大規(guī)模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)是一個(gè)非常有趣的5G無(wú)線(xiàn)研究領(lǐng)域。因?yàn)槠淇舍槍?duì)新一代無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供多方面的優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)以更高的數(shù)據(jù)傳輸率容納更多用戶(hù)，加強(qiáng)穩(wěn)定度之余，還可降低耗電量。

只要使用大規(guī)模MIMO應(yīng)用架構(gòu)，研究人員可透過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件如LabVIEW和軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)，打造出一百二十八支天線(xiàn)的MIMO測(cè)試臺(tái)，迅速制作大規(guī)模的天線(xiàn)系統(tǒng)原型。由于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)架構(gòu)邏輯的設(shè)計(jì)流程經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，高效能處理的部署過(guò)程也很順暢，所以該領(lǐng)域的研究人員可以透過(guò)一致的軟硬件設(shè)計(jì)流程，滿(mǎn)足這類(lèi)超復(fù)雜系統(tǒng)的原型制作需求。

采大量天線(xiàn)　大規(guī)模MIMO提升無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸率

行動(dòng)裝置的數(shù)量和所消耗的無(wú)線(xiàn)資料量持續(xù)激增，促使研究人員須投入新技術(shù)的研究，才能滿(mǎn)足不斷成長(zhǎng)的需求。新一代5G無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)必須搭配目前的通訊系統(tǒng)，克服容量限制、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、覆蓋范圍、能源效率和延遲時(shí)間等難題。

大規(guī)模MIMO為5G的候選技術(shù)，在基地臺(tái)收發(fā)站(BTS)采用大量的天線(xiàn)(超過(guò)六十四支)，能夠大幅提升無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸率和鏈接穩(wěn)定性?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的BTS架構(gòu)采用分區(qū)拓?fù)?，最多也只有八支天線(xiàn)。

大規(guī)模MIMO囊括數(shù)百個(gè)天線(xiàn)組件，可透過(guò)預(yù)先編碼技巧把能源集中在目標(biāo)行動(dòng)用戶(hù)身上，進(jìn)一步降低輻射。只要把無(wú)線(xiàn)能源導(dǎo)向特定的用戶(hù)，就能夠降低輻射，同時(shí)也可避免干擾其他使用者。

就目前受干擾限制的行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)而言，這是相當(dāng)吸引人的一點(diǎn)。如果大規(guī)模MIMO確實(shí)能提供上述效能，未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)就會(huì)變得更快、可容納更多使用者，提供更出色的穩(wěn)定性和能源效率。

由于大規(guī)模MIMO的天線(xiàn)組件數(shù)量很多，也帶來(lái)了目前網(wǎng)絡(luò)所沒(méi)有的系統(tǒng)難題。舉例來(lái)說(shuō)，就目前采用LTE或LTE-Advanced的進(jìn)階數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)而言，導(dǎo)引訊號(hào)負(fù)載(Pilot Overhead)必須和天線(xiàn)數(shù)量成比例。

大規(guī)模MIMO會(huì)透過(guò)通道互惠在上行和下行鏈路之間使用分時(shí)雙工(TDD)，藉此管理大量天線(xiàn)的負(fù)載。有了信道互惠，即可把上行導(dǎo)引訊號(hào)的信道狀態(tài)信息用于下行預(yù)先編碼器。實(shí)踐大規(guī)模MIMO的困難之處還包含了擴(kuò)充十倍的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和接口，或是在大量的獨(dú)立射頻(RF)收發(fā)器之間達(dá)到更多也更分散的同步化效能。

正因?yàn)檫@些時(shí)序、處理和數(shù)據(jù)收集難題，所以原型制作便顯得更重要。如果研究人員要檢驗(yàn)理論內(nèi)容，就得從理論研究轉(zhuǎn)向測(cè)試臺(tái)。只要在實(shí)際情境中使用實(shí)際波形，研究人員即可開(kāi)發(fā)原型，判斷大規(guī)模MIMO的可行性和商用價(jià)值。就像所有的全新無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)一樣，從概念轉(zhuǎn)移至原型確實(shí)會(huì)影響實(shí)際的部署和商品化程序。

SDR搭配系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件　MIMO系統(tǒng)架構(gòu)彈性大躍進(jìn)

完整的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)須包含必備的軟硬件，藉此打造出多功能、可擴(kuò)充及靈活有彈性的大規(guī)模MIMO測(cè)試臺(tái)，以便透過(guò)重點(diǎn)頻帶與帶寬提供實(shí)時(shí)的雙向通訊效能給研究社群。

