基于FPGA的线性干扰对齐通信系统的设计与实现

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在无线通信系统中,干扰广泛存在,随着用户数的日益增加,多用户之间的干扰严重限制了通信系统容量,干扰已成为未来无线通信的主要问题之一。传统管理干扰的方法应用于当前密集多用户系统时,单用户频谱效率较低。干扰对齐(Interference Alignment,IA)从干扰重叠这一全新角度来处理多用户之间的干扰,通过预编码技术使干扰在接收端处于有用信号的零空间,彻底消除干扰对期望信号的影响,它是一种有效的干扰管理方法。由于干扰对齐技术需要获知全局信道信息,因此工程实现中必须找到一种降低信道信息反馈量的方法。本文依托国家自然科学基金重点项目“无线网络的干扰管理与容量研究”,在TD-LTE的背景下,提出了干扰对齐链路控制协议以及降低信道信息反馈量的方法,并从工程实现的角度,基于现场可编程门阵列(FPGA),设计与实现了线性干扰对齐OFDM通信系统。首先,通过平衡信道估计准确度与系统传输性能,提出了干扰对齐链路控制协议,并在其中使用了一种降低信道信息反馈量的方法。依据此协议,终端在每一个无线帧开头进行一次频域信道估计,然后将频域信道估计值转换到时域进行反馈,以降低信道信息反馈量。基站广播收到的全局信道估计信息,同时利用该信道信息,求出干扰对齐预编码矩阵,并对当前帧后续发送的有效数据进行预编码处理。终端利用基站广播的全局信道信息求出解码矩阵,对当前帧的有效数据部分解码处理,实现干扰对齐。其次,在理论验证正确的情况下,利用FPGA技术实现了包含线性干扰对齐技术的OFDM基带系统收发模块的设计与编码。通信系统平台采用自顶向下的设计方法,首先设计出系统模块的整体架构图,然后使用Xilinx公司的开发套件ISE14.6和ModelSim仿真软件,通过Verilog硬件描述语言完成各个模块的设计与编码工作。文中重点描述加扰与解扰模块、映射与解映射模块、参考序列分配模块、信道估计及反馈模块、FFT/IFFT模块及外围接口模块的设计思路和实现方法。仿真与运行结果表明,本文设计的包含IA技术的OFDM基带系统的各编解码模块基本满足要求,仿真与硬件测试显示各模块正常工作,整个通信系统基本可以实现3对用户同时通信,验证了本文提出的IA链路交互协议和降低信道信息反馈量方法的可行性。最后对平台的性能进行分析与评估,结果表明平台使用IA技术的吞吐量约为使用传统复用技术的2倍。
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