面向5G无线通信技术的Massive MIMO原型验证系统

东南大学 阳析 金石， 南京邮电大学 吕文俊，
美国国家仪器（NI） 田砾 潘晶

引言

随着物联网的兴起和移动互联网业务种类的日渐丰富，人们对蜂窝移动通信数据传输速率以及服务质量提出了更高的要求。由于能够充分挖掘空间维的自由度，在提高频谱效率的同时获得较好的功率利用率，大规模MIMO系统引起了国内外的广泛关注，并成为第五代(5G)无线通信系统最有潜力的无线传输技术之一。

大规模MIMO系统由于在基站侧引入大规模天线阵列，在带来性能增益的同时也带来了前所未有的挑战：1）灵活的软件无线电，可用于接收和发送射频信号；2）射频设备之间精确的时间和频率同步；3）具有高数据吞吐量的总线，用以传输和汇集海量的数据；4）高性能的处理能力，用以满足物理层和介质访问控制（MAC）执行时所需的实时性能需求。

东南大学的金石教授团队，南京邮电大学朱洪波教授团队与NI一起合作，使用NI大规模MIMO的应用程序框架，采用一流的LabVIEW图形化系统设计软件和顶尖的NI USRP^TM RIO软件无线电硬件，成功开发出了中国第一套16*2  Mini Massive MIMO原型验证系统，并进而实现了64*2的Massive MIMO原型验证系统进行高清（HD）视频流的流畅传输（见图1及图2）。

图1、东南大学—基于USRP^TM RIO的大规模MIMO原型验证系统

图2、东南大学—基于USRP^TM RIO的大规模MIMO原型验证系统配置面板

1、NI大规模MIMO应用程序框架

NI大规模MIMO应用程序框架，包含了搭建世界上最通用的、灵活的、可扩展的大规模MIMO原型验证系统所需的硬件和软件，该测试台支持实时处理以及在研发团队所感兴趣的频段和带宽上进行双向通信，使用NI软件无线电和LabVIEW系统设计平台软件。这种MIMO系统的模块化特性促使系统从仅有几个节点发展到128天线的大规模MIMO系统。并且随着无线研究的演进，基于硬件的灵活性，它也可以被重新部署到其他配置的应用中，比如点对点网络中的分布试节点，或多小区蜂窝网络等。图3给出了一个最多可支持128根天线的大规模MIMO原型验证系统的示意框图。

图3、基于PXI和USRP^TM RIO的可扩展大规模MIMO系统框图^[1]

从图中可以看出，整个系统的框架由PXIe-1085机箱搭建而成，采用层次化设计，数据由USRP-RIO采集后经PXIe-8262接口汇聚到各个子PXIe-1085机箱，每个子PXIe-1085机箱最多可连接16个USRP-RIO即构成32×32的MIMO，各个子PXIe-1085机箱再通过PXIe-8384和PXIe-8381汇聚到主PXIe-1085机箱，主PXIe-1085机箱上除配置PXIe-8135高性能嵌入式控制器外，还搭载了PXIe-7976的FPGA协处理器以用于提高数据的处理能力。

定时和同步对于任何一个需要部署大量无线电设备的系统来说都是至关重要的，对于大规模MIMO系统来说也是如此，图4展示了NI 基于PXI和USRP RIO的可扩展大规模MIMO系统的时钟连接框图。图中所用到的OctoClock模块为时钟模块，该模块既可使用内部集成的GPS锁定晶体振荡器（GPSDO）作为时钟源，也可采用外部的10MHz参考时钟和每秒脉冲数（PPS）信号作为时钟源和触发信号源。输入的时钟信号和触发信号可分别经由OctoClock模块放大和分发为8路信号，从而可同时提供给8个OctoClock模块或8台USRP设备在时钟和触发信号上的同步。

图4、系统时钟连接图^[1]

基于NI平台的可扩展大规模MIMO系统的系统级同步原理可大致总结如下，PXIe-6674T定时和同步模块具有一个恒温晶体振荡器（OCXO），位于主机箱的第10槽，可生成一个非常稳定且精确的10MHz参考时钟（50 ppb的精确度）和提供一个数字触发信号给OctoClock-G时钟分配模块以用于时钟和触发信号的分发。之后，OctoClock-G放大并分发这一10MHz参考时钟信号（MCLK）和触发信号（MTrig）至8个OctoClock模块，接着每个OctoClock模块再以一对八的比例提供给USRP RIO设备，从而确保64个USRP RIO设备的所有天线共享10MHz的参考时钟和主触发信号。这样通过PXIe-6674T定时和同步模块和OctoClock时钟分配模块整个系统中的所有PXI机箱和无线电设备都共享一个通用10MHz参考时钟和一个数字触发信号，从而确保了整个系统的系统级同步，各个无线电设备可同步进行数据采集和生成。

2、Mini Massive MIMO原型验证系统实例

东南大学的金石教授团队、南京邮电大学朱洪波教授团队与NI一起合作，快速并成功搭建完成了16*2  Mini Massive MIMO原型验证系统。本节将从三个方面进行详细介绍，包括系统的整体架构、系统时钟和触发信号的产生及分配、上下行链路的数据处理流程。

A、系统的整体架构

1）、硬件部分

Mini Massive MIMO原型验证平台