论文总字数：28739字

摘 要

毫米波通信主要是面向大容量传输的通信，其可用的大带宽（例如1GHz带宽）是解决高速率传输的有效途径。相比于微波频段，毫米波存在一些非理想因素，例如：毫米波空间传播损耗大，射频端硬件（如高功率放大器）成本高，这些因素阻碍了毫米波通信的实际应用。目前，已经有研究表明MIMO技术可以有效地对抗空间衰落，但毫米波的宽带传输方案尚未确定。

本文将着重研究两种宽带无线通信方案：单载波频域均衡（SC-FDE）技术和正交频分复用（OFDM）技术。从系统结构和理论推导原理上，对OFDM系统和SC-FDE系统进行说明，分析了各自的优缺点，并结合毫米波通信的特点对两者进行仿真比较。由于OFDM系统对相位噪声、定时偏差比较敏感，而且PAPR相对于SC系统较高，这使得发射端功率放大器的效率变低，仿真结果显示基于单载波频域均衡方案更适合毫米波通信的结论。

关键词：毫米波通信，宽带无线通信，MIMO，正交频分复用，单载波频域均衡

A Study on Millimeter-wave Wireless Communication of Single-carrier MIMO System

Abstract

Millimeter-wave communication is a kind of wireless transmission aimed for large capacity, its large bandwidth (for example 1GHz bandwidth) is an effective way to achieve high-data rate. Compared with the Microwave, there are some non-ideal factors in Millimeter-wave, for example: the propagation loss in free space is much higher, the cost of hardware (such as high-power amplifiers) in RF chain is higher too. These factors hindered the practical application of millimeter-wave communication. At present, studies have shown that MIMO technology can effectively combat spatial fading, but the millimeter wave broadband transmission scheme has not been determined yet.

This article will focus on two types of solutions in broadband wireless communications – single-carrier frequency domain equalization (SC-FDE) technology and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology. This article will elaborate the two systems from both system structure and theoretical derivation, and analyze their advantages and disadvantages combined with the characteristics of millimeter-wave communication. At last, due to the OFDM system is more sensitive to phase noise and timing shift, besides its PAPR is higher than SC system which reduces the efficiency of the power amplifier, so we can conclude that single-carrier scheme based on frequency domain equalization is more suitable for millimeter-wave communication.

KEYWORDS: Millimeter-wave communication, Broadband Wireless Communication, MIMO, Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), Single-carrier frequency domain equalization (SC-FDE)

目录

单载波毫米波MIMO的无线传输技术研究 I

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究现状及课题的提出 1

1.2 章节的主要安排与概述 2

第2章 无线信道 3

2.1 无线信号的传播与衰落 3

2.1.1 大尺度衰落的特征及模型 4

2.1.2 小尺度衰落特征及模型 5

2.2 信道估计与均衡 8

2.3 本章小结 9

第3章 OFDM系统与SC-FDE系统介绍 11

3.1 OFDM系统 11

3.1.1 OFDM的原理及推导过程 12

3.1.2 OFDM的信道估计与均衡 18

3.1.3 OFDM存在的缺陷 23

3.2 SC-FDE系统 26

3.2.1 SC-FDE系统的信道估计 27

3.2.2 SC-FDE系统的信道容量 29

3.3 本章小结 30

第4章 基于毫米波信道环境的OFDM系统仿真和SC-FDE系统仿真 32

4.1 毫米波45GHz频段信道建模 32

4.1.1 45GHz频段带宽与参数设置 32

4.1.2 大尺度衰落 32

4.1.3 小尺度衰落 32

4.1.4 MIMO天线的相关性 34

4.2 基于毫米波信道环境下的SC系统和OFDM系统仿真 35

4.2.1 仿真系统框图 35

4.2.2 仿真条件与参数设置 35

结论 37

参考文献 38

致谢 40

绪论

研究现状及课题的提出

随着信息时代的发展，各种新兴技术和概念（如：物联网、智能化等）的引入，专家估测的移动数据量将以指数的形式增长[4][5]，现存的网络构架与频谱范围（700MHz-2.6GHz）显然难以支撑起这些需求。目前，4G网络峰值传输速率也不过几百兆比特每秒，这与研究人员对下一代网络通信的要求——吉比特传输速率还相差甚远。而毫米波频段（30GHz~300GHz）以其大带宽，非常适合高速率数据通信的特性，又重新进入人们的视野。这个频段曾经在很长一段时间内，不被研究人员认可，被公认为“垃圾频段”，主要原因在于：其一，毫米波在自由空间传播的损耗太多，大气窗口对毫米波的吸收比较严重，导致信号难以进行远距离传输；其二，毫米波受环境的干扰比较大，例如：降雨环境会对毫米波产生非常严重的衰落；其三，微波频段的硬件设备对工艺的要求比较高，技术受限且成本让人难以接受[4]。基于这些方面的考虑，这个频段几乎无人问津。然而近年来随着人们对网络概念理解的深入，以及先进的理论的提出（例如：MIMO技术在毫米波中的应用可以很好的对抗毫米波的空间传播损耗，而且成本比较低廉的射频发射前段目前也找到了很好的替代品），毫米波频段又变成了一个非常有前景的频段。我相信，在不久的将来，毫米波通信理论会被认为是无线通信领域最重要的成果，它会给人们的生活带来无尽的便利，如同灯光一样成为人们生活中不可或缺的一部分。

本文主要针对毫米波的大带宽特性，研究两种宽带无线传输方案：传统的正交频分复用和基于频域均衡的单载波传输方案。这两种方案，是目前研究比较成熟的方案，IEEE802.11a标准中对两种方案在微波频段的应用已经有详细的说明。然而，鉴于毫米波与微波存在着很大的区别，这两种方案并不一定都适合毫米波频段的宽带传输。基于此，本文希望研究一下那种方案更适合毫米波通信。

章节的主要安排与概述

了解完毫米波通信的研究现状及背景后。本文会从先从比较基础的概念出发，第二章中将会详细的讲道信号在无线信道中的传输所受到的影响，例如：信道的衰落、多径时延引起的符号间干扰（ISI）以及其处理技术（也就是对信道的估计以及均衡技术）。第三章中主要讲述两种宽带无线通信技术：OFDM系统和SC-FDE系统，本文会从理论出发详细讲述OFDM的原理，包括OFDM的基本框架、信号的调制与解调、信道的估计方法和均衡以及OFDM系统中存在的一些问题，例如：对符号定时误差比较敏感，对载波频偏以及相位噪声比较敏感，也包括OFDM发射符号的PAPR等问题。然后，我们会接着讨论SC-FDE系统的原理与实现，目的就是将两种方案拿到同一个平台上进行比较，深入理解两种方案的差异性。在第四章中，将结合毫米波通信的特性，进行OFDM系统和SC-FDE系统的仿真，然后对仿真结果进行比较和分析。

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