大規模MIMO的原型制作

　　對無(wú)線(xiàn)數據的無(wú)線(xiàn)需求不斷促使研發(fā)人員尋找新的技術(shù)來(lái)擴大無(wú)線(xiàn)數據容量和網(wǎng)絡(luò )能力。業(yè)界專(zhuān)家們普遍認為，即使當前和規劃中的基礎設施全面展開(kāi)，數據需求仍然會(huì )繼續超過(guò)現有的能力，辯論已經(jīng)從這“是否”會(huì )發(fā)生轉為“何時(shí)”發(fā)生。無(wú)線(xiàn)服務(wù)提供商紛紛計劃將網(wǎng)絡(luò )升級到4G LTE、LTE-Advanced(LTE-A)，以及更先進(jìn)的技術(shù)，推出微蜂窩覆蓋、異構網(wǎng)絡(luò )、載波聚合、3GPP路線(xiàn)圖等創(chuàng )新方案。然而很明顯，當前技術(shù)軌跡產(chǎn)生的容量斜坡仍然比需求線(xiàn)平坦。面對此挑戰，3GPP標準實(shí)體近來(lái)提出了數據容量“到2020年增長(cháng)1000倍”的目標，以滿(mǎn)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模的天線(xiàn)陣列，可能包含成百上千的收發(fā)器。此概念稱(chēng)為大規模MIMO.的確，大規模MIMO脫離了當前的網(wǎng)絡(luò )拓補，可能是解決我們所面對的無(wú)線(xiàn)數據挑戰的關(guān)鍵;然而，在認知大規模MIMO廣泛部署的效能和/或可行性的過(guò)程中，出現了一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，有人會(huì )創(chuàng )建一個(gè)原型，只為確定它是否真正行之有效嗎?畢竟，創(chuàng )建一個(gè)具有上千天線(xiàn)的原型會(huì )帶來(lái)若干工程上的挑戰，另外還有其他不可忽視的問(wèn)題，即成本和時(shí)間。

　　MIMO背景

　　MIMO依賴(lài)多路來(lái)提高無(wú)線(xiàn)數據鏈路的可靠性以及有效數據率，通常使用數根獨立天線(xiàn)獲得多個(gè)數據流。多路傳播是通信系統面臨的巨大挑戰，實(shí)踐中采用MIMO，運用空間-時(shí)間編碼和/或空間分集等多種技術(shù)。1 4G移動(dòng)通信標準LTE-A規定MIMO組態(tài)最多使用8根天線(xiàn)。IEEE 802.11n/ac標準以及這些標準的實(shí)際商業(yè)化均普遍使用MIMO.

　　基本上，更多天線(xiàn)會(huì )給傳播通道帶來(lái)更高的自由度，從而在數據率和/或鏈路可靠性方面擁有更高的性能。然而，總體數據率仍然受到香農理論的限制。在多個(gè)用戶(hù)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(hù)MIMO(MU-MIMO)，其中，多個(gè)用戶(hù)可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一時(shí)頻資源，但是通過(guò)多根天線(xiàn)產(chǎn)生的多“空間維度”實(shí)現隔離。

　　更多天線(xiàn)，更大容量，更高的可靠性

　　增大MU-MIMO的規模，稱(chēng)為大規模MIMO，可以提供更大的網(wǎng)絡(luò )容量、更高的可靠性，并通過(guò)降低一個(gè)蜂窩或服務(wù)地區的總發(fā)射功率而提高大規模MIMO基站的能量效率。理論上，每根天線(xiàn)的發(fā)射功率能夠低于以相同數據率為指定蜂窩或者地區服務(wù)的單根天線(xiàn)的發(fā)射功率。即，總功率為：

