隨著(zhù)移動(dòng)設備的數量和人們所使用的無(wú)線(xiàn)數據流量的指數級增長(cháng)，驅使著(zhù)研究人員對于新技術(shù)和新方法的探究以解決這一日益增長(cháng)的需求。下一代的無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )，被稱(chēng)作第五代移動(dòng)通訊技術(shù)或5G，必須要解決容量限制，以及一些現有通信系統中存在的挑戰，諸如網(wǎng)絡(luò )的可靠性、覆蓋率、能效性、和延遲性等。大規模MIMO作為5G技術(shù)的一種實(shí)現方案，通過(guò)在基站收發(fā)信機（BTS）上使用大量的天線(xiàn)（超過(guò)64根）實(shí)現了更大的無(wú)線(xiàn)數據流量和連接可靠性。這種方式從根本上改變了現有標準的基站收發(fā)信機架構，現有標準只使用了最多8根天線(xiàn)組成的扇形拓撲。由于擁有數以百計的天線(xiàn)單元，大規模MIMO可以使用預編碼技術(shù)集將能量集中到目標移動(dòng)終端上，從而降低了輻射功率。通過(guò)把無(wú)限能量指向到特定用戶(hù)，輻射功率降低，同時(shí)對于其他用戶(hù)的干擾也降低。這一特性對于目前受干擾限制的蜂窩網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)是非常有吸引力的。如果大規模MIMO的想法真的可以實(shí)現，那么未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò )一定會(huì )變得更快，能夠容納更多的用戶(hù)且具有更高的可靠性和更高的能效。

 

由于大規模MIMO使用了較多的天線(xiàn)單元，因而面臨了一些現有網(wǎng)絡(luò )未遇到過(guò)的系統挑戰。比如說(shuō)，當前基于LTE或LTE-A的數據網(wǎng)絡(luò )所需的導頻開(kāi)銷(xiāo)是與天線(xiàn)的數量成比例的。而大規模MIMO管理了大量時(shí)分復用的天線(xiàn)的開(kāi)銷(xiāo)，在上下行之間具有信道互易性。信道互易性使得上行導頻獲取的通道狀態(tài)信息可以在下行鏈路的預編碼器中被使用。其他更多實(shí)現大規模多入多出的挑戰還包括：在一個(gè)或多個(gè)數量級下來(lái)確定數據總線(xiàn)和接口的規模；以及在眾多獨立的射頻收發(fā)器之間進(jìn)行分布式的同步。

 

這些有關(guān)定時(shí)、處理以及數據收集上的挑戰使得原型化驗證變得更為重要。為了讓研發(fā)者能夠證實(shí)對應理論，這就意味著(zhù)需要把理論工作轉移到實(shí)際的測試臺上。通過(guò)使用真實(shí)應用場(chǎng)景中的實(shí)際波形，研發(fā)者開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品原型并確定大規模MIMO的技術(shù)可行性和商業(yè)可行性。就新型無(wú)線(xiàn)標準和技術(shù)來(lái)說(shuō)，把概念轉化為產(chǎn)品原型的時(shí)間就直接影響到了實(shí)際部署和商業(yè)化的進(jìn)程。研發(fā)者能越快地開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品原型，就意味著(zhù)社會(huì )能越早地受益于這項創(chuàng )新技術(shù)。

 

 

下面所述的是一個(gè)完整的大規模MIMO應用程序框架。它包含了搭建世界上最通用的、靈活的、可擴展的大規模MIMO測試臺所需的硬件和軟件，該測試臺支持實(shí)時(shí)處理以及在研發(fā)團隊所感興趣的頻段和帶寬上進(jìn)行雙向通信。使用NI軟件無(wú)線(xiàn)電（SDRs）和LabVIEW系統設計平臺軟件，這種MIMO系統的模塊化特性促使系統從僅有幾個(gè)節點(diǎn)發(fā)展到了128天線(xiàn)的大規模MIMO系統。并且隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)研究的演進(jìn)，基于硬件的靈活性，它也可以被重新部署到其他配置的應用中，比如點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中的分布式節點(diǎn)，或多小區蜂窩網(wǎng)絡(luò )等。

