【摘 要】
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随着国内外5G通信技术的发展,毫米波移动通信因其大带宽、低延时越来越成为未来移动通信的研究热点。目前毫米波大规模MIMO收发系统大多是采用发射通道和接收通道数目相同的对称性设计。由于传统的对称架构的收发系统在性能、功耗、成本以及系统复杂度上难以达到平衡,近期东南大学毫米波国家重点实验室首次提出一种新型的非对称传输的解决方案,并受到越来越多的关注。依据非对称架构移动通信系统的思想,本文提出了一种新型
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随着国内外5G通信技术的发展,毫米波移动通信因其大带宽、低延时越来越成为未来移动通信的研究热点。目前毫米波大规模MIMO收发系统大多是采用发射通道和接收通道数目相同的对称性设计。由于传统的对称架构的收发系统在性能、功耗、成本以及系统复杂度上难以达到平衡,近期东南大学毫米波国家重点实验室首次提出一种新型的非对称传输的解决方案,并受到越来越多的关注。依据非对称架构移动通信系统的思想,本文提出了一种新型的非对称架构的毫米波移动通信方案:发射部分采用2个数字通道16个天线单元的混合波束赋形架构,接收部分采用4天线单元的全数字波束赋形架构。该方案具有如下特点:发射采用混合多波束的方式,在降低成本的同时可显著提高发射功率的效率;接收采用全数字波束赋形的方式,可以获得很宽的覆盖范围,简化波束调度与优化的复杂度,加快用户波束定位;收发采用独立的天线阵列,可大幅度减少了射频收发开关的数量,提高发射机的发射功率并且降低接收机的噪声系数,进而提升收发系统整体的性能。论文研究的非对称收发系统工作在28GHz频段,信号带宽为400MHz,采用时分双工（TDD）工作方式。论文重点对其中的毫米波非对称大规模MIMO收发系统的基带处理部分、滤波器与天线、本振时钟系统以及射频收发电路做了系统性的研究与设计:（1）针对非对称收发系统的基带数据处理部分,完成了一套用于毫米波频段的基带数据采集传输系统,该系统支持400MHz带宽基带信号的产生以及400MHz带宽的中频信号的直接采样,该系统400MHz OFDM自回环EVM仅为1.36%;实现了数字板多通道的ADC、DAC同步,为非对称系统的基带数据处理提供了保障;（2）设计了一款通带频率在27GHz-29GHz的SIW滤波器,带内波动小于0.5dB,带内S11<-15dB;研制了一款工作在28GHz频段的宽带端射天线,带内反射系数小于-15dB,增益达到6dBi,天线的横向间距仅为5.7mm,方便组成线阵;（3）设计了一块基于SIW-DGS滤波器的高性能时钟本振板,其通过外部10MHz参考可以产生系统所需要的多路高精度100MHz参考时钟以及多路6.4GHz射频本振时钟,射频本振积分相噪仅为-53.92dBc;（4）针对该系统的射频硬件收发电路部分,分别完成了发射部分和接收部分的链路预算、电路设计、性能调试及射频性能测试。发射机单个射频通道可提供约6dBm线性输出功率（400MHz 64QAM 5G NR信号）,平坦度小于2dB,对400MHz 5G NR信号的EVM恶化仅为1.95%;单个发射板等效EIRP约为30dBm,发射波束扫描范围达到±40°。接收机噪声系数仅为3.4dB,接收最大增益超过65dB,可调节增益范围超过50dB,接收灵敏度-62dBm（400MHz 64QAM 5G NR信号）,对标准400MHz 5G NR信号的EVM恶化仅为1.6%;配合数字基带板能够实现全数字波束赋形,接收波束扫描范围可达±30°。此外,对毫米波非对称大规模MIMO收发系统的进行了空口通信性能测试。测试结果显示,该系统在单数据流情况下支持400MHz带宽的OFDM 256QAM信号的解调,吞吐率可以达到2.8512Gbps,频谱效率为7.128bps/Hz;在双数据流空口测试中,该系统最大可支持400MHz带宽的OFDM 64QAM调制格式信号的解调,理论上吞吐率可达4.2768Gbps,频谱效率为10.692bps/Hz;数据吞吐率与频谱效率均达到了国内外领先水平。
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