suizheyidongshebeideshuliangherenmensuoshiyongdewuxianshujuliuliangdezhishujizengchang，qushizheyanjiurenyuanduiyuxinjishuhexinfangfadetanjiuyijiejuezheyiriyizengchangdexuqiu。xiayidaidewuxianshujuwangluo，beichengzuodiwudaiyidongtongxunjishuhuo5G
，必須要解決容量限製，以及一些現有通信係統中存在的挑戰，諸如網絡的可靠性、覆蓋率、能效性

、和延遲性等。大規模MIMO作為5G技術的一種實現方案，通過在基站收發信機（BTS）上使用大量的天線（超過64根）實現了更大的無線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信機架構，現有標準隻使用了最多8根天線組成的扇形拓撲。由於擁有數以百計的天線單元，大規模MIMOkeyishiyongyubianmajishujijiangnengliangjizhongdaomubiaoyidongzhongduanshang
，congerjiangdilefushegonglv。tongguobawuxiannengliangzhixiangdaotedingyonghu
，fushegonglvjiangdi，tongshiduiyuqitayonghudeganraoyejiangdi。zheyitexingduiyumuqianshouganraoxianzhidefengwowangluolaishuoshifeichangyouxiyinlide。ruguodaguimoMIMO的想法真的可以實現
，那麼未來的5G網絡一定會變得更快
，能夠容納更多的用戶且具有更高的可靠性和更高的能效。

 

由於大規模MIMO使用了較多的天線單元
，因而麵臨了一些現有網絡未遇到過的係統挑戰。比如說，當前基於LTE或LTE-A的數據網絡所需的導頻開銷是與天線的數量成比例的。而大規模MIMO管guan理li了le大da量liang時shi分fen複fu用yong的de天tian線xian的de開kai銷xiao
，在zai上shang下xia行xing之zhi間jian具ju有you信xin道dao互hu易yi性xing。信xin道dao互hu易yi性xing使shi得de上shang行xing導dao頻pin獲huo取qu的de通tong道dao狀zhuang態tai信xin息xi可ke以yi在zai下xia行xing鏈lian路lu的de預yu編bian碼ma器qi中zhong被bei使shi用yong。其qi他ta更geng多duo實shi現xian大da規gui模mo多duo入ru多duo出chu的de挑tiao戰zhan還hai包bao括kuo：在一個或多個數量級下來確定數據總線和接口的規模；以及在眾多獨立的射頻收發器之間進行分布式的同步。

 

這些有關定時、處chu理li以yi及ji數shu據ju收shou集ji上shang的de挑tiao戰zhan使shi得de原yuan型xing化hua驗yan證zheng變bian得de更geng為wei重zhong要yao。為wei了le讓rang研yan發fa者zhe能neng夠gou證zheng實shi對dui應ying理li論lun
，這zhe就jiu意yi味wei著zhe需xu要yao把ba理li論lun工gong作zuo轉zhuan移yi到dao實shi際ji的de測ce試shi台tai上shang。通tong過guo使shi用yong真zhen實shi應ying用yong場chang景jing中zhong的de實shi際ji波bo形xing，研yan發fa者zhe開kai發fa出chu產chan品pin原yuan型xing並bing確que定ding大da規gui模moMIMO的(de)技(ji)術(shu)可(ke)行(xing)性(xing)和(he)商(shang)業(ye)可(ke)行(xing)性(xing)。就(jiu)新(xin)型(xing)無(wu)線(xian)標(biao)準(zhun)和(he)技(ji)術(shu)來(lai)說(shuo)，把(ba)概(gai)念(nian)轉(zhuan)化(hua)為(wei)產(chan)品(pin)原(yuan)型(xing)的(de)時(shi)間(jian)就(jiu)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)了(le)實(shi)際(ji)部(bu)署(shu)和(he)商(shang)業(ye)化(hua)的(de)進(jin)程(cheng)。研(yan)發(fa)者(zhe)能(neng)越(yue)快(kuai)地(di)開(kai)發(fa)出(chu)產(chan)品(pin)原(yuan)型(xing)，就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)社(she)會(hui)能(neng)越(yue)早(zao)地(di)受(shou)益(yi)於(yu)這(zhe)項(xiang)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)。

 

 