 

圖1. 瑞典隆德大學(xué)——基于USRP RIO的大規模MIMO測試臺 (a) 一種自定義的橫向極化貼片天線(xiàn)陣列(b)。

 

瑞典隆德大學(xué)的Ove Edfors教授和Fredrik Tufvesson教授與NI一起合作，使用NI大規模MIMO應用程序框架開(kāi)發(fā)出了一套世界上最大規模的MIMO系統（見(jiàn)圖1）。他們的系統使用了50套USRP RIO軟件無(wú)線(xiàn)電來(lái)實(shí)現大規模MIMO基站收發(fā)信機天線(xiàn)數（見(jiàn)表1）為100天線(xiàn)的配置?；谲浖o(wú)線(xiàn)電的概念，NI和隆德大學(xué)研發(fā)團隊開(kāi)發(fā)了系統級的軟件和物理層，該物理層使用了類(lèi)似于LTE的物理層和時(shí)分復用技術(shù)來(lái)實(shí)現移動(dòng)端接入。在這一合作過(guò)程中所開(kāi)發(fā)的軟件，可作為大規模MIMO應用程序框架的一部分被下載。表1中展示了大規模MIMO應用程序框架所支持的系統和協(xié)議參數。

 

表1. 大規模MIMO應用程序框架系統參數

 

 

正如其他通訊網(wǎng)絡(luò )，大規模MIMO系統由基站收發(fā)信機（BTS）和用戶(hù)設備（UE）或者是移動(dòng)用戶(hù)所組成。

 

大規模MIMO系統展望蜂窩網(wǎng)絡(luò )的應用，其通常由基站收發(fā)信機(BTS)和用戶(hù)設備（UE）或移動(dòng)用戶(hù)所構成。然而，大規模MIMO徹底改變了以往需要配置大量的BTS天線(xiàn)以同時(shí)跟多個(gè)用戶(hù)設備進(jìn)行通訊的傳統拓撲結構。在NI和隆德大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的系統中，其BTS采用了每用戶(hù)設備10個(gè)基站天線(xiàn)單元的系統設計因數，可同一時(shí)間提供10個(gè)用戶(hù)，對這個(gè)100天線(xiàn)基站進(jìn)行全帶寬訪(fǎng)問(wèn)的能力。每用戶(hù)設備10個(gè)基站天線(xiàn)單元的這一系統設計因數已經(jīng)使得眾多理論成果得到被證實(shí)。   

 

在一個(gè)大規模MIMO系統中，一組用戶(hù)設備同時(shí)發(fā)射一組正交導頻到基站收發(fā)信機（BTS）。而B(niǎo)TS所接收的上行鏈路導頻就可被用來(lái)估計信道矩陣。在下行鏈路時(shí)隙中，該信道估計即被用于計算下行鏈路信號的預編碼器。理想情況下，這就導致每一個(gè)移動(dòng)用戶(hù)從無(wú)干擾的信道上收到所要傳達給他們的信息。預編碼器設計是一個(gè)開(kāi)放的研究領(lǐng)域，且適用于各種各樣的系統設計目標。舉個(gè)例子，預編碼器可用來(lái)設計盡可能地對其他用戶(hù)不產(chǎn)生干擾、最小化總輻射功率，或者是減少所發(fā)送射頻信號的峰值平均功率比。

 

大規模MIMO應用程序框架可用于很多的配置應用中，且可支持64到128天線(xiàn)高達20MHz瞬時(shí)實(shí)時(shí)帶寬，同時(shí)支持多個(gè)獨立用戶(hù)設備同時(shí)使用。這個(gè)類(lèi)似LTE的協(xié)議使用2048個(gè)點(diǎn)的快速傅里葉變換計算（FFT）和0.5毫秒的時(shí)隙，如表1中所示。這0.5毫秒的時(shí)隙確保了足夠的信道一致性，促進(jìn)了移動(dòng)測試場(chǎng)景中（換句話(huà)說(shuō)，用戶(hù)設備是在運動(dòng)的）的信道互易性。