圖1　瑞典隆德大學(xué)的大規(guī)模MIMO測(cè)試臺(tái)采用了USRP RIO(a)和客制化的交叉極化平面天線(xiàn)數(shù)組(b)。

藉由SDR和系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，就可以發(fā)揮MIMO系統(tǒng)的模塊化特性，把數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)充為一百二十八支天線(xiàn)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。透過(guò)靈活有彈性的硬件，即可隨著無(wú)線(xiàn)研究需求變化而重新部署至其他設(shè)定，比如說(shuō)做為分布式節(jié)點(diǎn)部署于隨建即連(Ad-hoc)網(wǎng)絡(luò)，也可做為多細(xì)胞協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。

瑞典隆德大學(xué)(Lund University)Ove Edfors和Fredrik Tufvesson教授采用大規(guī)模MIMO應(yīng)用架構(gòu)，與美商國(guó)家儀器(NI)合作開(kāi)發(fā)出全球最大的MIMO系統(tǒng)(圖1)。該系統(tǒng)用了五十個(gè)SDR，打造出一百支天線(xiàn)的大規(guī)模MIMO BTS設(shè)定，如表1所示。

NI和隆德大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)SDR的概念，使用類(lèi)似LTE的物理層和TDD開(kāi)發(fā)出系統(tǒng)軟件和物理層，藉此提供行動(dòng)存取功能。這次合作所開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件已成為大規(guī)模MIMO應(yīng)用架構(gòu)的軟件組件。

就像其他的通訊網(wǎng)絡(luò)一樣，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)包含BTS和客戶(hù)端設(shè)備(UE)或行動(dòng)使用者。事實(shí)上，大規(guī)模MIMO主要是為了行動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，包含BTS、UE或行動(dòng)使用者。然而，大規(guī)模MIMO和傳統(tǒng)的拓?fù)浜懿灰粯樱饕顒e在于配置大量的BTS天線(xiàn)，能夠同時(shí)和多個(gè)UE通訊。

就NI和隆德大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)而言，BTS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)每個(gè)UE提供十個(gè)基地臺(tái)天線(xiàn)組件，可供十個(gè)使用者以完整帶寬同時(shí)存取一百個(gè)天線(xiàn)基地臺(tái)。經(jīng)過(guò)證實(shí)，每個(gè)UE有十個(gè)基地臺(tái)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)有助于提高理想增益。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)內(nèi)有一組UE會(huì)同時(shí)把一組正交導(dǎo)引訊號(hào)傳輸至BTS。接著就可以使用收到的上行導(dǎo)引訊號(hào)來(lái)評(píng)估信道矩陣，在下行時(shí)槽內(nèi)，這項(xiàng)通道評(píng)估會(huì)用于計(jì)算下行訊號(hào)的預(yù)先編碼器。

理論上，每個(gè)行動(dòng)使用者即可透過(guò)無(wú)干擾的通道接收專(zhuān)屬于自己的訊息。預(yù)先編碼器設(shè)定是一種開(kāi)放的研究領(lǐng)域，可針對(duì)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)加以設(shè)計(jì)，舉例來(lái)說(shuō)，預(yù)先編碼器可設(shè)計(jì)為對(duì)其他使用者零干擾、盡可能降低輻射功率，也可減少所傳輸射頻訊號(hào)的峰均功率比。

透過(guò)上述設(shè)計(jì)，大規(guī)模MIMO應(yīng)用架構(gòu)可支持高達(dá)20MHz的瞬間實(shí)時(shí)帶寬，并從六十四支天線(xiàn)擴(kuò)充為一百二十八支，還能夠提供給多個(gè)獨(dú)立UE使用。表1是在此環(huán)境下，部署類(lèi)似LTE協(xié)議的參數(shù)狀態(tài)，其中采用一個(gè)2,048個(gè)點(diǎn)的快速傅立葉變換(FFT)和0.5毫秒的時(shí)槽。0.5毫秒的時(shí)槽可確保合適的通道和諧狀態(tài)，提高行動(dòng)測(cè)試情境(也就是UE移動(dòng)中)的通道互惠效能。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的四大設(shè)計(jì)關(guān)鍵如下。