下麵所述的是一個完整的大規模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測試台所需的硬件和軟件，該測試台支持實時處理以及在研發團隊所感興趣的頻段和帶寬上進行雙向通信。使用NI軟件無線電（SDRs）和LabVIEW係統設計平台軟件
，這種MIMO係統的模塊化特性促使係統從僅有幾個節點發展到了128天線的大規模MIMO係xi統tong。並bing且qie隨sui著zhe無wu線xian研yan究jiu的de演yan進jin

，基ji於yu硬ying件jian的de靈ling活huo性xing，它ta也ye可ke以yi被bei重zhong新xin部bu署shu到dao其qi他ta配pei置zhi的de應ying用yong中zhong，比bi如ru點dian對dui點dian網wang絡luo中zhong的de分fen布bu式shi節jie點dian，或huo多duo小xiao區qu蜂feng窩wo網wang絡luo等deng。

 

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

 

瑞典隆德大學的Ove Edfors教授和Fredrik Tufvesson教授與NI一起合作，使用NI大規模MIMO應用程序框架開發出了一套世界上最大規模的MIMO係統（見圖1）。他們的係統使用了50套USRP RIO軟件無線電來實現大規模MIMO基站收發信機天線數（見表1）為100天線的配置。基於軟件無線電的概念，NI和隆德大學研發團隊開發了係統級的軟件和物理層，該物理層使用了類似於LTE的物理層和時分複用技術來實現移動端接入。在這一合作過程中所開發的軟件，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係統和協議參數。

 

表1. 大規模MIMO應用程序框架係統參數

 

 

正如其他通訊網絡
，大規模MIMO係統由基站收發信機（BTS）和用戶設備（UE）或者是移動用戶所組成。

 

大規模MIMO係統展望蜂窩網絡的應用，其通常由基站收發信機(BTS)和用戶設備（UE）或移動用戶所構成。然而，大規模MIMO徹底改變了以往需要配置大量的BTS天線以同時跟多個用戶設備進行通訊的傳統拓撲結構。在NI和隆德大學合作開發的係統中，其BTS采用了每用戶設備10個基站天線單元的係統設計因數，可同一時間提供10個用戶，對這個100天線基站進行全帶寬訪問的能力。每用戶設備10個基站天線單元的這一係統設計因數已經使得眾多理論成果得到被證實。   

 

在一個大規模MIMO係統中
，一組用戶設備同時發射一組正交導頻到基站收發信機（BTS）。而BTS所(suo)接(jie)收(shou)的(de)上(shang)行(xing)鏈(lian)路(lu)導(dao)頻(pin)就(jiu)可(ke)被(bei)用(yong)來(lai)估(gu)計(ji)信(xin)道(dao)矩(ju)陣(zhen)。在(zai)下(xia)行(xing)鏈(lian)路(lu)時(shi)隙(xi)中(zhong)，該(gai)信(xin)道(dao)估(gu)計(ji)即(ji)被(bei)用(yong)於(yu)計(ji)算(suan)下(xia)行(xing)鏈(lian)路(lu)信(xin)號(hao)的(de)預(yu)編(bian)碼(ma)器(qi)。理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia)
，這(zhe)就(jiu)導(dao)致(zhi)每(mei)一(yi)個(ge)移(yi)動(dong)用(yong)戶(hu)從(cong)無(wu)幹(gan)擾(rao)的(de)信(xin)道(dao)上(shang)收(shou)到(dao)所(suo)要(yao)傳(chuan)達(da)給(gei)他(ta)們(men)的(de)信(xin)息(xi)。預(yu)編(bian)碼(ma)器(qi)設(she)計(ji)是(shi)一(yi)個(ge)開(kai)放(fang)的(de)研(yan)究(jiu)領(ling)域(yu)，且(qie)適(shi)用(yong)於(yu)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)目(mu)標(biao)。舉(ju)個(ge)例(li)子(zi)
，預(yu)編(bian)碼(ma)器(qi)可(ke)用(yong)來(lai)設(she)計(ji)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)對(dui)其(qi)他(ta)用(yong)戶(hu)不(bu)產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao)、最小化總輻射功率，或者是減少所發送射頻信號的峰值平均功率比。

 

