利用FPGA對大規模MIMO信道進(jìn)行特性描述

多用戶(hù)MIMO(MUMIMO)是一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，采用基礎架構節點(diǎn)(例如基站和接入點(diǎn))上的多個(gè)天線(xiàn)為多個(gè)客戶(hù)同時(shí)提供服務(wù)。MU-MIMO是未來(lái)無(wú)線(xiàn)標準中必不可少的組成部分，有望為繁忙的網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)顯著(zhù)的性能提升。

人們預想隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)系統的更新?lián)Q代，基站的天線(xiàn)數量將會(huì )不斷增加，最終形成“大規模MIMO”系統。大規模MIMO方案將MU-MIMO基站上的天線(xiàn)數量增至數十個(gè)甚至數百個(gè)，以求在提高性能的同時(shí)簡(jiǎn)化基站的信號處理功能。有一種可擴展的大規模MIMO技術(shù)被稱(chēng)為共軛波束形成[1]。該技術(shù)的一種早期實(shí)現方案顯示出實(shí)際性能提升潛力[2]。

多用戶(hù)MIMO技術(shù)離不開(kāi)無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境的準確信息。一個(gè)MUMIMO基礎架構節點(diǎn)可同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，前提條件是具備有關(guān)每個(gè)用戶(hù)無(wú)線(xiàn)信道的準確的最新測量信息。實(shí)時(shí)收集信道信息極具挑戰性，而且陳舊或不準確的信道信息對性能影響可能非常嚴重。

我們設計出一款用于描述大規模MIMO信道特性的集成系統，可幫助研究人員實(shí)時(shí)分析信道的動(dòng)態(tài)特性。該系統的核心部分采用基于賽靈思FPGA的WARP硬件平臺和Mango Communications的802.11參考設計，可通過(guò)萊斯大學(xué)(Rice University)的Argos平臺將24個(gè)FPGA連接至96個(gè)天線(xiàn)[2]。Mango Communications開(kāi)發(fā)的Python定制框架可用來(lái)實(shí)時(shí)控制和收集來(lái)自陣列中每個(gè)節點(diǎn)的數據。Mango和萊斯大學(xué)的這兩款工具結合使用可提供深入的無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧信息，包括對大規模MIMO進(jìn)行特性描述所需的原始信道數據。

Mango Communications802.11定制模塊的重要功能是實(shí)時(shí)發(fā)送來(lái)自各個(gè)接收天線(xiàn)的底層基帶參數，例如AGC增益、信道估計值和原始數據包內容(甚至是含有錯誤的數據包)。參考設計的這項功能使萊斯大學(xué)的Argos陣列作為符合802.11標準的接入點(diǎn)(AP)使用，為商用Wi-Fi設備(例如智能手機、平板電腦或筆記本電腦)提供互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)實(shí)時(shí)收集陣列天線(xiàn)與每個(gè)客戶(hù)端之間的信道數據。賽靈思FPGA是實(shí)現每個(gè)天線(xiàn)上的實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵。

它們將來(lái)自各個(gè)天線(xiàn)的數據簡(jiǎn)化成可由定制模塊發(fā)送和分析的每客戶(hù)端信道特性信息。

讓我們來(lái)具體了解一下WARP硬件平臺、Mango的802.11模塊以及針對MU-MIMO的共軛波束形成策略。最后，我們還會(huì )檢查特性分析過(guò)程，包括實(shí)時(shí)從Wi-Fi客戶(hù)端收集無(wú)線(xiàn)信道測量數據，以及處理信道數據以估計可達到的MU-MIMO性能。系統組件

無(wú)線(xiàn)開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)研究平臺(WARP)是一款全新構建的可擴展、可編程無(wú)線(xiàn)平臺，用于高級無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的原型設計。WARP能夠將高性能可編程硬件與包含參考設計和支持資料的開(kāi)放源碼庫結合在一起。

