概覽

大規模MIMO是5G無線研究中一個令人興奮的領域。大規模MIMO可為新一代無線數據網絡帶來許多明顯的優勢，比如能夠在更高的數據速率下容納更多的用戶，并提供更高的可靠性和更低的能耗。借助NI大規模MIMO軟件架構，研究人員可以使用屢獲殊榮的LabVIEW系統設計軟件和先進的NI USRP軟件無線電設備(SDR)來構建大規模MIMO測試臺，從而快速對大規模天線系統進行原型驗證。通過簡化的FPGA邏輯創建設計流程和高性能處理的簡化部署，該領域的研究人員能夠使用統一的軟硬件設計流程來滿足對這些高度復雜的系統進行原型驗證的需求。

引言

隨著5G角逐的展開，無線研究界已經踏上了創造未來技術的旅程，這些技術將在網絡吞吐量和容量方面做出前所未有的改進，并實現頻譜效率提升、端到端延遲縮短、可靠性增強等諸多優化。這些改進由國際電信聯盟(ITU)定義的關鍵性能要求推動，下面的圖1 [1]匯總了各方面的改進。如圖所示，相對于IMT-Advanced，IMT-2020 (5G)的性能顯著提升，峰值數據速率提高了20倍，即從1 Gb/s提高到20 Gb/s。同樣，用戶獲得數據的速率提升了10倍，即從10 Mb/s提升到100 Mb/s，而延遲降低了10倍，即從10 ms降低到1 ms。

憑借比現代無線通信系統高出數倍的數據速率，5G將推出一系列全新應用和服務，為消費者提供前所未有的多媒體體驗，包括超高清4K、8K和3D視頻流。超低延遲和超高可靠性的5G網絡還將支持新的任務關鍵型應用，例如交通安全以及關鍵基礎設施和工業流程控制，與現代移動通信系統相比，這些應用需要低得多的延遲。為了應對消費電子產品以及與物聯網(IoT)相關的許多傳感器、渲染設備和執行器的預期爆炸式增長，將頻譜效率從1X提高到3X也至關重要。鑒于頻譜的有限可用性以及預計將有大量物聯網設備上線，5G網絡必須比當今的無線網絡更有效地利用頻譜。

大規模MIMO被視為實現更高頻譜效率的關鍵候選技術[2]、[3]、[4]。大規模MIMO是多用戶MIMO的一種形式，其中基站的天線數量遠遠大于每個信令資源的移動站數量。 相對于移動站的數量而言，大量基站天線會產生準正交信道響應，并有可能大幅提高頻譜效率。與現代4G系統相比，這樣的條件將能夠在特定小區用相同的頻率和時間資源服務于更多設備。下面的圖2顯示了典型4G MIMO小區與配備更多基站天線的5G大規模MIMO小區的對比情況[5]。配備更多天線的5G大規模MIMO基站將能夠為5G物聯網等使用場景所設想的更多設備提供服務。

盡管理論上前景廣闊，但大規模MIMO尚未在大規模現場試驗中進行測試，其在廣泛商業部署中的可行性尚待證明。雖說如此，布里斯托大學和隆德大學最近的研究已經取得了進展，結果顯示在實時空口試驗中可以實現頻譜效率的巨大提升[6]、[7]。借助下面圖3中所示的MIMO原型驗證系統，布里斯托大學和隆德大學的研究人員使用配備128根天線的基站和22個單天線移動站，在20 MHz無線電信道上取得了突破性的頻譜效率（即145.6位/s/Hz），此頻率相當于當今現有4G網絡頻譜效率的22倍。

盡管這兩所大學的研究成果證明了大規模MIMO不僅在基于計算機的仿真中，而且在真實空口試驗中確實可以實現頻譜效率的巨大提升，從而使大規模MIMO更接近現實，但在推出商用大規模MIMO網絡之前，仍有很多工作要做，還有很多問題需要解決。一些尚待解決的突出問題包括：

• 移動性 - 隨著移動終端高速移動，大規模MIMO能否在快速變化的信道條件下工作？
• 頻分雙工(FDD) - 當今的大規模MIMO研究大多利用時分雙工(TDD)傳輸模式和信道互易性來克服基站天線數量巨大時與導頻序列數量限制相關的問題。然而，當今的許多全球蜂窩頻段都嚴格分配給FDD。因此，大規模MIMO是否會得到廣泛采用還有待觀察。
• 多小區操作和小區邊緣性能 - 當用戶位于相鄰小區邊緣時，大規模MIMO是否仍然有效？由于有限的導頻序列在相鄰的大規模MIMO基站中重復使用，小區邊緣用戶將面臨污染相鄰小區導頻的風險。隨著用戶靠近相鄰小區的邊緣，大規模MIMO的性能仍然未知。
• 其他開放研究領域 - 除了上面列出的研究問題之外，還有更多的問題，包括：
  • 分布式大規模MIMO
  • CSI反饋優化
  • 混合波束成形
  • MAC層控制

MIMO原型驗證系統

如上所述，對于實現5G愿景和滿足頻譜效率的關鍵性能要求，對大規模MIMO和其他技術進行原型驗證的需求至關重要。 由于基于計算機的仿真無法單獨應對許多復雜的未決問題，而正是這些問題阻礙了大規模MIMO成為商業上可行的技術，因此必須創建能在真實信道條件下實時運行并發送/接收真實RF信號的原型系統。 例如，為了充分了解大規模MIMO信道的傳播特性，研究人員還必須了解RF電路缺陷和多信道系統的其他硬件限制對基帶信號同步和相干性的影響。 此外，還必須充分理解和考慮從PHY到應用程序的通信系統所有層的實時處理限制，以確保向用戶提供無縫、高質量和高度可靠的服務。

