理流程

5.4 信道均衡

5.5 仿真结果与分析

5.6 本章小结

6 毫米波无线通信系统性能评估

6.1 仿真参数设置

6.1.1 系统参数

6.1.2 信道参数

6.2 链路级仿真

6.2.1 毫米波信道评估

6.2.2 理想情况下的系统性能

6.2.3 非理想情况下的系统性能

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 进一步研究方向

参考文献

作者简介

致谢