WARP項目于2006年由萊斯大學(xué)教授A(yíng)shu Sabharwal創(chuàng )立，最初由美國國家科學(xué)基金會(huì )(National Science Foundation)提供資金支持，目前由賽靈思持續提供支持。自此，該項目已經(jīng)發(fā)展成為能夠自我維持的開(kāi)放源碼平臺，其用戶(hù)遍布世界各地。Mango Communications于2008年從萊斯大學(xué)WARP項目中拆分出來(lái)，最初的目的是制造和銷(xiāo)售萊斯WARP硬件。2012年，Mango發(fā)布了經(jīng)過(guò)徹底重新設計的WARP v3硬件。如今，Mango工程師是WARP資源庫和論壇最活躍的貢獻者，持續提供開(kāi)發(fā)和開(kāi)放源碼WARP設計支持。

大規模MIMO信道測量系統的核心組成部分是Mango Communications的WARPv3硬件平臺。WARP v3適用于快速、實(shí)時(shí)構建新型無(wú)線(xiàn)系統的原型設計。在硬件方面集成了一個(gè)賽靈思高性能Virtex®-6 FPGA，兩個(gè)靈活的射頻接口以及包括DDR3 DRAM和兩個(gè)1Gbps以太網(wǎng)接口在內的多個(gè)外設。WARP v3板卡可通過(guò)Mango的雙無(wú)線(xiàn)電FMC模塊擴展至4個(gè)射頻接口。圖1中的硬件配置可提供具有FPGA獨立數字基帶連接的4個(gè)完全可編程的射頻接口。

為了研究大規模MIMO系統，應該讓多個(gè)WARPv3節點(diǎn)位于相同位置并共享電源、時(shí)鐘和以太網(wǎng)連接。萊斯大學(xué)Argos項目能夠滿(mǎn)足這一要求。Argos v2陣列包含24個(gè)四天線(xiàn)WARP v3節點(diǎn)，如圖2所示。Argos陣列旨在支持各種大規模MIMO實(shí)驗，而且特別適合同時(shí)收集所有96個(gè)陣列天線(xiàn)的信道測量數據。

圖2 – 萊斯大學(xué)Argos v2陣列包含24個(gè)四無(wú)線(xiàn)電WARP v3節點(diǎn)，具備共享時(shí)鐘和以太網(wǎng)連接。

這種實(shí)時(shí)處理能力對于我們的大規模MIMO信道特性描述設計來(lái)說(shuō)非常重要，因為這樣系統就可以不斷地測量信道，并可靠地觀(guān)測小于毫秒的信道特性變化。執行該處理的FPGA定制設計正是針對WARP v3的Mango Communications 802.11參考設計。

該參考設計是802.11a/g介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)和物理層(PHY)的實(shí)時(shí)FPGA實(shí)現方案。該設計用來(lái)與標準Wi-Fi設備進(jìn)行交互操作，起到接入點(diǎn)(用于Wi-Fi客戶(hù)端)、客戶(hù)端(訪(fǎng)問(wèn)Wi-Fi接入點(diǎn))或者監控器(只能接收的網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)無(wú)源觀(guān)測器)的作用。您可以對MAC和PHY進(jìn)行定制，以探索從標準配置衍生出的變體方案。這種互操作性與可擴展性的完美結合能夠實(shí)現各種規模的無(wú)線(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗。WARP v3硬件用戶(hù)可免費獲得802.11參考設計的完整源文件。

圖3給出了參考設計架構。該設計使用兩個(gè)賽靈思MicroBlaze™內核在軟件中實(shí)現高電平和低電平MAC協(xié)議。MAC連接兩個(gè)FPGA核，分別用于實(shí)現PHY發(fā)送器和接收器。我們在賽靈思系統生成器中實(shí)現了這些PHY內核。發(fā)送器內核實(shí)現了完整的字節至波形流水線(xiàn)，可從MAC讀取數據包有效載荷，創(chuàng )建OFDM波形，并將波形驅動(dòng)至射頻接口DAC。該流水線(xiàn)包含編碼、擾碼、交織、IFFT和前同步碼插入。MAC指定每個(gè)數據包的調制和編碼速率;支持802.11a/g規定的全部8種數據速率。

