分布式多用户MIMO系统时钟同步的设计与USRP实现

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分布式的多用户多输入多输出系统(Multiple Users Multiple Input Multiple Output,MU-MIMO)联合了多个地理位置相邻的基站,通过波束成形技术可以有效解决小区间干扰,充分挖掘了空间自由度,从而大幅度提升频谱效率和系统吞吐率。以上优势使得分布式MU-MIMO系统成为第五代移动通信和新一代无线局域网的核心技术之一。然而,在分布式MU-MIMO系统中,由于分布式基站之间的时钟源是独立的,不同基站的发送天线之间存在严重的频率偏移及其导致的相位偏移,造成了用户间干扰,大幅度降低了频谱效率和系统吞吐率。因此,研究分布式MU-MIMO系统中基站间的时钟同步具有重要意义。针对分布式MU-MIMO系统的时钟同步问题,本文提出了一种主从式的分布式基站同步架构,其核心思想是选择系统中的一个基站作为主基站,并选择其他基站为从基站,通过测量从基站与主基站的相对频率偏移,调整从基站的工作时钟以使所有基站工作在相同的时钟频率。在此基础上,本文提出了一种基于Zadoff-Chu(ZC)序列时频同步算法,由于ZC序列自身优良的自相关和互相关特性,该算法相比传统同步算法可以同步精度更高、占用额外频带资源更少、计算复杂度更低的完成主从基站的相对频率偏移测量。此外,为了验证所提主从式同步方案的可行性,本文利用通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral,USRP)设计了分布式MU-MIMO的硬件实现平台。在该硬件平台基础上,本文利用Lab VIEW开发工具实现了分布式MU-MIMO中的时钟同步、预编码、调制和解调算法。最后,基于该平台,本文执行了大量的现场测试,分析评估了同步精度、星座图、误码率等性能。测试结果表明,本文所提主从式同步算法可以有效地解决分布式MU-MIMO系统的时钟同步问题,从而大幅度提升了系统吞吐率。
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