大規模MIMO應用程序框架可用於很多的配置應用中
，且可支持64到128天線高達20MHz瞬時實時帶寬，同時支持多個獨立用戶設備同時使用。這個類似LTE的協議使用2048個點的快速傅裏葉變換計算（FFT）和0.5毫秒的時隙，如表1中所示。這0.5毫秒的時隙確保了足夠的信道一致性，促進了移動測試場景中（換句話說，用戶設備是在運動的）的信道互易性。

 

 

設計一個大規模MIMO係統需要四個屬性：

 

 

理想情況下，這些的屬性可被快速自定義以滿足更多更廣泛的研發需求。

 

基於NI平台的大規模MIMO應用程序框架將軟件無線電、時鍾分配模塊、高數據吞吐量PXI係統以及LabVIEW相結合，提供了一個具有魯棒性和確定性的研發所使用的原型設計平台。這一部分就具體解釋了基於NI的大規模MIMO基站和用戶設備終端中所用到的各種硬件和軟件部分。

 

 

USRP RIO軟件無線電包含了一個2X2 MIMO集成收發儀和用於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0.5U的機架安裝式外殼內。它將主機控製器通過PCI Express x4總線連接到係統控製器
，為台式電腦或者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基於LabVIEW可重配置I/O (RIO)架構，結合了開放的LabVIEW係(xi)統(tong)設(she)計(ji)軟(ruan)件(jian)和(he)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)硬(ying)件(jian)模(mo)塊(kuai)，從(cong)而(er)大(da)大(da)簡(jian)化(hua)了(le)開(kai)發(fa)。高(gao)度(du)的(de)軟(ruan)硬(ying)件(jian)集(ji)成(cheng)降(jiang)低(di)了(le)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)的(de)難(nan)度(du)，這(zhe)對(dui)於(yu)如(ru)此(ci)規(gui)模(mo)的(de)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)意(yi)義(yi)
，使(shi)得(de)研(yan)發(fa)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)集(ji)中(zhong)更(geng)多(duo)的(de)精(jing)力(li)在(zai)研(yan)發(fa)上(shang)。盡(jin)管(guan)整(zheng)個(ge)NI應用程序框架軟件都是基於LabVIEW開發的，但LabVIEW可以集成.m腳本文件、ANSI C/C++及HDL等其他編程設計語言的IP，通過代碼重用來提高開發效率。   

 

圖2. USRP RIO硬件(a) 以及係統框圖 (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第二代技術使得每一個插槽都可用於高吞吐量、低延遲性的應用設計。該機箱擁有每插槽高達4 GB/s的專用帶寬
，以及12 GB/s的係統帶寬。圖3所展示的是雙開關的背板架構圖。多PXI機箱能通過菊花鏈或者星形鏈的配置方式擴展搭建高通道數的係統。

 

圖3. 18槽PXIe-1085機箱(a) 以及係統框圖 (b)

 

 

大規模MIMO應用程序框架使用了FlexRIO FPGA模塊來添加靈活的高性能的處理模塊，這些模塊是基於PXI形式，並可使用LabVIEW FPGA模塊進行編程。PXIe-7976R FPGA模塊可以獨立使用
，它提供了邏輯單元豐富且可定製的Xilinx Kintex-7 410T
，通過PCI Express Gen 2 x8總線與PXI Express背板相連。此外利用高性能的射頻收發器、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適配器模塊可進一步擴展該平台的I/O功能。

 

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

 

 

Ettus Research公司的OctoClock 8通道時鍾分配模塊提供了對高達8套USRP設備時間和頻率的同步

，通過在匹配長度信號中放大和分割一個外部10MHz參考時鍾和每秒脈衝數（PPS）信號的八種方法來實現同步。OctoClock-G使用內部集成的GPS鎖定晶體振蕩器（GPSDO）作為內部時間和頻率參考。圖4顯示的是OctoClock-G的係統概圖。前麵板上的一個開關用來供用戶選擇使用內部時鍾源還是外部參考時鍾。有了OctoClock模塊，用戶就可以簡單地搭建出MIMO係統
，並與其他可能涉及到MIMO研究的高通道數係統或一起協同工作。

 

圖5. OctoClock-G模塊(a) 以及係統框圖 (b)

 

 