 

 

設計一個(gè)大規模MIMO系統需要四個(gè)屬性：

 

 

理想情況下，這些的屬性可被快速自定義以滿(mǎn)足更多更廣泛的研發(fā)需求。

 

基于NI平臺的大規模MIMO應用程序框架將軟件無(wú)線(xiàn)電、時(shí)鐘分配模塊、高數據吞吐量PXI系統以及LabVIEW相結合，提供了一個(gè)具有魯棒性和確定性的研發(fā)所使用的原型設計平臺。這一部分就具體解釋了基于NI的大規模MIMO基站和用戶(hù)設備終端中所用到的各種硬件和軟件部分。

 

 

USRP RIO軟件無(wú)線(xiàn)電包含了一個(gè)2X2 MIMO集成收發(fā)儀和用于提高基帶處理速度的高性能Xilinx Kintex-7 FPGA，所有的這些硬件均封裝在一個(gè)0.5U的機架安裝式外殼內。它將主機控制器通過(guò)PCI Express x4總線(xiàn)連接到系統控制器，為臺式電腦或者PXI Express主機提供高達800MB/s的數據傳輸速度（或是通過(guò)ExpressCard為筆記本電腦提供200MB/s的速度）。圖2提供了USRP RIO硬件的程序框圖概覽。

 

USRP RIO基于LabVIEW可重配置I/O (RIO)架構，結合了開(kāi)放的LabVIEW系統設計軟件和高性能的硬件模塊，從而大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)。高度的軟硬件集成降低了系統集成的難度，這對于如此規模的系統來(lái)說(shuō)具有重要意義，使得研發(fā)人員可以集中更多的精力在研發(fā)上。盡管整個(gè)NI應用程序框架軟件都是基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的，但LabVIEW可以集成.m腳本文件、ANSI C/C++及HDL等其他編程設計語(yǔ)言的IP，通過(guò)代碼重用來(lái)提高開(kāi)發(fā)效率。   

 

圖2. USRP RIO硬件(a) 以及系統框圖 (b)

 

 

大規模MIMO應用程序框架使用PXIe-1085機箱，這是一款高級的18槽PXI機箱，其使用的PCI Express第二代技術(shù)使得每一個(gè)插槽都可用于高吞吐量、低延遲性的應用設計。該機箱擁有每插槽高達4 GB/s的專(zhuān)用帶寬，以及12 GB/s的系統帶寬。圖3所展示的是雙開(kāi)關(guān)的背板架構圖。多PXI機箱能通過(guò)菊花鏈或者星形鏈的配置方式擴展搭建高通道數的系統。

 

圖3. 18槽PXIe-1085機箱(a) 以及系統框圖 (b)

 

 

大規模MIMO應用程序框架使用了FlexRIO FPGA模塊來(lái)添加靈活的高性能的處理模塊，這些模塊是基于PXI形式，并可使用LabVIEW FPGA模塊進(jìn)行編程。PXIe-7976R FPGA模塊可以獨立使用，它提供了邏輯單元豐富且可定制的Xilinx Kintex-7 410T，通過(guò)PCI Express Gen 2 x8總線(xiàn)與PXI Express背板相連。此外利用高性能的射頻收發(fā)器、基帶模數轉換器/ 數模轉換器以及高速數字I/O，大部分插入式FlexRIO適配器模塊可進(jìn)一步擴展該平臺的I/O功能。

 

圖4. PXIe-7976R FlexRIO模塊(a) 以及系統框圖 (b)

 

 

Ettus Research公司的OctoClock 8通道時(shí)鐘分配模塊提供了對高達8套USRP設備時(shí)間和頻率的同步，通過(guò)在匹配長(cháng)度信號中放大和分割一個(gè)外部10MHz參考時(shí)鐘和每秒脈沖數（PPS）信號的八種方法來(lái)實(shí)現同步。OctoClock-G使用內部集成的GPS鎖定晶體振蕩器（GPSDO）作為內部時(shí)間和頻率參考。圖4顯示的是OctoClock-G的系統概圖。前面板上的一個(gè)開(kāi)關(guān)用來(lái)供用戶(hù)選擇使用內部時(shí)鐘源還是外部參考時(shí)鐘。有了OctoClock模塊，用戶(hù)就可以簡(jiǎn)單地搭建出MIMO系統，并與其他可能涉及到MIMO研究的高通道數系統或一起協(xié)同工作。

