大規(guī)模MIMO的原型制作 Prototyping Massive MIMO解析

對無線數(shù)據(jù)的無線需求不斷促使研發(fā)人員尋找新的技術(shù)來擴(kuò)大無線數(shù)據(jù)容量和網(wǎng)絡(luò)能力。業(yè)界專家們普遍認(rèn)為，即使當(dāng)前和規(guī)劃中的基礎(chǔ)設(shè)施全面展開，數(shù)據(jù)需求仍然會繼續(xù)超過現(xiàn)有的能力，辯論已經(jīng)從這“是否”會發(fā)生轉(zhuǎn)為“何時”發(fā)生。無線服務(wù)提供商紛紛計(jì)劃將網(wǎng)絡(luò)升級到4G LTE、LTEAdvanced（LTE-A），以及更先進(jìn)的技術(shù)，推出微蜂窩覆蓋、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、載波聚合、3GPP路線圖等創(chuàng)新方案。然而很明顯，當(dāng)前技術(shù)軌跡產(chǎn)生的容量斜坡仍然比需求線平坦。面對此挑戰(zhàn)，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體近來提出了數(shù)據(jù)容量“到2020 年增長1000 倍”的目標(biāo)，以滿足演進(jìn)性或革命性創(chuàng)意的需要。

這種概念要求基站部署極大規(guī)模的天線陣列，可能包含成百上千的收發(fā)器。此概念稱為大規(guī)模MIMO。的確，大規(guī)模MIMO 脫離了當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)，可能是解決我們所面對的無線數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵；然而，在認(rèn)知大規(guī)模MIMO 廣泛部署的效能和/ 或可行性的過程中，出現(xiàn)了一個值得關(guān)注的問題，有人會創(chuàng)建一個原型，只為確定它是否真正行之有效嗎？畢竟，創(chuàng)建一個具有上千天線的原型會帶來若干工程上的挑戰(zhàn)，另外還有其他不可忽視的問題，即成本和時間。

圖1天線MIMO 收發(fā)器。

MIMO背景

MIMO 依賴多路來提高無線數(shù)據(jù)鏈路的可靠性以及有效數(shù)據(jù)率，通常使用數(shù)根獨(dú)立天線獲得多個數(shù)據(jù)流。多路傳播是通信系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)，實(shí)踐中采用MIMO，運(yùn)用空間- 時間編碼和/ 或空間分集等多種技術(shù)。4G 移動通信標(biāo)準(zhǔn)LTE-A 規(guī)定MIMO 組態(tài)最多使用8 根天線。IEEE 802.11n/ac 標(biāo)準(zhǔn)以及這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際商業(yè)化均普遍使用MIMO。

基本上，更多天線會給傳播通道帶來更高的自由度，從而在數(shù)據(jù)率和/ 或鏈路可靠性方面擁有更高的性能。然而，總體數(shù)據(jù)率仍然受到香農(nóng)理論的限制。在多個用戶組成的網(wǎng)絡(luò)中，增大總體網(wǎng)絡(luò)吞吐量的一種方法是多用戶MIMO（MU-MIMO），其中，多個用戶可以同時訪問同一時頻資源，但是通過多根天線產(chǎn)生的多“空間維度”實(shí)現(xiàn)隔離。

更多天線，更大容量，更高的可靠性

增大MU-MIMO 的規(guī)模， 稱為大規(guī)模MIMO，可以提供更大的網(wǎng)絡(luò)容量、更高的可靠性，并通過降低一個蜂窩或服務(wù)地區(qū)的總發(fā)射功率而提高大規(guī)模MIMO 基站的能量效率。理論上，每根天線的發(fā)射功率能夠低于以相同數(shù)據(jù)率為指定蜂窩或者地區(qū)服務(wù)的單根天線的發(fā)射功率。即，總功率為：

PTotMM ~ PT NT

其中，PTotMM 是每個地區(qū)的總傳輸功率，PT 是每根天線的功率，NT 是發(fā)射天線的數(shù)目。其中，PTotMM 低于單天線系統(tǒng)的PTot。與單天線系統(tǒng)相比，為了達(dá)到相同的可靠性和/ 或吞吐量，由于大規(guī)模MIMO 基站能夠憑借其更高的自由度而將發(fā)射的能量聚焦于目標(biāo)用戶，所以大規(guī)模MIMO 蜂窩拓補(bǔ)能夠降低分區(qū)地域的總發(fā)射功率。另外，當(dāng)使用多根天線時，從發(fā)射器至接收器的正確位發(fā)射概率會增大，因?yàn)殒溌分袛喔怕蕕 1 / SNR NT NR。