接收器設計則實(shí)現了完整的波形至字節流水線(xiàn)，包括AGC、同步、FFT、信道估計、均衡、檢測和解碼。

Argos陣列中每個(gè)WARP v3節點(diǎn)上的FPGA都可提供接近射頻接口的強大處理能力。在諸如Argos這樣的大規模MIMO配置中，有大量數據需要處理。例如，當接收40MHz的帶寬時(shí)，WARP v3上的每個(gè)射頻接口都會(huì )產(chǎn)生960Mbps的采樣流(雙12位40Msps的ADC)。完整Argos陣列的總量是該值的96倍，遠遠超出可發(fā)送到PC和實(shí)時(shí)處理的最高值。相反，該系統能夠利用FPGA實(shí)時(shí)對這些數據進(jìn)行本地處理，并顯著(zhù)減少上游處理器的負擔。

WARPnet框架針對我們的大規模MIMO信道特性描述設計，維持著(zhù)與Argos陣列中每個(gè)節點(diǎn)的連接。每個(gè)節點(diǎn)都被配置為802.11監控器，可捕獲來(lái)自每個(gè)接收數據包的信道估計值，并通過(guò)以太網(wǎng)下載這些數據包以備進(jìn)一步分析。

WARPnet的完整Python源代碼在WARP庫中以開(kāi)放源碼方式提供。

理解MU-MIMO

采用MU-MIMO技術(shù)的基站需要為眾多發(fā)射天線(xiàn)創(chuàng )建波形，這些天線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)信道相結合時(shí)可同時(shí)為多個(gè)用戶(hù)發(fā)送數據。創(chuàng )建多用戶(hù)波形需要在基站上執行精細復雜的處理。我們現已提出很多種MU-MIMO技術(shù)。對MU-MIMO設計的普遍要求是準確掌握每個(gè)基站天線(xiàn)到每個(gè)客戶(hù)設備間的無(wú)線(xiàn)傳播特性。

有一種被稱(chēng)為“迫零”的MU-MIMO方法，與單用戶(hù)技術(shù)相比，其無(wú)論從理論上還是從近期的實(shí)踐上[3]都可實(shí)現顯著(zhù)的性能提升。迫零方法可最大程度地提高每個(gè)客戶(hù)接收天線(xiàn)上的信號與干擾加噪聲比(SINR)。將SINR實(shí)現最大化需要最大程度地提高達到用戶(hù)天線(xiàn)的波形中的用戶(hù)有效載荷的信號功率(即“S”)，同時(shí)盡量減小其他用戶(hù)的有效載荷功率(即“I”)。迫零法需要在基站上進(jìn)行非常精細復雜的處理。采用迫零法，在計算特定基站天線(xiàn)的傳輸波形時(shí)需要了解每個(gè)用戶(hù)的有效載荷以及從其它天線(xiàn)到每個(gè)用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)信道。計算復雜性會(huì )隨著(zhù)基站天線(xiàn)數量的增加而顯著(zhù)提高。

接收器使用數據包SIGNAL字段中的RATE值自動(dòng)針對每個(gè)數據包配置解調和解碼模塊。接收器能以足夠快的速度解碼任何速率的數據包，并在接收后發(fā)出確認字符(ACK)，以滿(mǎn)足標準對于接收至發(fā)送(Rx-to-Tx)之間嚴格的轉換要求。

接收器中的信道估計子系統對大規模MIMO信道的特性描述來(lái)說(shuō)特別重要。在標準OFDM接收器中，信道估計器生成每個(gè)副載波的復雜信道系數。均衡器使用這些估計系數為每個(gè)接收到的數據符號校正信道幅度和相位衰減問(wèn)題。此外，我們的設計還將每個(gè)接收數據包的信道估計值副本保存到片上存儲區。MAC將這些信道估計值作為關(guān)于接收幀和標準信息(例如接收器功耗、AGC增益選擇、校驗和狀態(tài)以及天線(xiàn)選擇等)的額外元數據。然后，信道估計值會(huì )被復制到更高電平的MAC以備進(jìn)一步處理。我們的特性描述平臺從Argos 陣列中各個(gè)節點(diǎn)所接收到的每個(gè)數據包中收集這些估計值，以構成對大規模MIMO傳播環(huán)境的實(shí)時(shí)視圖。

