大規(guī)模MIMO的原型制作

　　基線系統(tǒng)參數

　　典型SISO無線電如圖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)射過程的次序則相反。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)包含數百個這種基本SISO元。

　　為了使用現貨供應設備，以降低成本和加快原型開發(fā)，假設每個同相正交樣本均為16位。位數決定了動態(tài)范圍，實際上對于原型來說過好了。減少分辨率位數會顯著降低數據吞吐量，特別是在聚集極多通道的時候。雖然16位會增加數據路徑，并最終增加數據吞吐量要求——位數更多會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軟件定義無線電體系結構

　　接下來考慮采樣率。接收鏈中的每個模數轉換器(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行采樣。本例以LTE作為基線，普通移動通信場景，每個轉換器均以30.72 MS/s的采樣率對接收到的波形進行采樣。實際上，轉換器可以對信號進行過采樣，以提高分辨率，但是這會增加信號處理量，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個樣本)(16位/樣本或者2字節(jié)/秒)(采樣率)

　　對于上例：

　　(2個樣本)(2字節(jié)/秒)(30.72)= 122.88 MB/s

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

　　為擴大到大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，可以按照下文所述計算有效速率：

　　總系統(tǒng)吞吐量(TST)=(吞吐率/通道)(天線數目)

　　TST =(122.88 MB/s)(128)

　　TST = 15.7 GB/s

　　這樣，如果所有通道均同時發(fā)射或接收，那么中央處理系統(tǒng)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(tǒng)中，還要求處理引擎能夠接受此龐大的數據量，并且能夠進一步處理數據，以便生成通信鏈路。上述簡要分析揭示了兩個挑戰(zhàn)。首先，極少(如果有的話)低成本市售技術能夠滿足這些要求。其次，原型的數據量要求開發(fā)備選信號處理鏈分割技術，包括分布式實現和并行實現。

　　通過審查可用的原型制作技術，我們提出了一種可以用作大規(guī)模MIMO原型構建數據框架的高速串行總線的簡要研究。

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

　　表1市售總線技術匯總

　　應該考慮的一個規(guī)格是潛伏時間。潛伏時間是指發(fā)射與接收操作之間的周轉時間。如果原型是用于單向鏈路，那么潛伏時間不是特別重要。然而，對于真正的TDD大規(guī)模MIMO原型，必須考慮潛伏時間，因為周期時間比無線通道的相干時間更短，從而下行鏈路預編碼不是基于已經過時的通道信息，這是至關重要的。上文給出的潛伏時間規(guī)格為近似值。然而，一般來說，以太網的潛伏時間并非決定性的，可能會發(fā)生極大的變化。另一方面，以太網的實現一般成本較低。

　　應該指出，PCIe Gen 3實現剛剛在市場上出現，實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，實際實現了總線的典型實現是不同的。所提供的典型數目僅供參考，因為極少的(如果有的話)實現達到了所發(fā)布的最大速率。

　　圖4所示是一個使用PXIe的系統(tǒng)配置實例。在此組態(tài)中，總共使用了10塊底板來實現128根天線的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。系統(tǒng)用2塊“主”底板來聚集數據，用8塊底板來安裝128個能夠在蜂窩帶進行發(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的實現實例

　　結論

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