 

圖5. OctoClock-G模塊(a) 以及系統框圖 (b)

 

 

LabVIEW提供了一個(gè)集成化的工具鏈，用以管理系統級軟硬件細節；在圖形化用戶(hù)界面上可視化系統信息，開(kāi)發(fā)通用處理器（GPP）、實(shí)時(shí)和FPGA代碼；以及將代碼部署到研發(fā)測試臺上。借助LabVIEW，用戶(hù)可以輕松集成其他編程環(huán)境中的代碼，比如ANSI C/C++可通過(guò)調用庫節點(diǎn)函數集成、VHDL可通過(guò)IP集成節點(diǎn)集成、甚至.m文件腳本也可通過(guò)LabVIEW MathScript實(shí)時(shí)模塊進(jìn)行集成。這使得開(kāi)發(fā)具有高度可讀性和可定制性的高性能設計變得可能。所有的硬件和軟件在同一個(gè)LabVIEW項目中進(jìn)行管理，使得研究人員能夠將代碼部署至所有處理單元并在統一的環(huán)境中運行各種測試場(chǎng)景。大規模MIMO應用程序框架采用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)是因為L(cháng)abVIEW提供的高效率及其基于LabVIEW FPGA模塊編程和控制I/O的能力。

 

圖6. LabVIEW項目和LabVIEW FPGA應用程序

 

 

以上軟硬件平臺組件相結合即可構成可從幾根天線(xiàn)擴展到超過(guò)128根同步天線(xiàn)的測試臺。為了便于用戶(hù)理解，本技術(shù)白皮書(shū)僅說(shuō)明了64、96以及128天線(xiàn)配置。128天線(xiàn)系統包含了64個(gè)雙通道USRP RIO設備，通過(guò)星形架構連接到四個(gè)PXI機箱上。主機箱匯集數據后由FPGA和基于四核Intel i7處理器的PXI控制器進(jìn)行集中處理。 

 

在圖7中，主機箱使用了PXIe-1085機箱作為主數據匯集節點(diǎn)和實(shí)時(shí)信號處理引擎。PXI機箱提供了17個(gè)插槽，預留給輸入輸出設備、定時(shí)和同步模塊、用于實(shí)時(shí)信號處理的FlexRIO FPGA模塊以及連接從機箱的擴展模塊。128天線(xiàn)的大規模MIMO BTS系統需要非常高的數據吞吐量來(lái)匯集和實(shí)時(shí)處理128個(gè)通道發(fā)送和接收的I-Q正交信號，對此PXIe-1085機箱是最佳選擇，它支持吞吐量高達3.2GB/s的PCI Gen 2 x8數據鏈路。

 

圖7. 基于PXI和USRP RIO的可擴展大規模MIMO系統框圖

 

在主機箱第一槽位的PXIe-8135 實(shí)時(shí)控制器或嵌入式計算機擔任著(zhù)中央系統控制器的角色。PXIe-8135 實(shí)時(shí)控制器具有2.3GHz四核i7-3610QE處理器（單核下最大可超頻提升到3.3GHz）。主機箱內還包含4個(gè)PXIe-8384（S1到S4）接口模塊，用于將子機箱連接到主系統。主從機箱間通過(guò)MXI總線(xiàn)進(jìn)行連接，確切來(lái)說(shuō)是PCI ExpressGen 2 x8總線(xiàn)，為主從節點(diǎn)之間提供了高達3.2GB/s的數據傳輸吞吐量。 

 

