【摘 要】
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目前的5G技术以及未来无线通信的发展趋势都对通信系统的峰值速率和频谱效率提出了非常高的要求,但现有的主流无线通信系统都工作在较低的频段,使用着非常有限的频带资源。视频流本身具有高速和大数据量两种特性,非常适合用于研究无线系统的性能,而毫米波所在的频段和其本身带宽也适用于这种场景。本文研究了超高速毫米波硬件平台的数据传输与空口波束成型的实现,搭建了一个功能完备且能够稳定传输视频流的系统。1.针对毫米
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目前的5G技术以及未来无线通信的发展趋势都对通信系统的峰值速率和频谱效率提出了非常高的要求,但现有的主流无线通信系统都工作在较低的频段,使用着非常有限的频带资源。视频流本身具有高速和大数据量两种特性,非常适合用于研究无线系统的性能,而毫米波所在的频段和其本身带宽也适用于这种场景。本文研究了超高速毫米波硬件平台的数据传输与空口波束成型的实现,搭建了一个功能完备且能够稳定传输视频流的系统。1.针对毫米波原型验证系统的硬件资源分配问题,按照硬件基础情况进行了再设计与分配。首先分析了基于FPGA的NI-PXIe平台的毫米波开发系统各个硬件模块的主要功能和特色,并将本无线通信系统整条链路中各个环节,各个重要部分的运算、处理等工作都按照合理、高效、更低成本的方式分解、分配给不同的硬件模块,还结合NI毫米波原型系统软件平台控制NI-PXIe硬件平台系统运行的方法,对软硬件结合的传输总体流程进行了具体说明。在硬件实验测试中,该系统架构设计能够保证系统稳定正确地运行。2.针对毫米波原型验证系统的通信协议实现问题,实现了传输层的TCP/IP协议和介质访问控制层/物理层的IEEE 802.11aj协议。首先对该两个协议进行研究分析,指出了其数据包帧结构设计,在此基础上提出了本系统使用的加入冗余保护的UDP协议帧传输技术,还提出了IEEE 802.11aj协议在本系统中迫于硬件资源限制做出的精简方案。除此之外,本系统根据“硬件换时间”的思路对系统的数据帧进了行重新设计,使其能够被硬件模块多路并行处理,缓解了系统硬件资源紧张。实际测试中大部分情况下收发端的数据包能够被正确地解出。3.针对毫米波原型验证系统的FPGA具体开发与实现过程,本文利用多种算法、多种应用级技术对毫米波无线通信系统FPGA进行了编程与测试。其一是流控制,该技术保证整个系统在计时相关方面能够完美同步;其次是收发机的基带处理,以接收端为例,主要的流程包括:基于STF的时间同步、利用IP核完成的快速傅里叶变换、使用ZF的信道估计与均衡、基于导频偏差的相位校正、使用流速率控制的星座图调制解调、基于动态序列的信道译码和解扰码等。本文给出了一些重要参数和命令,以及某些模块的核心Lab VIEW代码。4.针对毫米波原型验证系统的超高速视频流传输实现,运用了许多关键技术,包括发送端的:将FPGA板卡开发为本系统专用网卡、超高速视频流数据缓冲机制、利用数据帧的Nlen、len参数完成数据域填充与识别。后两个技术能分别解决视频流数据速率过高和过低的问题,为系统平稳运行提供保障。接收端则根据发送端的技术实行相应的措施以完成数据解包工作,该部分末尾对使用的关键Lab VIEW代码实现做出了更加详细的说明。5.针对毫米波原型验证系统的空口波束成型技术研究与实现,设计了一套适配本系统阵列天线硬件的码本,提出了一个基于多臂赌博机的波束扫描算法,并结合穷举法对其进行了改进,使该波束成型过程具有更强的稳定性。MATLAB仿真实验验证了基于多臂赌博机的波束扫描算法的时间优越性和复杂度优越性。
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