LabVIEW提供了一個集成化的工具鏈，用以管理係統級軟硬件細節；在圖形化用戶界麵上可視化係統信息
，開發通用處理器（GPP）、實時和FPGA代碼；以及將代碼部署到研發測試台上。借助LabVIEW
，用戶可以輕鬆集成其他編程環境中的代碼，比如ANSI C/C++可通過調用庫節點函數集成
、VHDL可通過IP集成節點集成、甚至.m文件腳本也可通過LabVIEW MathScript實時模塊進行集成。這使得開發具有高度可讀性和可定製性的高性能設計變得可能。所有的硬件和軟件在同一個LabVIEW項目中進行管理
，使得研究人員能夠將代碼部署至所有處理單元並在統一的環境中運行各種測試場景。大規模MIMO應用程序框架采用LabVIEW進行開發是因為LabVIEW提供的高效率及其基於LabVIEW FPGA模塊編程和控製I/O的能力。

 

圖6. LabVIEW項目和LabVIEW FPGA應用程序

 

 

以上軟硬件平台組件相結合即可構成可從幾根天線擴展到超過128根同步天線的測試台。為了便於用戶理解，本技術白皮書僅說明了64

、96以及128天線配置。128天線係統包含了64個雙通道USRP RIO設備

，通過星形架構連接到四個PXI機箱上。主機箱彙集數據後由FPGA和基於四核Intel i7處理器的PXI控製器進行集中處理。 

 

在圖7中，主機箱使用了PXIe-1085機箱作為主數據彙集節點和實時信號處理引擎。PXI機箱提供了17個插槽，預留給輸入輸出設備、定時和同步模塊、用於實時信號處理的FlexRIO FPGA模塊以及連接從機箱的擴展模塊。128天線的大規模MIMO BTS係統需要非常高的數據吞吐量來彙集和實時處理128個通道發送和接收的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. 基於PXI和USRP RIO的可擴展大規模MIMO係統框圖

 

在主機箱第一槽位的PXIe-8135 實時控製器或嵌入式計算機擔任著中央係統控製器的角色。PXIe-8135 實時控製器具有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PXIe-8384（S1到S4）接口模塊，用於將子機箱連接到主係統。主從機箱間通過MXI總線進行連接，確切來說是PCI ExpressGen 2 x8總線
，為主從節點之間提供了高達3.2GB/s的數據傳輸吞吐量。 

 

係統還包括了8個PXIe-7976R FlexRIO FPGA模塊，用來滿足大規模MIMO係統中的實時信號處理需求。插槽的位置配置示例展示了主機箱中的FPGA可以通過級聯方式連接
，以支持每一個子節點的數據處理需求。每個FlexRIO模塊可以通過背板以低於5μs的延遲和高達3GB/s的吞吐量與其他FlexRIO模塊或所有USRP RIO進行數據通信。進行接收或發送數據
，並且延時小於且吞吐量。

 

 

定時和同步對於任何一個需要部署大量無線電設備的係統來說都是至關重要的
，對於大規模MIMO係統來說也是如此。BTS係統共享一個通用10MHz參考時鍾和一個數字觸發信號
，用於啟動每個無線電設備的數據采集和生成
，以確保整個係統之間的係統級同步（參見圖8）。PXIe-6674T定時和同步模塊具有一個恒溫晶體振蕩器（OCXO），位於主機箱的第10槽
，可生成一個非常穩定且精確的10MHz參考時鍾（50 ppb的精確度）並提供一個數字觸發信號來實現與OctoClock-G時鍾分配模塊的同步。之後，OctoClock-G提供並緩存這一個10MHz參考時鍾信號（MCLK）和觸發信號（MTrig）到OctoClock模塊，以一對八的比例提供給USRP RIO設備，從而確保所有天線共享10MHz的參考時鍾和主觸發信號。這裏提到的控製架構可精確地控製每一個無線電設備/天線單元。

 

圖8. 大規模MIMO係統時鍾分配框圖

 

表2提供了64
、96和128天線係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中所列的係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複用（OFDM）處理
， PXI主機箱中的FPGA負責MIMO物理層處理。更高層的介質訪問控製函數則在PXI控製器上的英特爾通用處理器（GPP）中(zhong)運(yun)行(xing)。該(gai)係(xi)統(tong)架(jia)構(gou)可(ke)允(yun)許(xu)進(jin)行(xing)大(da)量(liang)的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)且(qie)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)低(di)的(de)延(yan)時(shi)性(xing)來(lai)維(wei)持(chi)信(xin)道(dao)互(hu)易(yi)性(xing)。預(yu)編(bian)碼(ma)的(de)參(can)數(shu)直(zhi)接(jie)從(cong)接(jie)收(shou)機(ji)傳(chuan)輸(shu)到(dao)發(fa)射(she)機(ji)，以(yi)獲(huo)得(de)最(zui)高(gao)的(de)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。