WARPNET實(shí)驗框架

大規模MIMO特性描述系統的最后一個(gè)部分是WARPnet框架，用于運行大型WARP節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)驗。WARPnet是一個(gè)Python定制軟件包，使用專(zhuān)用控制連接功能連接至多個(gè)WARP節點(diǎn)。該框架允許Python腳本在PC上運行，以便實(shí)時(shí)地遠程配置實(shí)驗參數并檢索實(shí)驗數據。WARPnet通過(guò)每個(gè)WARP v3板卡上的次級以太網(wǎng)連接與Mango 802.11參考設計進(jìn)行交互。上部的MicroBlaze器件用于處理WARPnet命令，使框架能夠直接訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)的高電平MAC狀態(tài)以及從低電平MAC和PHY傳送上來(lái)的全部數據。

仿真假設網(wǎng)絡(luò )中有一個(gè)基站和八個(gè)用戶(hù)，用獨立且恒等分布的瑞利(Rayleigh)衰落信道對無(wú)線(xiàn)信道建模。仿真實(shí)驗給出了同時(shí)服務(wù)一至八個(gè)用戶(hù)時(shí)的總體網(wǎng)絡(luò )速率與基站所用天線(xiàn)數量的對比情況。當天線(xiàn)數量很少時(shí)，我們發(fā)現一次對一個(gè)以上的用戶(hù)采用共軛波束形成法并沒(méi)有好處。如果基站只限制在幾個(gè)天線(xiàn)，那么帶分時(shí)功能的傳統單用戶(hù)波束形成法可能優(yōu)于多用戶(hù)共軛波束形成法。隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增加，可以支持更多的用戶(hù)，以獲得整體網(wǎng)絡(luò )速率的顯著(zhù)提升。

該仿真實(shí)驗使用理想的信道模型展示說(shuō)明多用戶(hù)共軛波束形成法可實(shí)現性能提升。性能提升是否能夠在真實(shí)系統中實(shí)現取決于基站與客戶(hù)端設備之間真實(shí)的無(wú)線(xiàn)信道。我們的MU-MIMO信道特性描述平臺可實(shí)時(shí)測量基站與真實(shí)用戶(hù)設備之間的信道，為評估MU-MIMO技術(shù)的真實(shí)性能提供了強大的工具。

完美集成

既然我們已經(jīng)了解了測量大規模MIMO信道的目的，以及Rice Argos陣列、WARP硬件和Mango 802.11參考設計所提供的工具，我們接下來(lái)就看一看如何將這些內容組成完整的實(shí)時(shí)大規模MIMO信道特性描述平臺。

Argos陣列中的24個(gè)WARP v3節點(diǎn)由Mango 802.11定制參考設計版進(jìn)行配置。這個(gè)版本以只接收監控器模式工作，使節點(diǎn)的四個(gè)天線(xiàn)都接收數據包。每次接收數據包時(shí)，節點(diǎn)都會(huì )為每個(gè)副載波估算復雜信道系數。

共軛波束形成[1]是另外一種MU-MIMO替代技術(shù)。使用這種方法時(shí)，基站會(huì )最大程度地提高發(fā)送到每個(gè)客戶(hù)端設備的有效信號功率，而不會(huì )主動(dòng)將干擾功率最小化。共軛波束形成法通過(guò)將信號功率最大化(SINR中的“S”)同時(shí)忽略干擾功率(SINR中的“I”)的方式增加每個(gè)用戶(hù)的SINR，理論上這種方式會(huì )隨天線(xiàn)數量的增加而改善。此外，進(jìn)行每個(gè)傳輸天線(xiàn)波形的共軛波束形成計算時(shí)，無(wú)需知道其它天線(xiàn)的信道特性。以上因素綜合起來(lái)使得共軛波束形成法特別適合用于大規模MIMO系統，其中基站天線(xiàn)數量比用戶(hù)要多得多。

