论文题目：Design and Implementation of the Transmitter for Uplink Massive Mimo Systems
摘要：无线通信技术允许我们能够在不使用电缆的情况下与不同地点的用户进行通信。它在过去几十年经历了快速的发展和变化,其发展的速度是呈指数增长。研究证明,多输入多输出（MIMO）技术可以提高无线通信系统的容量.MIMO系统是当前通信研究的最新成果,正处于试验阶段。MIMO技术趋于成熟,其种引入802.11（WiFi）,802.16（WiMAX）,LTE和LTE的演进等多种通信标准。另外,MIMO技术中发射机和接收机使用多根天线。MIMO技术为无线通信标准之一。另外,MIMO技术（在发射机和接收机端包含多根天线）是当前提高频谱效率最有效的方式。同时,它还提高二进制速率。MIMO技术已经包括在最新的移动通信标准中。MIMO信道可以分解为R个不同的SISO信道。通过复用R个并行SISO信道中信息增加容量。然而,MIMO技术依旧面临着许多挑战,例如硬件的复杂性,接收机中的先行计算或信道估计等。因此,目前MIMO技术还面临着多方面的问题亟待解决:1)MIMO技术如何有效地增加的系统容量。2)在发射机运动过程中,具有不同配置的MIMO系统的性能如何下降。3)检测容量如何以及在多大程度上将会受到接收机天线数量的影响。本文针对大型MIMO系统中发射机的上行通信链路在三种不同速度（行走速度,城市道路行驶速度、高速公路行驶速度）的上行链路中的性能进行研究。另外,该发射机拥有一个带有40根天线的保护套,其背面使用纺织技术,其中5根天线水平分布和8根天线垂直分布,即为8x5矩阵的形式。用于仿真工具为:1)纺织天线:体积小,可穿戴式天线,且其可直接集成。2)护套:用于固定纺织天线。3)Matlab软件:针对MIMO系统不同配置进行仿真。然后针对不同的MIMO系统配置进行仿真。系统配置主要为MIMO 40*40。另外,还包括其他的系统配置,例如MIMO 40*64,40*8,40*4和40*1。本文的研究工作将助于研究MIMO系统的发射机在三种不同速度下上行链路的性能。并且,然后它提供的解决方案考虑到最糟糕的情况是高速公路。然后,对于这三种速度中的每一种,将会模拟五种不同的情景。这些场景是指基站中的天线数量,这是模拟系统中的接收器。由于发射机中天线的数量固定为40,因此改变基站的配置应提供一些有关MIMO系统在接收天线数量增加时如何增加容量的信息。接收机上的这五种不同的配置是:1)1根天线（MIMO 40*1）:2G（GSM,GPRS）和3G（UMTS HSPA）基站。2)4根天线（MIMO 40*4）:部分LTE或LTE高级eNodeB。3)8根天线（MIMO 40*8）:某些LTE或LTE演进eNodeB。4)4根天线（MIMO 40*40）:eNodeB可以在接收器中实现40根天线的MIMO。5)64根天线（MIMO 40*64）:eNodeB支持的MIMO在接收器中达到64根天线。对于上述配置,为了测量容量,将以不同时隙的帧长进行仿真。因此,需要确定双工通信如何工作的。为了避免管理发射机和接收机中的帧的同步,如今多数通信系统通常选择FDD方案。假定上行链路和下行链路中使用相同的信道,那么可以考虑TDD方案。由于只有一个频段用于通信,信道估计更加简单,因为只有一个频段可用于通信。因此,由于简化信道估计在处理同步的这项工作中更重要,因此基于TDD方案来执行工作已经是最优的选择。需要生成信道H的一些样本。首先,这些样本将被随机创建,没有相关性。之后,这些样品将被三个不同的多普勒滤波器过滤,生成三个不同的速度。产生多普勒滤波器的多普勒频域FD随着速度的增加而增大,因此对于高速公路车辆速度的滤波器是带宽更大的滤波器。图4.4、4.5、4.8、4.10显示该信道的不相关和相关样本。请注意,在高速公路上车辆的速度变化较快,而行人的变化较慢。对于输入的相关矩阵的计算,H的不同程度的知识。计算H的不同知识程度的输入相关矩阵。值得注意的是,有四种不同的场景和不同水平的知识的信道H在发射端将被复制:1)H信道信息;2)匹配滤波器,即发射机上有匹配的滤波器;3)CDIT了解H的分布信息;4)CSIT了解H的信息。本文主要针对以下两个方面进行设计:完整帧的大小和导频序列的长度,也称为帧内的序列训练或参考信号。该序列将在估算信道时用于接收机。信道估计必须足够好并且对于整个帧大小都是有效的,因为假定信道在相同时间内不变化,并且因此相同的估计被用于整个帧。由此可知,在高速公路环境中由于用户高速移动以及信道的变化,即使在持续一帧的情况下,也会获得更差的结果。本文的目标是检查发射机运动和用户终端（有保护套的天线固定在它的上面）中具有这些配置的MIMO系统的性能如何退化,以及容量在多大程度上受到接收机中天线的数量的影响。