满足5G通信研发需求 大规模MIMO测试台应运而生

作者：Erik Luther，美商国家仪器RF和SDR资深产品营销经理

大规模多重输入多重输出(Massive MIMO)是一个非常有趣的5G无线研究领域。因为其可针对新一代无线数据网络提供多方面的优势，比如说以更高的数据传输率容纳更多用户，加强稳定度之余，还可降低耗电量。

只要使用大规模MIMO应用架构，研究人员可透过系统设计软件如LabVIEW和软件定义无线电(SDR)，打造出一百二十八支天线的MIMO测试台，迅速制作大规模的天线系统原型。由于现场可编程门阵列(FPGA)架构逻辑的设计流程经过简化，高效能处理的部署过程也很顺畅，所以该领域的研究人员可以透过一致的软硬件设计流程，满足这类超复杂系统的原型制作需求。

采大量天线　大规模MIMO提升无线数据传输率

行动装置的数量和所消耗的无线资料量持续激增，促使研究人员须投入新技术的研究，才能满足不断成长的需求。新一代5G无线数据网络必须搭配目前的通讯系统，克服容量限制、网络稳定性、覆盖范围、能源效率和延迟时间等难题。

大规模MIMO为5G的候选技术，在基地台收发站(BTS)采用大量的天线(超过六十四支)，能够大幅提升无线数据传输率和链接稳定性。现有标准的BTS架构采用分区拓扑，最多也只有八支天线。

大规模MIMO囊括数百个天线组件，可透过预先编码技巧把能源集中在目标行动用户身上，进一步降低辐射。只要把无线能源导向特定的用户，就能够降低辐射，同时也可避免干扰其他使用者。

就目前受干扰限制的行动网络而言，这是相当吸引人的一点。如果大规模MIMO确实能提供上述效能，未来的5G网络就会变得更快、可容纳更多使用者，提供更出色的稳定性和能源效率。

由于大规模MIMO的天线组件数量很多，也带来了目前网络所没有的系统难题。举例来说，就目前采用LTE或LTE-Advanced的进阶数据网络而言，导引讯号负载(Pilot Overhead)必须和天线数量成比例。

大规模MIMO会透过通道互惠在上行和下行链路之间使用分时双工(TDD)，藉此管理大量天线的负载。有了信道互惠，即可把上行导引讯号的信道状态信息用于下行预先编码器。实践大规模MIMO的困难之处还包含了扩充十倍的数据总线和接口，或是在大量的独立射频(RF)收发器之间达到更多也更分散的同步化效能。

正因为这些时序、处理和数据收集难题，所以原型制作便显得更重要。如果研究人员要检验理论内容，就得从理论研究转向测试台。只要在实际情境中使用实际波形，研究人员即可开发原型，判断大规模MIMO的可行性和商用价值。就像所有的全新无线标准或技术一样，从概念转移至原型确实会影响实际的部署和商品化程序。

SDR搭配系统设计软件　MIMO系统架构弹性大跃进

完整的大规模MIMO系统应用架构须包含必备的软硬件，藉此打造出多功能、可扩充及灵活有弹性的大规模MIMO测试台，以便透过重点频带与带宽提供实时的双向通讯效能给研究社群。


图1　瑞典隆德大学的大规模MIMO测试台采用了USRP RIO(a)和客制化的交叉极化平面天线数组(b)。

藉由SDR和系统设计软件，就可以发挥MIMO系统的模块化特性，把数个节点扩充为一百二十八支天线的大规模MIMO系统。透过灵活有弹性的硬件，即可随着无线研究需求变化而重新部署至其他设定，比如说做为分布式节点部署于随建即连(Ad-hoc)网络，也可做为多细胞协调网络。

瑞典隆德大学(Lund University)Ove Edfors和Fredrik Tufvesson教授采用大规模MIMO应用架构，与美商国家仪器(NI)合作开发出全球最大的MIMO系统(图1)。该系统用了五十个SDR，打造出一百支天线的大规模MIMO BTS设定，如表1所示。



NI和隆德大学的研究团队根据SDR的概念，使用类似LTE的物理层和TDD开发出系统软件和物理层，藉此提供行动存取功能。这次合作所开发出来的软件已成为大规模MIMO应用架构的软件组件。

就像其他的通讯网络一样，大规模MIMO系统包含BTS和客户端设备(UE)或行动使用者。事实上，大规模MIMO主要是为了行动应用而设计的，包含BTS、UE或行动使用者。然而，大规模MIMO和传统的拓扑很不一样，主要差别在于配置大量的BTS天线，能够同时和多个UE通讯。

就NI和隆德大学合作开发的系统而言，BTS的系统设计针对每个UE提供十个基地台天线组件，可供十个使用者以完整带宽同时存取一百个天线基地台。经过证实，每个UE有十个基地台天线的设计有助于提高理想增益。

大规模MIMO系统内有一组UE会同时把一组正交导引讯号传输至BTS。接着就可以使用收到的上行导引讯号来评估信道矩阵，在下行时槽内，这项通道评估会用于计算下行讯号的预先编码器。

理论上，每个行动使用者即可透过无干扰的通道接收专属于自己的讯息。预先编码器设定是一种开放的研究领域，可针对不同的系统设计目标加以设计，举例来说，预先编码器可设计为对其他使用者零干扰、尽可能降低辐射功率，也可减少所传输射频讯号的峰均功率比。

透过上述设计，大规模MIMO应用架构可支持高达20MHz的瞬间实时带宽，并从六十四支天线扩充为一百二十八支，还能够提供给多个独立UE使用。表1是在此环境下，部署类似LTE协议的参数状态，其中采用一个2,048个点的快速傅立叶变换(FFT)和0.5毫秒的时槽。0.5毫秒的时槽可确保合适的通道和谐状态，提高行动测试情境(也就是UE移动中)的通道互惠效能。

大规模MIMO系统的四大设计关键如下。
‧ 灵活的SDR，可撷取并传输射频讯号。
‧ 无线电站之间可达到准确的时间与频率同步化。
‧ 高输出率的精确总线，可迁移并汇整大量的数据。
‧ 出色的处理效能，可用于物理层和媒体访问控制(MAC)执行，藉此满足实时效能需求。

理论上，这些关键项目可针对不同的研究需求快速完成客制化。本文的应用架构集结了SDR、频率分配模块、高输出率PXI系统和LabVIEW，提供稳健又精确的原型制作平台，进一步满足研究需求。其中，SDR透过一个半宽1U、机架安装式的机壳，提供整合式2×2 MIMO收发器和高效能FPGA，有助于加速基频处理作业(图2)。此外，其可透过PCI Express×4连接至主机控制器和系统控制器，能够以高达800Mbit/s的数据串流速度传输至桌上型或PXI Express主计算机，或透过ExpressCard以200Mbit/s的速度传输至笔记本电脑。


图2　USRP RIO硬件(a)和系统方块图(b)

上述的SDR硬件名为USRP RIO，搭载LabVIEW可重设I/O(RIO)架构，其中结合开放式的系统设计软件和高效能硬件，有助于大幅简化开发作业。紧密的软硬件整合能够降低系统整合的难度，对于如此大规模的系统更是如此，可以让研究人员致力于研究项目。