‧ 靈活的SDR，可擷取并傳輸射頻訊號(hào)。

‧ 無(wú)線(xiàn)電站之間可達(dá)到準(zhǔn)確的時(shí)間與頻率同步化。

‧ 高輸出率的精確總線(xiàn)，可遷移并匯整大量的數(shù)據(jù)。

‧ 出色的處理效能，可用于物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)執(zhí)行，藉此滿(mǎn)足實(shí)時(shí)效能需求。

理論上，這些關(guān)鍵項(xiàng)目可針對(duì)不同的研究需求快速完成客制化。本文的應(yīng)用架構(gòu)集結(jié)了SDR、頻率分配模塊、高輸出率PXI系統(tǒng)和LabVIEW，提供穩(wěn)健又精確的原型制作平臺(tái)，進(jìn)一步滿(mǎn)足研究需求。其中，SDR透過(guò)一個(gè)半寬1U、機(jī)架安裝式的機(jī)殼，提供整合式2×2 MIMO收發(fā)器和高效能FPGA，有助于加速基頻處理作業(yè)(圖2)。此外，其可透過(guò)PCI Express×4連接至主機(jī)控制器和系統(tǒng)控制器，能夠以高達(dá)800Mbit/s的數(shù)據(jù)串流速度傳輸至桌上型或PXI Express主計(jì)算機(jī)，或透過(guò)ExpressCard以200Mbit/s的速度傳輸至筆記本電腦。

圖2　USRP RIO硬件(a)和系統(tǒng)方塊圖(b)

上述的SDR硬件名為USRP RIO，搭載LabVIEW可重設(shè)I/O(RIO)架構(gòu)，其中結(jié)合開(kāi)放式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件和高效能硬件，有助于大幅簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)作業(yè)。緊密的軟硬件整合能夠降低系統(tǒng)整合的難度，對(duì)于如此大規(guī)模的系統(tǒng)更是如此，可以讓研究人員致力于研究項(xiàng)目。

PXI Express機(jī)箱背板

大規(guī)模MIMO應(yīng)用架構(gòu)采用PXIe-1085這款進(jìn)階的18槽式PXI機(jī)箱，其中每個(gè)插槽皆搭載PCI Express Generation 2技術(shù)，可達(dá)到高輸出、低延遲的應(yīng)用效能。此機(jī)箱可提供4Gbit/s的單插槽帶寬、12Gbit/s的系統(tǒng)帶寬。

圖3　18槽式PXIe-1085機(jī)箱(a)和系統(tǒng)方塊圖(b)

圖3為雙切換器背板架構(gòu)。如要建置高信道數(shù)系統(tǒng)，可透過(guò)菊鏈方式把多個(gè)PXI機(jī)箱串聯(lián)在一起，也可放入星形設(shè)定。

高效能可重設(shè)FPGA處理模塊

大規(guī)模MIMO應(yīng)用架構(gòu)采用FPGA模塊如FlexRIO，在PXI機(jī)箱中加入靈活高效能的處理模塊，透過(guò)LabVIEW FPGA Module即可設(shè)計(jì)程序。該FPGA模塊可獨(dú)立使用，提供客制化的大型Xilinx Kintex-7 410T和PCI Express Generation 2×8聯(lián)機(jī)功能給PXI Express背板。

八通道頻率同步化

另外，OctoClock頻率分配模塊具有八個(gè)信道，可以八種方式透過(guò)長(zhǎng)度匹配軌跡放大并分割一個(gè)外部10MHz參考和每秒脈波數(shù)(PPS)訊號(hào)，進(jìn)一步提供頻率和時(shí)間同步化效能給最多八個(gè)USRP裝置。

圖4　OctoClock-G模塊(a)和系統(tǒng)方塊圖(b)

OctoClock-G使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)授時(shí)的振蕩器(GPSDO)，額外加入一個(gè)內(nèi)部的時(shí)間與頻率參考，圖4為OctoClock-G系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。正面板的切換器可讓使用者選擇內(nèi)部GPSDO和外部參考。

LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境

LabVIEW具備整合式工具流，有助于管理系統(tǒng)層級(jí)的軟硬件細(xì)節(jié);透過(guò)GUI顯示系統(tǒng)信息;開(kāi)發(fā)通用處理器(GPP)、Real-Time和FPGA程序代碼;并且把程序代碼部署至研究測(cè)試臺(tái)。有了LabVIEW，用戶(hù)即可整合額外的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，包含ANSI C/C++(透過(guò)呼叫庫(kù)節(jié)點(diǎn))、VHDL(透過(guò)IP整合節(jié)點(diǎn))，甚至是.m檔案指令(透過(guò)LabVIEW MathScript RT Module)。這樣一來(lái)即可開(kāi)發(fā)出高效能實(shí)作項(xiàng)目，兼顧出色的穩(wěn)定性和客制化功能。大規(guī)模MIMO應(yīng)用架構(gòu)運(yùn)用了LabVIEW的高生產(chǎn)力特性，以及可透過(guò)LabVIEW FPGA設(shè)計(jì)并控制I/O細(xì)節(jié)的功能。

PXI機(jī)箱滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)輸出需求

上述的軟硬件平臺(tái)元素組合成一個(gè)測(cè)試臺(tái)，可把數(shù)支天線(xiàn)擴(kuò)充為超過(guò)一百二十八支同步化天線(xiàn)，該天線(xiàn)系統(tǒng)囊括了六十四個(gè)雙信道SDR裝置，連接至四個(gè)設(shè)為星形架構(gòu)的PXI機(jī)箱。主機(jī)箱可匯整所有數(shù)據(jù)，以便透過(guò)FPGA處理器和搭載四核心英特爾(Intel)i7的PXI控制器集中處理這些數(shù)據(jù)。

圖5　PXIe-7976R FlexRIO模塊(a)和系統(tǒng)方塊圖(b)

如圖5所示，主機(jī)箱把PXIe-1085機(jī)箱做為主要的數(shù)據(jù)匯整節(jié)點(diǎn)和實(shí)時(shí)訊號(hào)處理引擎。PXI機(jī)箱提供了十七個(gè)開(kāi)放式插槽可用于輸入/輸出裝置，此外還有時(shí)序與同步化、可實(shí)時(shí)處理訊號(hào)的FlexRIO FPGA機(jī)板、可連接至子機(jī)箱的擴(kuò)充模塊。

圖6　可擴(kuò)充的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)方塊圖結(jié)合PXI和USRP RIO。

一百二十八支天線(xiàn)的大規(guī)模MIMO BTS需要出色的數(shù)據(jù)輸出效能，才能夠匯整并處理I/Q樣本，進(jìn)而透過(guò)一百二十八個(gè)信道實(shí)時(shí)完成收發(fā)作業(yè);市面上的PXIe機(jī)箱如PXIe-1085則可確實(shí)滿(mǎn)足此需求，支持的PCI Generation 2×8數(shù)據(jù)路徑能夠達(dá)到最高3.2GB/s的輸出率(圖6)。

在主機(jī)箱的Slot 1內(nèi)，PXIe-8135 RT控制器或嵌入式計(jì)算機(jī)可做為中央系統(tǒng)控制器。PXIe-8135 RT配備2.3GHz的四核心Intel Core i7處理器(單核心Turbo Boost模式可達(dá)3.3GHz)。

主機(jī)箱裝載了四個(gè)PXIe-8384(S1到S4)接口模塊，可以把子機(jī)箱連接至主系統(tǒng)。機(jī)箱之間的通訊除了透過(guò)MXI之外，還仰賴(lài)了PCI Express Generation 2×8，可以在主機(jī)箱和其他子節(jié)點(diǎn)之間提供高達(dá)3.2GB/s的效能。

此系統(tǒng)還配備最多八個(gè)FPGA模塊，可滿(mǎn)足大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的實(shí)時(shí)訊號(hào)處理需求;插槽位置提供一個(gè)范例設(shè)定，其中的FPGA可以串聯(lián)起來(lái)，支持每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理需求。每個(gè)FPGA模塊都可以彼此透過(guò)背板接收或傳輸資料，甚至可以連接所有的SDR，延遲時(shí)間不到5微秒、輸出率高達(dá)3GB/s。

時(shí)序和同步化至關(guān)重要

如果系統(tǒng)要部署大量的無(wú)線(xiàn)電，時(shí)序和同步化都很重要，這都是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵。BTS系統(tǒng)共享一個(gè)10MHz參考頻率和一個(gè)數(shù)字觸發(fā)器，可啟動(dòng)每個(gè)無(wú)線(xiàn)電的擷取或產(chǎn)生功能，確保整個(gè)系統(tǒng)的同步化效能(圖7)。