考慮一下經(jīng)典的Shannon信道容量公式C =log(1+SINR)。無(wú)線(xiàn)信道的容量(比特/秒/Hz)與SINR成對數增長(cháng)關(guān)系。當系統添加更多用戶(hù)和天線(xiàn)時(shí)，多用戶(hù)共軛波束形成法存在兩個(gè)相互矛盾的因素。首先，多個(gè)天線(xiàn)的存在會(huì )增加接收信號功率，因為每個(gè)天線(xiàn)都可旋轉相位，使傳輸信號在用戶(hù)接收器端被有機地結合起來(lái)。第二，獨立用戶(hù)的多傳輸會(huì )增加干擾功率。疊加的干擾信號會(huì )隨機組合。隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增加，有機組合的信號功率增長(cháng)速度超過(guò)隨機組合的干擾功率，從而增大整體的SINR。

圖4中的仿真結果顯示出，在使用共軛波束形成法時(shí)，基站天線(xiàn)數量的增加對整體網(wǎng)絡(luò )容量的影響。

對數據包進(jìn)行解碼并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送數據包頭和信道估計值以進(jìn)行分析。這個(gè)處理流程在陣列中所有24個(gè)并行工作的節點(diǎn)中執行。

為了與標準Wi-Fi設備通信，信道測量平臺必須實(shí)現一個(gè)標準的802.11接入點(diǎn)。使用另一個(gè)WARP v3節點(diǎn)來(lái)達到此目的，使Mango 802.11參考設計運行于A(yíng)P模式。這個(gè)AP節點(diǎn)作為Argos陣列中的第25個(gè)節點(diǎn)。AP可提供開(kāi)放的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )，接受商用Wi-Fi設備的關(guān)聯(lián)，并通過(guò)其主以太網(wǎng)連接提供互聯(lián)網(wǎng)接入。

這是Mango 802.11參考設計中AP的標準特征。為了實(shí)現實(shí)時(shí)信道測量，AP需要實(shí)施一個(gè)附加功能。每次有Wi-Fi客戶(hù)端加入或離開(kāi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，AP節點(diǎn)會(huì )通過(guò)WARP v3板卡上的副以太網(wǎng)連接發(fā)送一個(gè)以太網(wǎng)數據包。信道分析應用程序(下面將介紹)使用這些關(guān)聯(lián)更新來(lái)維護活動(dòng)客戶(hù)端本地列表。 客戶(hù)端傳輸

在從Wi-Fi商用設備接收到的數據包中收集信道估計值時(shí)所面臨的一個(gè)重要挑戰是確保設備的信息發(fā)送頻率足夠高?，F代Wi-Fi設備經(jīng)常采用嚴格的節電方案，在沒(méi)有應用程序請求網(wǎng)絡(luò )接入的情況下會(huì )關(guān)閉Wi-Fi連接。這些設備會(huì )定期與接入點(diǎn)報到，但其頻率有可能不足以確保獲得最新的陣列信道估計信息。

我們用兩種方法解決客戶(hù)端傳輸頻率不足的問(wèn)題。首先，修改由平臺AP發(fā)送的信標中的流量指示圖(TIM)字段，以通知所有連接客戶(hù)端有新的數據包正排隊等待。TIM字段一般用來(lái)幫助客戶(hù)端實(shí)現節電效果，使客戶(hù)端在純接收模式下短暫?jiǎn)拘?，以接收信標，解碼TIM，并在無(wú)流量等候時(shí)恢復到低功耗模式。通過(guò)在每個(gè)信標的TIM字段中列出每個(gè)節點(diǎn)，可以讓節點(diǎn)較少地進(jìn)入休眠模式。

