大規(guī)模的多輸入多輸出（MIMO）是5G無(wú)線通訊研究中一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域。對(duì)下一代無(wú)線數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，它將帶來(lái)顯著的進(jìn)步，擁有在更高的數(shù)據(jù)速率下以更高的可靠性容納更多用戶同時(shí)消耗更低功耗的能力。使用NI 大規(guī)模MIMO的應(yīng)用程序框架，研究者可以快速搭建128天線的MIMO測(cè)試平臺(tái)，采用一流的LabVIEW系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)軟件和頂尖的NI USRP? RIO軟件無(wú)線電硬件，來(lái)進(jìn)行大規(guī)模天線系統(tǒng)的快速原型開發(fā)。使用一套簡(jiǎn)單且可應(yīng)用于創(chuàng)建基于FPGA邏輯和高性能處理優(yōu)化部署的設(shè)計(jì)流程，該領(lǐng)域的研發(fā)者能夠使用統(tǒng)一的軟件和硬件設(shè)計(jì)流程來(lái)滿足這些高度復(fù)雜系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)需求。

大規(guī)模多入多出(MIMO)簡(jiǎn)介

隨著移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量和人們所使用的無(wú)線數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，驅(qū)使著研究人員對(duì)于新技術(shù)和新方法的探究以解決這一日益增長(zhǎng)的需求。下一代的無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，被稱作第五代移動(dòng)通訊技術(shù)或5G，必須要解決容量限制，以及一些現(xiàn)有通信系統(tǒng)中存在的挑戰(zhàn)，諸如網(wǎng)絡(luò)的可靠性、覆蓋率、能效性、和延遲性等。大規(guī)模MIMO作為5G技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)在基站收發(fā)信機(jī)（BTS）上使用大量的天線（超過(guò)64根）實(shí)現(xiàn)了更大的無(wú)線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性。這種方式從根本上改變了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基站收發(fā)信機(jī)架構(gòu)，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)只使用了最多8根天線組成的扇形拓?fù)?。由于擁有?shù)以百計(jì)的天線單元，大規(guī)模MIMO可以使用預(yù)編碼技術(shù)集將能量集中到目標(biāo)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，輻射功率降低，同時(shí)對(duì)于其他用戶的干擾也降低。這一特性對(duì)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(guī)模MIMO的想法真的可以實(shí)現(xiàn)，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且具有更高的可靠性和更高的能效。

由于大規(guī)模MIMO使用了較多的天線單元，因而面臨了一些現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)未遇到過(guò)的系統(tǒng)挑戰(zhàn)。比如說(shuō)，當(dāng)前基于LTE或LTE-A的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需的導(dǎo)頻開銷是與天線的數(shù)量成比例的。而大規(guī)模MIMO管理了大量時(shí)分復(fù)用的天線的開銷，在上下行之間具有信道互易性。信道互易性使得上行導(dǎo)頻獲取的通道狀態(tài)信息可以在下行鏈路的預(yù)編碼器中被使用。其他更多實(shí)現(xiàn)大規(guī)模多入多出的挑戰(zhàn)還包括：在一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)下來(lái)確定數(shù)據(jù)總線和接口的規(guī)模；以及在眾多獨(dú)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(shù)據(jù)收集上的挑戰(zhàn)使得原型化驗(yàn)證變得更為重要。為了讓研發(fā)者能夠證實(shí)對(duì)應(yīng)理論，這就意味著需要把理論工作轉(zhuǎn)移到實(shí)際的測(cè)試臺(tái)上。通過(guò)使用真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中的實(shí)際波形，研發(fā)者開發(fā)出產(chǎn)品原型并確定大規(guī)模MIMO的技術(shù)可行性和商業(yè)可行性。就新型無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)來(lái)說(shuō)，把概念轉(zhuǎn)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)者能越快地開發(fā)出產(chǎn)品原型，就意味著社會(huì)能越早地受益于這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。

1. 大規(guī)模MIMO產(chǎn)品原型概述

下面所述的是一個(gè)完整的大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架。它包含了搭建世界上最通用的、靈活的、可擴(kuò)展的大規(guī)模MIMO測(cè)試臺(tái)所需的硬件和軟件，該測(cè)試臺(tái)支持實(shí)時(shí)處理以及在研發(fā)團(tuán)隊(duì)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)線電（SDRs）和LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件，這種MIMO系統(tǒng)的模塊化特性促使系統(tǒng)從僅有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)展到了128天線的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。并且隨著無(wú)線研究的演進(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(yīng)用中，比如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的分布式節(jié)點(diǎn)，或多小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。

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圖1. 瑞典隆德大學(xué)——基于USRP RIO的大規(guī)模MIMO測(cè)試臺(tái) (a) 一種自定義的橫向極化貼片天線陣列(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(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架開發(fā)出了一套世界上最大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)（見圖1）。他們的系統(tǒng)使用了50套USRP RIO軟件無(wú)線電來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO基站收發(fā)信機(jī)天線數(shù)（見表1）為100天線的配置?；谲浖o(wú)線電的概念，NI和隆德大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了系統(tǒng)級(jí)的軟件和物理層，該物理層使用了類似于LTE的物理層和時(shí)分復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端接入。在這一合作過(guò)程中所開發(fā)的軟件，可作為大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架的一部分被下載。表1中展示了大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架所支持的系統(tǒng)和協(xié)議參數(shù)。

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表1. 大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架系統(tǒng)參數(shù)