大規模MIMO的原型制作

　　基線(xiàn)系統參數

　　典型SISO無(wú)線(xiàn)電如圖3所示。在該圖中，RF信號下變頻或混合，濾波，放大，然后轉化為數字數據。發(fā)射過(guò)程的次序則相反。大規模MIMO系統包含數百個(gè)這種基本SISO元。

　　為了使用現貨供應設備，以降低成本和加快原型開(kāi)發(fā)，假設每個(gè)同相正交樣本均為16位。位數決定了動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)際上對于原型來(lái)說(shuō)過(guò)好了。減少分辨率位數會(huì )顯著(zhù)降低數據吞吐量，特別是在聚集極多通道的時(shí)候。雖然16位會(huì )增加數據路徑，并最終增加數據吞吐量要求——位數更多會(huì )導致數據路徑加寬和數據吞吐量要求增加——然而，現貨供應組件和編程體系結構不需要進(jìn)行自定義就能夠輕松處理16位樣本。

　　圖3典型1x1軟件定義無(wú)線(xiàn)電體系結構

　　接下來(lái)考慮采樣率。接收鏈中的每個(gè)模數轉換器(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L(fǎng)TE作為基線(xiàn)，普通移動(dòng)通信場(chǎng)景，每個(gè)轉換器均以30.72 MS/s的采樣率對接收到的波形進(jìn)行采樣。實(shí)際上，轉換器可以對信號進(jìn)行過(guò)采樣，以提高分辨率，但是這會(huì )增加信號處理量，以便將數據率轉換到標準信號處理模塊可以接受的數據流。數據吞吐量使用下述方程得到：

　　(2個(gè)樣本)(16位/樣本或者2字節/秒)(采樣率)

　　對于上例：

　　(2個(gè)樣本)(2字節/秒)(30.72)= 122.88 MB/s

　　對于上例系統，一個(gè)通道的聚集數據吞吐量等于122.88 MB/s.

　　為擴大到大規模MIMO系統，可以按照下文所述計算有效速率：

　　總系統吞吐量(TST)=(吞吐率/通道)(天線(xiàn)數目)

　　TST =(122.88 MB/s)(128)

　　TST = 15.7 GB/s

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

　　通過(guò)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模MIMO原型構建數據框架的高速串行總線(xiàn)的簡(jiǎn)要研究。

　　表1概述了目前的一些市售高速總線(xiàn)技術(shù)。當然還有其他總線(xiàn)，然而上表提供的是目前常用的許多標準而非專(zhuān)有總線(xiàn)技術(shù)的指南。另外，這些總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)用于許多模塊化體系結構，例如PXIe，基本上基于PCIe標準。

　　表1市售總線(xiàn)技術(shù)匯總

　　應該考慮的一個(gè)規格是潛伏時(shí)間。潛伏時(shí)間是指發(fā)射與接收操作之間的周轉時(shí)間。如果原型是用于單向鏈路，那么潛伏時(shí)間不是特別重要。然而，對于真正的TDD大規模MIMO原型，必須考慮潛伏時(shí)間，因為周期時(shí)間比無(wú)線(xiàn)通道的相干時(shí)間更短，從而下行鏈路預編碼不是基于已經(jīng)過(guò)時(shí)的通道信息，這是至關(guān)重要的。上文給出的潛伏時(shí)間規格為近似值。然而，一般來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)的潛伏時(shí)間并非決定性的，可能會(huì )發(fā)生極大的變化。另一方面，以太網(wǎng)的實(shí)現一般成本較低。

　　應該指出，PCIe Gen 3實(shí)現剛剛在市場(chǎng)上出現，實(shí)際吞吐數據測量值并不可用。另外應該指出，雖然基本提供了最大/峰值數據率，然而由于成本、IP核的尺寸，以及功率等原因，實(shí)際實(shí)現了總線(xiàn)的典型實(shí)現是不同的。所提供的典型數目?jì)H供參考，因為極少的(如果有的話(huà))實(shí)現達到了所發(fā)布的最大速率。

　　圖4所示是一個(gè)使用PXIe的系統配置實(shí)例。在此組態(tài)中，總共使用了10塊底板來(lái)實(shí)現128根天線(xiàn)的大規模MIMO系統。系統用2塊“主”底板來(lái)聚集數據，用8塊底板來(lái)安裝128個(gè)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)。數據基干使用PCI Express Gen 2×8，通過(guò)合適的分割輕松采集和發(fā)射20 MHz RF帶寬數據。2、3

　　圖4使用PXIe的實(shí)現實(shí)例

　　結論

　　大規模MIMO只是5G通信正在研究的多種新技術(shù)之一。對于這一新技術(shù)，原型制作是理論與標準化之間的一個(gè)瓶頸。大規模MIMO系統參數推動(dòng)包封在要求方面實(shí)際測試理論并加快商業(yè)化。雖然有許多市售技術(shù)，然而PCI express在有效數據吞吐量與低潛伏時(shí)間之間有最優(yōu)的平衡，能夠在實(shí)踐中測試大規模MIMO的有效性。當然，構建一個(gè)完整的系統需要做更多工作，但是構建此類(lèi)原型的一個(gè)中心挑戰在于仔細分析數據吞吐量、潛伏時(shí)間與信號處理，本文即進(jìn)行了此分析。