5G空口监测系统中PUSCH的研究与FPGA实现

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第五代移动通信技术(The 5th-Generation Mobile Communication,5G)正处于高速发展阶段,5G测量仪器和监测设备的需求不断扩大。5G物理层的物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)的功能是传输业务数据和部分上行控制信息(Uplink Control Information,UCI),是保障5G系统正常工作的重要组成部分。经过对5G系统物理层链路中的PUSCH部分进行的研究,在现有通信技术基础上并结合项目实际需求,设计出满足增强移动宽带(enhanced Mobile Broadband,e MBB)场景下用于第三方空口监测系统的PUSCH接收端。系统采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作为硬件实现平台,主要工作和创新如下:1.因为大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统的传输信道在时延域上表现出的稀疏性,所以文章将压缩感知理论与信道估计技术相结合,对一种传统的压缩感知的重构算法进行了改进。在传统压缩感知重构算法中使用的最小二乘(Least Square,LS)估计未考虑噪声的影响,改进后的重构算法结合最小均方误差(Minimum Meansquare Error,MMSE)比传统重构算法性能提升2d B左右,能够提高基于压缩感知的信道估计的系统性能。2.基于5G新空口(New Radio,NR)协议对PUSCH进行理论研究,通过对PUSCH发送端的每个步骤进行理论分析,在现有的Matlab链路基础上并根据项目需求设计出合理的PUSCH接收端的FPGA实现方案。实现内容包括:解资源映射、信道估计、信号检测、解预编码、解层映射、解调解扰、解速率匹配、低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码和循环冗余检验(Cyclic Redundancy Check,CRC),并结合Modelsim仿真工具对PUSCH硬件实现进行验证。实验结果表明,FPGA的实现方案在200MHz的系统时钟下,平均解析时间为467.96us,能在1个时隙内解析出结果,资源消耗约占3.9%,所用功耗为3.606W,能够满足项目需求。
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