因此,也就赋予寻找合适帧结构,即帧持续时间/长度,和导频序列的持续时间（用于估计接收器中的信道）的能力。因此,应对最坏的情况并提高二进制速率和频谱效率。本文工作有助于研究MIMO系统发射机和接收机在三种不同速度的上行链路中的性能。然后考虑到最糟糕的情况是高速公路。最后,成功地解决了本文提出的问题和给出相关的建议。对H信道进行了估计,以计算预编码器。并且容量乘以945=1000,因为帧所拥有的1000个时隙中只有945个是用于有用数据的。请注意,CSIT并不是优化容量的方法。CDIT和无信道信息时容量相等是因为信道H是非常分散的,即它的分量hij是不相关的,因此CDIT中的预编码器近似为恒等矩阵I。参考表4.2,可以看到,由于没有信道知识,RX是直接的恒等矩阵。因此,几乎每个SNR都会遇到CDIT和无信道信息。由此可知,MIMO技术能够快速提高容量。另外,接收机中的数量将会影响到系统容量。终端（保护套）速度越高,由于多普勒效应,载频位也就移越大。仿真结果表明,在实际场景中必须使用的帧持续时间或帧长度为1000个时隙,另外,这1000个时隙中的55个必须用作参考信号或导频,以估计信道矩阵H。由于这个帧的持续时间太长,CSIT不再是提供更高容量的情况。为了获得更高的容量,必须使用CDIT来计算程序。在我们的场景中,CDIT是最好的情况,它为仿真信道或项目中选择的帧提供了更好、更高的容量。
关键词：大型多输入多输出;上行链路;二进制速率;频谱效率;帧结构;保护套
学科专业：Communications Systems
摘要
Abstract
ABBREVIATIONS AND ACRONYMS
CHAPTER 1 INTRODUCTION
1.1 Overview
1.2 SISO & MIMO Capacity
1.2.1 Capacity on SISO Systems
1.2.2 Capacity on MIMO Systems
1.3 Motivation
1.4 Research Questions
1.5 Objectives
1.6 Contributions
1.7 Related Work
1.8 Thesis Structure
1.9 Summary
CHATERT 2 LITERATURE REVIEW
2.1 History of MIMO
2.2 MIMO Model
2.3 Parallel Decomposition of the MIMO Channel
2.4 Channel Capacity
2.5 Calculation of the Input Correlation Matrix for Different Degrees of Knowledge of H
2.6 Summary
CHATERT 3 DESIGN AND IMPLEMENTATION
3.1 Starting Point
3.2 Different Configurations
3.3 FDD or TDD
3.4 Steps to Follow
3.5 Summary
CHAPTER 4 SIMULATIONS RESULTS AND DISCUSSIONS
4.1 Tools Used
4.2 Simulation of the Channel Matrix over Time
4.3 Calculation of Capacities and Frame Lengths
4.4 Simulation for a MIMO 40 × 40 System
4.4.1 Pedestrian
4.4.2 City
4.4.3 Highway
4.4.4 Conclusions and Decisions Made for the MIMO 40 × 40 Configuration
4.5 Simulations for a MIMO 40 × 64 System
4.6 Simulations for a MIMO 40 × 8 System
4.7 Simulations for a MIMO 40 × 40 System
4.8 Simulation for a 40 × 1 MIMO System
4.9 Channel Estimation
4.9.1 Signal Model for the Transmission of Pilots and Channel Estimatio n ..
4.9.2 Supervised Method. LS: Least Squares
4.10 The Simulation Results for a MIMO 40 × 40 System
4.11 Summary
4.11.1 Frame Structure
4.11.2 Final Capacity
CHAPTER 5 Conclusions
ACKNOWLEDGMENT
REFERENCES