第二種方法是使用客戶(hù)端設備發(fā)送的ACK數據包來(lái)請求客戶(hù)端傳輸。該陣列可以從客戶(hù)端發(fā)送的任何數據包(包括短ACK)中提取信道估計值。不過(guò)，802.11 ACK數據包只包含一個(gè)目標MAC地址，通常會(huì )阻止陣列識別正在傳輸的客戶(hù)端。

我們在802.11 MAC規范中使用一個(gè)特殊方法來(lái)解決這一問(wèn)題。該標準要求802.11器件在成功接收發(fā)送到該客戶(hù)端的單播數據包后發(fā)送一個(gè)肯定的確認數據包。即使數據包源地址無(wú)法識別，“強制ACK”要求仍然適用。因此， AP可發(fā)送一個(gè)采用唯一虛假源地址的數據包，以便讓包含唯一標識符的客戶(hù)端觸發(fā)一個(gè)ACK發(fā)送信號?？蛻?hù)端收到數據包后會(huì )將ACK發(fā)送至AP所使用的唯一虛假源地址。陣列節點(diǎn)接收ACK，并明確地將得到的信道估計值與發(fā)送客戶(hù)端進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這個(gè)技巧非常好用，能夠在陣列上為信道估計觸發(fā)頻率更新。之所以能使用這種方法，是因為Mango802.11參考設計具備完全可編程性。

實(shí)時(shí)分析

大規模MIMO信道測量平臺的最后一個(gè)組成部分是定制應用程序，該應用程序能夠收集陣列信道估計值，計算出可達到的多用戶(hù)容量，并實(shí)時(shí)顯示結果。我們采用Objective C開(kāi)發(fā)該應用，使用本地UDP插口連接陣列的WARP v3節點(diǎn)，并利用OS X圖形框架繪出結果。

該應用程序有兩個(gè)主視圖。第一個(gè)視圖顯示每個(gè)陣列天線(xiàn)針對各個(gè)副載波所收集的信道數量，共4,992個(gè)數據點(diǎn)(52個(gè)副載波x96個(gè)陣列天線(xiàn))。該視圖顯示由陣列收集的原始信道數據，并主要負責傳達由每個(gè)陣列天線(xiàn)觀(guān)察到的大量信道值。

圖5給出了該視圖的屏幕截圖。實(shí)際上，該視圖會(huì )進(jìn)行實(shí)時(shí)更新(10幀每秒更新活動(dòng)Wi-Fi客戶(hù)端)。

應用程序的第二個(gè)視圖顯示了根據陣列信道估計值得到的容量計算結果。在圖6中給出該視圖。執行兩個(gè)容量計算。第一張圖描繪了每個(gè)用戶(hù)的容量與所用陣列天線(xiàn)數量的對比情況。圖中的每條線(xiàn)近似等于可達到的單用戶(hù)下行鏈路容量，并假設陣列在傳統的單用戶(hù)波束形成配置下使用部分天線(xiàn)。每條容量曲線(xiàn)斜度隨天線(xiàn)數量增加而減小，這清楚地說(shuō)明在使用傳統單用戶(hù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)時(shí)多天線(xiàn)優(yōu)勢會(huì )減小。

第二張圖顯示了陣列使用部分天線(xiàn)實(shí)現下行鏈路多用戶(hù)波束形成技術(shù)時(shí)的總體網(wǎng)絡(luò )容量。四條曲線(xiàn)的走勢清楚體現了在使用多用戶(hù)技術(shù)時(shí)更多天線(xiàn)數量所帶來(lái)的優(yōu)勢。當服務(wù)更多用戶(hù)時(shí)斜率增加體現了采用多用戶(hù)波束形成技術(shù)時(shí)所實(shí)現的“日志外(outside the log)”(常在MIMO中用 “prelog” 表達)網(wǎng)絡(luò )容量增益。

我們在2月份舉行的2014賽靈思新興技術(shù)座談會(huì )(ETS)上演示了大規模MIMO信道測量平臺。演示具體內容，包括視頻和補充材料鏈接均在http://warpproject.org/XilinxETS中提供。

參考資料

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