圖7　大規(guī)模MIMO 頻率分配方塊圖

PXIe-6674T時(shí)序和同步化模塊配備OCXO，位于主機(jī)箱的Slot 10，可產(chǎn)生穩(wěn)定又準(zhǔn)確的10MHz參考頻率(50ppb準(zhǔn)確度)，并提供數(shù)字觸發(fā)器讓裝置與主要OctoClock-G頻率分配模塊達(dá)成同步化。

接著OctoClock-G就會(huì)供應(yīng)并緩沖10MHz參考(MCLK)和觸發(fā)器(MTrig)給OctoClock模塊，從第一個(gè)到第八個(gè)依序完成，然后供應(yīng)至SDR裝置，藉此確保每條天線(xiàn)都可以共享10MHz參考頻率和主機(jī)觸發(fā)器。此外，上述的控制架構(gòu)可針對(duì)每個(gè)無(wú)線(xiàn)電/天線(xiàn)組件提供精確的控制功能。

基地臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)軟件是專(zhuān)門(mén)為了滿(mǎn)足表1所述的系統(tǒng)目標(biāo)而設(shè)計(jì)的，OFDM物理層處理功能會(huì)分配至SDR裝置的FPGA內(nèi)，MIMO物理層處理組件則會(huì)分配至PXI主機(jī)箱的FPGA。

更高階的MAC函式會(huì)在PXI控制器上、Intel為架構(gòu)的通用處理器(GPP)上執(zhí)行。此系統(tǒng)架構(gòu)有助于處理大量資料，同時(shí)降低延遲以維持信道互惠效能預(yù)先編碼參數(shù)會(huì)直接從接收器傳送至傳輸器，藉此優(yōu)化系統(tǒng)效能。

從天線(xiàn)開(kāi)始，OFDM物理層處理會(huì)在FPGA上執(zhí)行，這樣一來(lái)，需要最大量運(yùn)算資源的處理作業(yè)就會(huì)在天線(xiàn)附近執(zhí)行。這樣的運(yùn)算結(jié)果就會(huì)在MIMO接收器IP結(jié)合起來(lái)，替每個(gè)使用者和每個(gè)子載波解析信道信息。

算出來(lái)的通道參數(shù)會(huì)傳輸至MIMO TX區(qū)塊，預(yù)先編碼會(huì)在此套用，把能源集中在單一用戶(hù)的退回路徑。雖然MAC有些部分會(huì)實(shí)作于FPGA，大部分和其他較上層的處理都會(huì)實(shí)作于GPP。系統(tǒng)每個(gè)階段所使用的特定算法也是相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域。

UE就是具有單一輸入單一輸出(SISO)或2×2 MIMO無(wú)線(xiàn)功能的手機(jī)，或其他無(wú)線(xiàn)裝置。UE原型可采用市面上的SDR，配備整合式GPSDO，使用接線(xiàn)PCI Express把筆記本電腦連接至ExpressCard(圖8)。

圖8　標(biāo)準(zhǔn)的UE設(shè)定，搭配筆記本電腦和USRP RIO

事實(shí)上，GPSDO非常重要，因?yàn)樗峁└錾念l率準(zhǔn)確度，還可提供同步化和地理位置功能，滿(mǎn)足未來(lái)的系統(tǒng)擴(kuò)充需求。典型的測(cè)試臺(tái)實(shí)作可能包含多個(gè)UE系統(tǒng)，其中每個(gè)SDR可能代表一或兩個(gè)UE裝置。

UE上的軟件實(shí)作方式就像BTS一樣，然而此軟件會(huì)做為單一天線(xiàn)系統(tǒng)而實(shí)作，把物理層放在SDR的FPGA，把MAC層放在主機(jī)PC。

PXI平臺(tái)推進(jìn)5G研究時(shí)程

透過(guò)LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件搭配USRP RIO和PXI平臺(tái)，徹底改革了高階研究系統(tǒng)的原型制作方式。本文說(shuō)明一個(gè)建置大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的實(shí)用選項(xiàng)，有助于促進(jìn)未來(lái)的5G研究。

把如此獨(dú)一無(wú)二的NI技術(shù)組合用于應(yīng)用架構(gòu)，即可針對(duì)大量的無(wú)線(xiàn)電同步化時(shí)間和頻率，PCI Express基礎(chǔ)架構(gòu)也可滿(mǎn)足輸出需求，藉此以超過(guò)15.7GB/s的速度，在上行和下行傳輸并匯整I/Q樣本。FPGA的設(shè)計(jì)流程可簡(jiǎn)化物理層和MAC層的高效能處理作業(yè)，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的時(shí)序需求。