 

圖9. 大規模MIMO係統數據和處理框圖

 

從天線開始，OFDM物理層的處理在FPGA中實現，這樣計算強度最大的處理就可在天線附近執行。之後
，計算結果與MIMO接收機（MIMO RX）的IP函數相結合，從而得到每個用戶和每個副載波的信道信息。然後再將計算得到的信道參數傳輸到MIMO發射端（MIMO TX）進行預編譯，將能量集中到單一用戶的回路中。雖然介質訪問控製的某些部分是在FPGA中實現，但是其大部分的實現還有其他更高層的一些處理還是在通用處理器（GPP）中實現的。係統每個階段使用的特定算法是當前一個活躍的研究領域。整個係統可使用LabVIEW和LabVIEW FPGA進行重新配置——在提升速度的同時無需犧牲程序的可讀性。

 

 

每一個用戶設備代表一台手機或者是其他單入單出（SISO）或具有2x2 MIMO無線功能的無線設備。用戶設備（UE）的原型實驗使用了具有集成式GPSDO的USRP RIO，並通過一根PCI Express轉ExpressCard線纜連接到一台筆記本電腦。GPSDO的de重zhong要yao性xing在zai於yu它ta提ti供gong了le更geng高gao的de頻pin率lv精jing確que性xing，而er且qie如ru果guo將jiang來lai進jin行xing係xi統tong擴kuo展zhan有you需xu要yao時shi，也ye可ke提ti供gong同tong步bu和he獲huo取qu地di理li位wei置zhi的de能neng力li。一yi個ge典dian型xing的de測ce試shi台tai實shi現xian會hui通tong常chang包bao含han多duo個ge用yong戶hu設she備bei的de係xi統tong

，其qi中zhong每mei一yi台taiUSRP RIO可相當於一台或兩台用戶設備。在用戶設備上部署的軟件與BTS的軟件非常相似
，然而它隻是作為一個單天線係統實現，所以將它的物理層放在USRP RIO中的FPGA上實現
，而把介質訪問控製層（MAC）放在主機PC上實現。

 

圖10. 使用筆記本電腦和USRP RIO進行典型的用戶設備搭建

 

表3提供了在一個單用戶設備係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纜。或者，如果選擇台式電腦作為用戶設備控製器時
，可以使用PCI Express連接。

 

表3. 用戶設備配件清單

 

 

NI技術通過LabVIEW係統設計軟件以及USRP RIO和PXI平台的組合正在徹底改革高端科研係統的原型設計方法。本文章介紹了一種搭建大規模多入多出（MIMO）係統的可行方法來進一步推進5G的研究。該應用程序框架中使用的各種NI技術的獨特組合實現了大量無線電設備在時間和頻率上的同步
，而且PCI Express技術也提供了以15.7GB/s速率上下行傳輸和彙集I-Q信號所需的吞吐量。FPGA的數據流設計方式簡化了物理層和介質訪問控製層上的高性能處理
，滿足實時處理的要求。

 

為保證這些產品能滿足無線技術研究人員的特定需求
，NI正(zheng)在(zai)積(ji)極(ji)地(di)與(yu)行(xing)業(ye)領(ling)先(xian)的(de)研(yan)發(fa)人(ren)員(yuan)和(he)隆(long)德(de)大(da)學(xue)等(deng)世(shi)界(jie)名(ming)校(xiao)進(jin)行(xing)合(he)作(zuo)。這(zhe)些(xie)合(he)作(zuo)推(tui)動(dong)了(le)一(yi)些(xie)研(yan)究(jiu)領(ling)域(yu)取(qu)得(de)令(ling)人(ren)興(xing)奮(fen)的(de)進(jin)展(zhan)，同(tong)時(shi)也(ye)促(cu)進(jin)了(le)需(xu)要(yao)和(he)正(zheng)在(zai)使(shi)用(yong)大(da)規(gui)模(mo)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和最佳實踐共享。 

 

作者：Erik Luther ，NI資深產品市場經理

，射頻和軟件無線電（RF和SDR）

 

參考文獻

 

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