大規(guī)模MIMO的原型制作

　　基線系統(tǒng)參數(shù)

　　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(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。發(fā)射過程的次序則相反。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)包含數(shù)百個這種基本SISO元。

　　為了使用現(xiàn)貨供應(yīng)設(shè)備，以降低成本和加快原型開發(fā)，假設(shè)每個同相正交樣本均為16位。位數(shù)決定了動態(tài)范圍，實(shí)際上對于原型來說過好了。減少分辨率位數(shù)會顯著降低數(shù)據(jù)吞吐量，特別是在聚集極多通道的時候。雖然16位會增加數(shù)據(jù)路徑，并最終增加數(shù)據(jù)吞吐量要求——位數(shù)更多會導(dǎo)致數(shù)據(jù)路徑加寬和數(shù)據(jù)吞吐量要求增加——然而，現(xiàn)貨供應(yīng)組件和編程體系結(jié)構(gòu)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軟件定義無線電體系結(jié)構(gòu)

　　接下來考慮采樣率。接收鏈中的每個模數(shù)轉(zhuǎn)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LTE作為基線，普通移動通信場景，每個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器可以對信號進(jìn)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(shù)據(jù)率轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)信號處理模塊可以接受的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)吞吐量等于122.88 MB/s.

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

　　總系統(tǒng)吞吐量(TST)=(吞吐率/通道)(天線數(shù)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(shù)據(jù)吞吐量將為15.7 GB/s.另外，將所有這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量，并且能夠進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，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(shù)能夠滿足這些要求。其次，原型的數(shù)據(jù)量要求開發(fā)備選信號處理鏈分割技術(shù)，包括分布式實(shí)現(xiàn)和并行實(shí)現(xiàn)。

　　通過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(guī)模MIMO原型構(gòu)建數(shù)據(jù)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(shù)。當(dāng)然還有其他總線，然而上表提供的是目前常用的許多標(biāo)準(zhǔn)而非專有總線技術(shù)的指南。另外，這些總線技術(shù)已經(jīng)用于許多模塊化體系結(jié)構(gòu)，例如PXIe，基本上基于PCIe標(biāo)準(zhǔn)。

　　表1市售總線技術(shù)匯總

　　應(yīng)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(zhuǎn)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?yàn)橹芷跁r間比無線通道的相干時間更短，從而下行鏈路預(yù)編碼不是基于已經(jīng)過時的通道信息，這是至關(guān)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(wǎng)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(wǎng)的實(shí)現(xiàn)一般成本較低。

　　應(yīng)該指出，PCIe Gen 3實(shí)現(xiàn)剛剛在市場上出現(xiàn)，實(shí)際吞吐數(shù)據(jù)測量值并不可用。另外應(yīng)該指出，雖然基本提供了最大/峰值數(shù)據(jù)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(xiàn)了總線的典型實(shí)現(xiàn)是不同的。所提供的典型數(shù)目僅供參考，因?yàn)闃O少的(如果有的話)實(shí)現(xiàn)達(dá)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(shí)例。在此組態(tài)中，總共使用了10塊底板來實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)，用8塊底板來安裝128個能夠在蜂窩帶進(jìn)行發(fā)射和接收的收發(fā)器(NI 5791 RF收發(fā)器)。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。2、3

　　圖4使用PXIe的實(shí)現(xiàn)實(shí)例

　　結(jié)論

　　大規(guī)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(biāo)準(zhǔn)化之間的一個瓶頸。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)參數(shù)推動包封在要求方面實(shí)際測試?yán)碚摬⒓涌焐虡I(yè)化。雖然有許多市售技術(shù)，然而PCI express在有效數(shù)據(jù)吞吐量與低潛伏時間之間有最優(yōu)的平衡，能夠在實(shí)踐中測試大規(guī)模MIMO的有效性。當(dāng)然，構(gòu)建一個完整的系統(tǒng)需要做更多工作，但是構(gòu)建此類原型的一個中心挑戰(zhàn)在于仔細(xì)分析數(shù)據(jù)吞吐量、潛伏時間與信號處理，本文即進(jìn)行了此分析。