大规模MIMO的原型制作

基线系统参数

典型SISO无线电如图3所示。在该图中，RF信号下变频或混合，滤波，放大，然后转化为数字数据。发射过程的次序则相反。大规模MIMO系统包含数百个这种基本SISO元。

为了使用现货供应设备，以降低成本和加快原型开发，假设每个同相正交样本均为16位。位数决定了动态范围，实际上对于原型来说过好了。减少分辨率位数会显著降低数据吞吐量，特别是在聚集极多通道的时候。虽然16位会增加数据路径，并最终增加数据吞吐量要求——位数更多会导致数据路径加宽和数据吞吐量要求增加——然而，现货供应组件和编程体系结构不需要进行自定义就能够轻松处理16位样本。


图3典型1x1软件定义无线电体系结构

接下来考虑采样率。接收链中的每个模数转换器（ADC）均必须以高于尼奎斯特通道带宽的速率对下变频波形进行采样。本例以LTE作为基线，普通移动通信场景，每个转换器均以30.72 MS/s的采样率对接收到的波形进行采样。实际上，转换器可以对信号进行过采样，以提高分辨率，但是这会增加信号处理量，以便将数据率转换到标准信号处理模块可以接受的数据流。数据吞吐量使用下述方程得到：

（2个样本）（16位/样本或者2字节/秒）（采样率）

对于上例：

（2个样本）（2字节/秒）（30.72）= 122.88 MB/s

对于上例系统，一个通道的聚集数据吞吐量等于122.88 MB/s.

为扩大到大规模MIMO系统，可以按照下文所述计算有效速率：

总系统吞吐量（TST）=（吞吐率/通道）（天线数目）

TST =（122.88 MB/s）（128）

TST = 15.7 GB/s

这样，如果所有通道均同时发射或接收，那么中央处理系统的数据吞吐量将为15.7 GB/s.另外，将所有这些数据聚集到中央处理系统中，还要求处理引擎能够接受此庞大的数据量，并且能够进一步处理数据，以便生成通信链路。上述简要分析揭示了两个挑战。首先，极少（如果有的话）低成本市售技术能够满足这些要求。其次，原型的数据量要求开发备选信号处理链分割技术，包括分布式实现和并行实现。

通过审查可用的原型制作技术，我们提出了一种可以用作大规模MIMO原型构建数据框架的高速串行总线的简要研究。

表1概述了目前的一些市售高速总线技术。当然还有其他总线，然而上表提供的是目前常用的许多标准而非专有总线技术的指南。另外，这些总线技术已经用于许多模块化体系结构，例如PXIe，基本上基于PCIe标准。

表1市售总线技术汇总


应该考虑的一个规格是潜伏时间。潜伏时间是指发射与接收操作之间的周转时间。如果原型是用于单向链路，那么潜伏时间不是特别重要。然而，对于真正的TDD大规模MIMO原型，必须考虑潜伏时间，因为周期时间比无线通道的相干时间更短，从而下行链路预编码不是基于已经过时的通道信息，这是至关重要的。上文给出的潜伏时间规格为近似值。然而，一般来说，以太网的潜伏时间并非决定性的，可能会发生极大的变化。另一方面，以太网的实现一般成本较低。

应该指出，PCIe Gen 3实现刚刚在市场上出现，实际吞吐数据测量值并不可用。另外应该指出，虽然基本提供了最大/峰值数据率，然而由于成本、IP核的尺寸，以及功率等原因，实际实现了总线的典型实现是不同的。所提供的典型数目仅供参考，因为极少的（如果有的话）实现达到了所发布的最大速率。

图4所示是一个使用PXIe的系统配置实例。在此组态中，总共使用了10块底板来实现128根天线的大规模MIMO系统。系统用2块"主"底板来聚集数据，用8块底板来安装128个能够在蜂窝带进行发射和接收的收发器（NI 5791 RF收发器）。数据基干使用PCI Express Gen 2×8，通过合适的分割轻松采集和发射20 MHz RF带宽数据。2、3


图4使用PXIe的实现实例

结论

大规模MIMO只是5G通信正在研究的多种新技术之一。对于这一新技术，原型制作是理论与标准化之间的一个瓶颈。大规模MIMO系统参数推动包封在要求方面实际测试理论并加快商业化。虽然有许多市售技术，然而PCI express在有效数据吞吐量与低潜伏时间之间有最优的平衡，能够在实践中测试大规模MIMO的有效性。当然，构建一个完整的系统需要做更多工作，但是构建此类原型的一个中心挑战在于仔细分析数据吞吐量、潜伏时间与信号处理，本文即进行了此分析。