系統還包括了8個(gè)PXIe-7976R FlexRIO FPGA模塊，用來(lái)滿(mǎn)足大規模MIMO系統中的實(shí)時(shí)信號處理需求。插槽的位置配置示例展示了主機箱中的FPGA可以通過(guò)級聯(lián)方式連接，以支持每一個(gè)子節點(diǎn)的數據處理需求。每個(gè)FlexRIO模塊可以通過(guò)背板以低于5μs的延遲和高達3GB/s的吞吐量與其他FlexRIO模塊或所有USRP RIO進(jìn)行數據通信。進(jìn)行接收或發(fā)送數據，并且延時(shí)小于且吞吐量。

 

 

定時(shí)和同步對于任何一個(gè)需要部署大量無(wú)線(xiàn)電設備的系統來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，對于大規模MIMO系統來(lái)說(shuō)也是如此。BTS系統共享一個(gè)通用10MHz參考時(shí)鐘和一個(gè)數字觸發(fā)信號，用于啟動(dòng)每個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備的數據采集和生成，以確保整個(gè)系統之間的系統級同步（參見(jiàn)圖8）。PXIe-6674T定時(shí)和同步模塊具有一個(gè)恒溫晶體振蕩器（OCXO），位于主機箱的第10槽，可生成一個(gè)非常穩定且精確的10MHz參考時(shí)鐘（50 ppb的精確度）并提供一個(gè)數字觸發(fā)信號來(lái)實(shí)現與OctoClock-G時(shí)鐘分配模塊的同步。之后，OctoClock-G提供并緩存這一個(gè)10MHz參考時(shí)鐘信號（MCLK）和觸發(fā)信號（MTrig）到OctoClock模塊，以一對八的比例提供給USRP RIO設備，從而確保所有天線(xiàn)共享10MHz的參考時(shí)鐘和主觸發(fā)信號。這里提到的控制架構可精確地控制每一個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備/天線(xiàn)單元。

 

圖8. 大規模MIMO系統時(shí)鐘分配框圖

 

表2提供了64、96和128天線(xiàn)系統的基站配件清單快速參考。它包括了如圖1中所示的硬件設備和設備連接線(xiàn)纜。

 

表2. 大規模MIMO基站配件清單

 

 

基站應用程序框架軟件是根據表1中所列的系統參數目標而設計的，其中USRP RIO中的FPGA負責物理層的正交頻分復用（OFDM）處理， PXI主機箱中的FPGA負責MIMO物理層處理。更高層的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制函數則在PXI控制器上的英特爾通用處理器（GPP）中運行。該系統架構可允許進(jìn)行大量的數據處理且具有足夠低的延時(shí)性來(lái)維持信道互易性。預編碼的參數直接從接收機傳輸到發(fā)射機，以獲得最高的系統性能。

 

圖9. 大規模MIMO系統數據和處理框圖

 

從天線(xiàn)開(kāi)始，OFDM物理層的處理在FPGA中實(shí)現，這樣計算強度最大的處理就可在天線(xiàn)附近執行。之后，計算結果與MIMO接收機（MIMO RX）的IP函數相結合，從而得到每個(gè)用戶(hù)和每個(gè)副載波的信道信息。然后再將計算得到的信道參數傳輸到MIMO發(fā)射端（MIMO TX）進(jìn)行預編譯，將能量集中到單一用戶(hù)的回路中。雖然介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制的某些部分是在FPGA中實(shí)現，但是其大部分的實(shí)現還有其他更高層的一些處理還是在通用處理器（GPP）中實(shí)現的。系統每個(gè)階段使用的特定算法是當前一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。整個(gè)系統可使用LabVIEW和LabVIEW FPGA進(jìn)行重新配置——在提升速度的同時(shí)無(wú)需犧牲程序的可讀性。

 

 

每一個(gè)用戶(hù)設備代表一臺手機或者是其他單入單出（SISO）或具有2x2 MIMO無(wú)線(xiàn)功能的無(wú)線(xiàn)設備。用戶(hù)設備（UE）的原型實(shí)驗使用了具有集成式GPSDO的USRP RIO，并通過(guò)一根PCI Express轉ExpressCard線(xiàn)纜連接到一臺筆記本電腦。GPSDO的重要性在于它提供了更高的頻率精確性，而且如果將來(lái)進(jìn)行系統擴展有需要時(shí)，也可提供同步和獲取地理位置的能力。一個(gè)典型的測試臺實(shí)現會(huì )通常包含多個(gè)用戶(hù)設備的系統，其中每一臺USRP RIO可相當于一臺或兩臺用戶(hù)設備。在用戶(hù)設備上部署的軟件與BTS的軟件非常相似，然而它只是作為一個(gè)單天線(xiàn)系統實(shí)現，所以將它的物理層放在USRP RIO中的FPGA上實(shí)現，而把介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC）放在主機PC上實(shí)現。