其中，SNR 是信噪比，NR 是接收天線的數(shù)目，NT 是發(fā)射天線的數(shù)目。由于此關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)中的天線數(shù)目增加時，鏈路中斷概率會降低，從而提高了通信鏈路可靠性。［1］

大規(guī)模MIMO 天線陣列基于這里所述的基本概念，按照理論，數(shù)百倍規(guī)模的天線部署將獲得比當(dāng)前MIMO 點(diǎn)對點(diǎn)部署更高的效率。具體來說，憑借數(shù)百根天線，天線孔徑和部署網(wǎng)格均有精細(xì)的多的分辨率。配合波束成形，能夠更加精細(xì)地控制天線波瓣，以降低通道中的能量。

大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)也有其挑戰(zhàn)。一個挑戰(zhàn)是尋找從接收器到發(fā)射器的通道狀態(tài)信息通信方法，以進(jìn)行預(yù)編碼。鑒于有數(shù)百根天線，通過導(dǎo)頻信號來推論通道狀態(tài)在實(shí)踐中是不可行的。因此，目前實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模MIMO只能實(shí)際使用依賴于通道互易的時分雙工（TDD）系統(tǒng)，然而要確定此方法的可行性，還需要進(jìn)行更多研究。另外，一些初步研究提出，系統(tǒng)中的熱噪聲對于如此之多的天線來說不必過于關(guān)注，并且干擾器的影響成為更大的問題。這些挑戰(zhàn)以及其他挑戰(zhàn)，可以在開發(fā)出有效的原型之后使用實(shí)際波形來進(jìn)行研究。

圖2. M 用戶N 天線大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)

圖3. 典型1x1 軟件定義無線電體系結(jié)構(gòu)。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的原型制作

制作大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的原型需要預(yù)先進(jìn)行許多工作，以便仔細(xì)、恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)實(shí)際運(yùn)作系統(tǒng)。大多數(shù)研究人員會發(fā)現(xiàn)，甚至制作只有2 天線的最低組態(tài)MIMO 收發(fā)器系統(tǒng)也是極具挑戰(zhàn)性的（參見圖1）。為設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO 原型，首先繪制系統(tǒng)草圖（參見圖2）。在本練習(xí)中，基站處的天線數(shù)目N 為128，從而獲得128×128 MIMO 組態(tài)。組態(tài)假設(shè)M個移動用戶使用SISO 天線。

在設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)時，需要考慮許多事項(xiàng)，包括發(fā)射功率、相鄰?fù)ǖ栏蓴_、頻譜罩等RF 系統(tǒng)參數(shù)。然而，大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)需要考慮的一個關(guān)鍵參數(shù)是每根天線的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量。從圖中可知，系統(tǒng)最具挑戰(zhàn)性的一個方面是將所有接收到的樣本聚合到公共處理子系統(tǒng)內(nèi)。與使用SISO 無線電的簡單發(fā)射和接收通信不同，大規(guī)模MIMO 要求發(fā)射和接收元件之間擁有高速數(shù)據(jù)吞吐，以及高基帶，并且其數(shù)量級高于目前部署的系統(tǒng)。

可以選擇在靠近天線處的節(jié)點(diǎn)，以分布方式處理數(shù)據(jù)流，但是為了恢復(fù)從不同用戶處收到的信號，或者有效地為不同用戶進(jìn)行信號預(yù)編碼，必須將從各個天線接收到的數(shù)據(jù)流聚集在一個公共位置，以獲得最優(yōu)性能。通過仔細(xì)觀察吞吐量和數(shù)據(jù)要求，我們將系統(tǒng)分成基本元件。這樣，我們就可以在原型的實(shí)際構(gòu)建中量化數(shù)據(jù)率，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、功率和成本之間取得平衡。

基線系統(tǒng)參數(shù)

典型SISO 無線電如圖3 所示。在該圖中，RF 信號下變頻或混合，濾波，放大，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。發(fā)射過程的次序則相反。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)包含數(shù)百個這種基本SISO 元。為了使用現(xiàn)貨供應(yīng)設(shè)備，以降低成本和加快原型開發(fā)，假設(shè)每個同相正交樣本均為16 位。位數(shù)決定了動態(tài)范圍，實(shí)際上對于原型來說過好了。減少分辨率位數(shù)會顯著降低數(shù)據(jù)吞吐量，特別是在聚集極多通道的時候。雖然16 位會增加數(shù)據(jù)路徑，并最終增加數(shù)據(jù)吞吐量要求——位數(shù)更多會導(dǎo)致數(shù)據(jù)路徑加寬和數(shù)據(jù)吞吐量要求增加——然而，現(xiàn)貨供應(yīng)組件和編程體系結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行自定義就能夠輕