　　PTotMM~ PT NT

　　其中，PTotMM是每個(gè)地區的總傳輸功率，PT是每根天線(xiàn)的功率，NT是發(fā)射天線(xiàn)的數目。其中，PTotMM低于單天線(xiàn)系統的PTot.與單天線(xiàn)系統相比，為了達到相同的可靠性和/或吞吐量，由于大規模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用戶(hù)，所以大規模MIMO蜂窩拓補能夠降低分區地域的總發(fā)射功率。另外，當使用多根天線(xiàn)時(shí)，從發(fā)射器至接收器的正確位發(fā)射概率會(huì )增大，因為

　　鏈路中斷概率~ 1 / SNR NT NR

　　其中，SNR是信噪比，NR是接收天線(xiàn)的數目，NT是發(fā)射天線(xiàn)的數目。由于此關(guān)系，當系統中的天線(xiàn)數目增加時(shí)，鏈路中斷概率會(huì )降低，從而提高了通信鏈路可靠性。1

　　大規模MIMO天線(xiàn)陣列基于這里所述的基本概念，按照理論，數百倍規模的天線(xiàn)部署將獲得比當前MIMO點(diǎn)對點(diǎn)部署更高的效率。具體來(lái)說(shuō)，憑借數百根天線(xiàn)，天線(xiàn)孔徑和部署網(wǎng)格均有精細的多的分辨率。配合波束成形，能夠更加精細地控制天線(xiàn)波瓣，以降低通道中的能量。

　　大規模MIMO系統也有其挑戰。一個(gè)挑戰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)行預編碼。鑒于有數百根天線(xiàn)，通過(guò)導頻信號來(lái)推論通道狀態(tài)在實(shí)踐中是不可行的。因此，目前實(shí)現的大規模MIMO只能實(shí)際使用依賴(lài)于通道互易的時(shí)分雙工(TDD)系統，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，系統中的熱噪聲對于如此之多的天線(xiàn)來(lái)說(shuō)不必過(guò)于關(guān)注，并且干擾器的影響成為更大的問(wèn)題。這些挑戰以及其他挑戰，可以在開(kāi)發(fā)出有效的原型之后使用實(shí)際波形來(lái)進(jìn)行研究。

　　大規模MIMO系統的原型制作

　　制作大規模MIMO系統的原型需要預先進(jìn)行許多工作，以便仔細、恰當地設計實(shí)際運作系統。大多數研究人員會(huì )發(fā)現，甚至制作只有2天線(xiàn)的最低組態(tài)MIMO收發(fā)器系統也是極具挑戰性的(參見(jiàn)圖1)。為設計大規模MIMO原型，首先繪制系統草圖(參見(jiàn)圖2)。在本練習中，基站處的天線(xiàn)數目N為128，從而獲得128×128 MIMO組態(tài)。組態(tài)假設M個(gè)移動(dòng)用戶(hù)使用SISO天線(xiàn)。

　　圖1 2天線(xiàn)MIMO收發(fā)器

　　圖2 M用戶(hù)N天線(xiàn)大規模MIMO系統

　　在設計大規模MIMO系統時(shí)，需要考慮許多事項，包括發(fā)射功率、相鄰通道干擾、頻譜罩等RF系統參數。然而，大規模MIMO系統需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵參數是每根天線(xiàn)的數字數據吞吐量。從圖中可知，系統最具挑戰性的一個(gè)方面是將所有接收到的樣本聚合到公共處理子系統內。與使用SISO無(wú)線(xiàn)電的簡(jiǎn)單發(fā)射和接收通信不同，大規模MIMO要求發(fā)射和接收元件之間擁有高速數據吞吐，以及高基帶，并且其數量級高于目前部署的系統。

　　可以選擇在靠近天線(xiàn)處的節點(diǎn)，以分布方式處理數據流，但是為了恢復從不同用戶(hù)處收到的信號，或者有效地為不同用戶(hù)進(jìn)行信號預編碼，必須將從各個(gè)天線(xiàn)接收到的數據流聚集在一個(gè)公共位置，以獲得最優(yōu)性能。通過(guò)仔細觀(guān)察吞吐量和數據要求，我們將系統分成基本元件。這樣，我們就可以在原型的實(shí)際構建中量化數據率，并在系統設計、集成、功率和成本之間取得平衡。