 

圖10. 使用筆記本電腦和USRP RIO進(jìn)行典型的用戶(hù)設備搭建

 

表3提供了在一個(gè)單用戶(hù)設備系統中使用的配件清單。它包含了圖10中所示的硬件設備和連接線(xiàn)纜?；蛘?，如果選擇臺式電腦作為用戶(hù)設備控制器時(shí)，可以使用PCI Express連接。

 

表3. 用戶(hù)設備配件清單

 

 

NI技術(shù)通過(guò)LabVIEW系統設計軟件以及USRP RIO和PXI平臺的組合正在徹底改革高端科研系統的原型設計方法。本文章介紹了一種搭建大規模多入多出（MIMO）系統的可行方法來(lái)進(jìn)一步推進(jìn)5G的研究。該應用程序框架中使用的各種NI技術(shù)的獨特組合實(shí)現了大量無(wú)線(xiàn)電設備在時(shí)間和頻率上的同步，而且PCI Express技術(shù)也提供了以15.7GB/s速率上下行傳輸和匯集I-Q信號所需的吞吐量。FPGA的數據流設計方式簡(jiǎn)化了物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層上的高性能處理，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理的要求。

 

為保證這些產(chǎn)品能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)技術(shù)研究人員的特定需求，NI正在積極地與行業(yè)領(lǐng)先的研發(fā)人員和隆德大學(xué)等世界名校進(jìn)行合作。這些合作推動(dòng)了一些研究領(lǐng)域取得令人興奮的進(jìn)展，同時(shí)也促進(jìn)了需要和正在使用大規模MIMO應用程序框架等工具的工程師和科研人員之間的方法、IP和最佳實(shí)踐共享。 

 

作者：Erik Luther ，NI資深產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理，射頻和軟件無(wú)線(xiàn)電（RF和SDR）

 

參考文獻

 

C. Shepard, H. Yu, N. Anand, E. Li, T. L. Marzetta, R. Yang, and Z. L., “Argos: Practical many-antenna base stations,” Proc. ACM Int. Conf. Mobile Computing and Networking (MobiCom), 2012.

 

E. G. Larsson, F. Tufvesson, O. Edfors, and T. L. Marzetta, “Massive mimo for next generation wireless systems,” CoRR, vol. abs/1304.6690, 2013.

 

F. Rusek, D. Persson, B. K. Lau, E. Larsson, T. Marzetta, O. Edfors, and F. Tufvesson, “Scaling Up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays,” Signal Processing Magazine, IEEE, 2013.

 

H. Q. Ngo, E. G. Larsson, and T. L. Marzetta, “Energy and spectral efficiency of very large multiuser mimo systems,” CoRR, vol. abs/1112.3810, 2011.

 

Rusek, F.; Persson, D.; Buon Kiong Lau; Larsson, E.G.; Marzetta, T.L.; Edfors, O.; Tufvesson, F., “Scaling Up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays,” Signal Processing Magazine, IEEE , vol.30, no.1, pp.40,60, Jan. 2013

 

National Instruments and Lund University Announce Massive MIMO Collaboration, ni.com/newsroom/release/national-instruments-and-lund-university-announce-massive-mimo-collaboration/en/, Feb. 2014

 

R. Thoma, D. Hampicke, A. Richter, G. Sommerkorn, A. Schneider, and U. Trautwein, “Identification of time-variant directional mobile radio channels,” in Instrumentation and Measurement Technology Conference, 1999. IMTC/99. Proceedings of the 16th IEEE, vol. 1, 1999, pp. 176–181 vol.1.