松處理16 位樣本

接下來考慮采樣率。接收鏈中的每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）均必須以高于尼奎斯特通道帶寬的速率對下變頻波形進(jìn)行采樣。本例以LTE 作為基線，普通移動通信場景，每個轉(zhuǎn)換器均以30.72 MS/s 的采樣率對接收到的波形進(jìn)行采樣。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換器可以對信號進(jìn)行過采樣，以提高分辨率，但是這會增加信號處理量，以便將數(shù)據(jù)率轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)信號處理模塊可以接受的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)吞吐量使用下述方程得到：（2 個樣本）（16 位/ 樣本或者2字節(jié)/ 秒）（采樣率）

對于上例：

（2 個樣本）（2 字節(jié)/ 秒）（30.72）= 122.88 MB/s對于上例系統(tǒng)，一個通道的聚集數(shù)據(jù)吞吐量等于122.88 MB/s。為擴(kuò)大到大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)，可以按照下文所述計(jì)算有效速率：總系統(tǒng)吞吐量（TST）=（吞吐率/ 通道）（天線數(shù)目）TST =（122.88 MB/s）（128）TST = 15.7 GB/s

這樣，如果所有通道均同時發(fā)射或接收，那么中央處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量將為15.7 GB/s。另外，將所有這些數(shù)據(jù)聚集到中央處理系統(tǒng)中，還要求處理引擎能夠接受此龐大的數(shù)據(jù)量，并且能夠進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，以便生成通信鏈路。上述簡要分析揭示了兩個挑戰(zhàn)。首先，極少（如果有的話）低成本市售技術(shù)能夠滿足這些要求。其次，原型的數(shù)據(jù)量要求開發(fā)備選信號處理鏈分割技術(shù)，包括分布式實(shí)現(xiàn)和并行實(shí)現(xiàn)。

通過審查可用的原型制作技術(shù)，我們提出了一種可以用作大規(guī)模MIMO 原型構(gòu)建數(shù)據(jù)框架的高速串行總線的簡要研究。

表1 概述了目前的一些市售高速總線技術(shù)。當(dāng)然還有其他總線，然而上表提供的是目前常用的許多標(biāo)準(zhǔn)而非專有總線技術(shù)的指南。另外，這些總線技術(shù)已經(jīng)用于許多模塊化體系結(jié)構(gòu)，例如PXIe，基本上基于PCIe 標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該考慮的一個規(guī)格是潛伏時間。潛伏時間是指發(fā)射與接收操作之間的周轉(zhuǎn)時間。如果原型是用于單向鏈路，那么潛伏時間不是特別重要。然而，對于真正的TDD 大規(guī)模MIMO 原型，必須考慮潛伏時間，因?yàn)橹芷跁r間比無線通道的相干時間更短，從而下行鏈路預(yù)編碼不是基于已經(jīng)過時的通道信息，這是至關(guān)重要的。上文給出的潛伏時間規(guī)格為近似值。然而，一般來說，以太網(wǎng)的潛伏時間并非決定性的，可能會發(fā)生極大的變化。另一方面，以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)一般成本較低。

應(yīng)該指出，PCIe Gen 3 實(shí)現(xiàn)剛剛在市場上出現(xiàn)，實(shí)際吞吐數(shù)據(jù)測量值并不可用。另外應(yīng)該指出，雖然基本提供了最大/ 峰值數(shù)據(jù)率，然而由于成本、IP 核的尺寸，以及功率等原因，實(shí)際實(shí)現(xiàn)了總線的典型實(shí)現(xiàn)是不同的。所提供的典型數(shù)目僅供參考，因?yàn)闃O少的（如果有的話）實(shí)現(xiàn)達(dá)到了所發(fā)布的最大速率。

圖4 所示是一個使用PXIe 的系統(tǒng)配置實(shí)例

在此組態(tài)中，總共使用了10 塊底板來實(shí)現(xiàn)128 根天線的大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)。系統(tǒng)用2 塊“主”底板來聚集數(shù)據(jù)，用8 塊底板來安裝128 個能夠在蜂窩帶進(jìn)行發(fā)射和接收的收發(fā)器（NI 5791 RF 收發(fā)器）。數(shù)據(jù)基干使用PCI Express Gen 2 ×8，通過合適的分割輕松采集和發(fā)射20MHz RF 帶寬數(shù)據(jù)。