【摘 要】
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为了满足第五代移动通信系统（5G,5th Generation Mobile Communication Systems）高速率、大容量、低时延的三大特性,第三代合作伙伴计划（3GPP,3rd Generation Partnership Project）完成了其中具体技术的研究和标准化,形成了面向从Sub-6G频段到毫米波频段的5G新空口（NR,New Radio）设计。5G NR物理层通过灵活
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为了满足第五代移动通信系统（5G,5th Generation Mobile Communication Systems）高速率、大容量、低时延的三大特性,第三代合作伙伴计划（3GPP,3rd Generation Partnership Project）完成了其中具体技术的研究和标准化,形成了面向从Sub-6G频段到毫米波频段的5G新空口（NR,New Radio）设计。5G NR物理层通过灵活可配置的帧结构和双工方式、一体化的大规模天线设计、全新的信道编码方案等关键技术,满足多场景和多样化的用户业务需求。目前,面向5G NR的大规模试验和商用进程正逐步加快,各个通信系统运营商和设备商都在积极实施外场测试,针对5G技术的研究也不断从理论转到应用实践。本论文在深入学习5G研究背景和技术标准的基础上,对面向5G NR标准的软件定义无线电（SDR,Software Defined Radio）系统中的关键技术展开研究,在物理层设计的基础上搭建低频和毫米波原型验证系统,并分别完成链路自适应模块和波束管理模块的设计与部署以及不同场景下的测量验证。本论文具体研究内容如下:首先,主要研究面向5G NR标准的低频原型验证系统的设计与实现。在参考5G NR标准的基础上,对系统的物理层设计展开介绍,包括无线帧结构、主要参数指标和时频资源映射,并给出上行同步、信道估计和信号检测方法,同时,对系统的组成和架构进行描述,包括硬件具体分工和软件处理流程,并从整个系统的程序逻辑上,对SDR处理单元关键模块的实现代码和多核服务器处理单元的线程分配进行详细介绍。在完成整个系统搭建的基础上,对该低频宽带原型验证系统的演示结果进行描述,并根据测量结果对同步性能、数据传输速率、误比特率等多方面性能进行分析。接着,在低频原型验证系统的硬件架构和已建立的物理层框架上,重点完成点对点链路自适应模块的设计与部署。在参照5G NR时隙类型配置的基础上,对系统的下行链路物理层功能进行完善,包括下行定时同步、时频资源映射和控制信息处理,同时,对选取的信道质量信息进行介绍,并进一步完成功率控制模块和自适应调制模块的设计。特别地,对部署链路自适应模块的物理层数据处理流程进行详细描述,给出关键模块的程序设计思路和实现代码。针对设计的指标要求对系统进行空口测试,并根据测量结果分别对功率控制模块和自适应调制模块的性能进行评估。然后,主要研究面向5G NR标准的毫米波原型验证系统的设计与实现。在参考5G NR标准的基础上,对无线帧结构、主要参数指标、同步广播块和导频图样进行设计,同时,对系统的硬件组成和架构进行描述,重点介绍同步时钟节点和毫米波天线阵列的内部原理,并根据硬件参数对毫米波天线阵列进行仿真,得到三维波束图样。结合整个系统的程序逻辑,对关键模块的程序实现细节进行介绍,以提供基于二次变频原理的毫米波原型验证系统设计与实现的参考。在完成整个系统搭建的基础上,在室内走廊对系统进行测试,结合上下行实时视频流演示结果对实际效果进行描述,并通过上下行的参考信号接收功率测量值对系统性能进行分析。最后,在毫米波原型验证系统的硬件架构和已建立的物理层框架上,重点完成模拟波束赋形模式下波束管理模块的设计与部署。根据毫米波相控阵天线参数,对基于单波束覆盖的下行定时同步方案进行介绍,同时,在选取的线性波束码本基础上,对波束管理模块进行设计,包括波束扫描、波束测量、波束确定和波束上报四个过程。在波束管理模块设计的基础上,对波束管理实现流程进行详细的阐述,并给出关键模块的程序设计思路和实现代码。毫米波原型验证系统的演示是通过双向波束扫描下传输随机比特流的方式完成,通过设计三组对比实验,对用户侧单向波束扫描、基站侧单向波束扫描和双向波束扫描方案下的参考信号接收功率测量结果进行对比,并对不同波束扫描下的接收性能进行评估。
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