盡管必要，但以傳統方式對實時無線通信系統進行原型驗證提出了許多挑戰，這些挑戰在很大程度上限制了概念證明(PoC)的開發速度。將在桌面仿真中建模的概念轉化為以超過1 Gb/s的速率處理數據的工作原型，傳統上需要在RF和基帶硬件開發、驅動程序開發、實時嵌入式軟件編程、數字電路設計、信號處理等方面擁有專業知識的大型工程團隊。由于創建此類系統所需的工具跨越許多不同的供應商，因此問題進一步復雜化，工程團隊不僅需要在開發硬件或軟件方面擁有高度專業化的技能，而且在使用給定供應商的工具方面也需要擁有高度專業化的技能。

鑒于這些挑戰，NI面向多用戶MIMO研究（包括大規模MIMO）推出了完整的原型驗證解決方案。 NI MIMO原型驗證系統包含了構建實時空口多用戶MIMO系統所需的一切，開箱即用，且無需開發任何額外代碼[6]。下面的圖4顯示了MIMO原型驗證系統的三個主要組成部分，包括(1)先進的SDR硬件，(2)單一的統一軟件設計環境，以及(3)實時FPGA IP（作為MIMO軟件參考設計的一部分）。 與傳統的原型驗證方法相比，MIMO原型驗證系統的這三個組成部分顯著降低了對實時無線通信系統進行原型驗證的難度，從而加速新一代通信系統的開發。

MIMO原型驗證系統硬件

MIMO原型驗證系統包括實現多用戶MIMO通信系統所需的所有硬件。從遠程射頻頭(RRH)到CPU和FGPA，創建一個完全流式傳輸、實時、相位相干和時間同步的多通道系統所需的所有硬件都是開箱即用的。通過消除用戶開發自己的硬件和驅動程序的需要，MIMO原型驗證系統還為用戶提供了巨大的價值，因為它還消除了昂貴的研發費用以及由于硬件設計錯誤而導致的同樣代價高昂的進度延誤。憑借可滿足廣泛規格的多種MIMO系統的可靠硬件，用戶可以專注于開發自定義應用程序代碼，以展示其技術的可行性和價值。

MIMO原型驗證系統支持基于USRP RIO的模塊化架構，該架構可在RF信道中進行擴展，以實現單用戶MIMO (SU-MIMO)、多用戶MIMO (MU-MIMO)和大規模MIMO[8]。基站天線的數量可以配置為支持少至2根或多至128根天線。通過一個高度穩定的OCXO時鐘源實現跨RF通道的相位相干和同步，該時鐘源與高速數字觸發信號一起發布到整個系統的各個無線電頭。 移動站也是系統隨附的一部分，并且可以將天線數量從1根擴展到12根。 基站和移動站硬件的照片如下面的圖5所示。

該硬件還支持模塊化FPGA架構，這種架構可在FPGA中擴展，以便為需要高通道數和寬帶寬的實時應用程序的高強度信號處理任務提供更高的計算能力。 多達64個雙通道USRP RIO設備用作配備高性能Xilinx Kintex-7 FPGA的無線電頭，用于執行OFDM調制和解調。 IQ樣本通過低延遲PCI Express連接從無線電頭以高速路由通過系統，然后傳輸到PXIe-7976 PXI FPGA模塊（也配備了Kintex-7 FPGA）以進行集中式MIMO處理。

搭載Intel i7四核CPU的PXIe-8135控制器執行與控制相關的主機端處理任務，包括天線數量配置以及整個系統中IQ樣本的相關路由。無線電幀的上行/下行流量調度以及每個移動站的QAM調制階數也可以通過軟件配置。其他任務（例如包括上行接收信號頻譜和每根天線的信道估算在內的數據可視化）也在主機上執行，這是一種監控系統狀態的方式。

LabVIEW通信系統設計套件（簡稱LabVIEW Communications）

LabVIEW Communications是一個完整的軟件設計環境，它統一了需要在微處理器和FPGA終端（例如多用戶MIMO和其他通信系統）上進行高速、低延遲、實時、嵌入式處理的應用程序的開發。這種由嵌入式處理器和FPGA組成的異構處理架構在SDR硬件架構中很常見，如下面的圖6所示。過去，應用程序需要使用來自多個不同軟件供應商的多種編程工具來執行對不同硬件終端的等效開發，而LabVIEW Communications則不同，它可以在單一的開發環境中提供開發完全流式傳輸、實時、空口無線通信系統所需的所有必要設計功能。LabVIEW Communications將基于PC的通信系統仿真模型所需的各種軟件開發工具無縫集成到功能齊全的實時原型中，應用程序可執行文件分布在不同的硬件終端上，從而極大地改進了整個開發過程。

無論是在嵌入式處理器上開發控制網絡用戶傳輸調度的實時MAC層協議，還是在FPGA上開發高吞吐量MIMO PHY層，LabVIEW Communications都可在單一設計環境中提供實現目標的所有必要工具。此外，由于MIMO原型驗證系統的所有硬件驅動程序也可以通過簡單直觀的API在LabVIEW Communications中訪問，因此硬件相關任務（例如CPU和FPGA之間的數據傳輸，或RF前端控制）可以無縫集成到整個通信堆棧的各個層的執行中。

下面總結了LabVIEW Communications中的一些軟件開發功能。

CPU開發代碼

LabVIEW Communications包括為實時無線通信系統創建基于CPU的應用程序的軟件開發工具。LabVIEW Communications采用基于Linux的實時操作系統，包括用于多線程和實時線程調度的內置構造等功能，可幫助用戶高效編寫穩健的確定性代碼，以確保時間關鍵型操作始終如一、可靠地執行，而不會對與MAC和通信堆棧的其他更高層相關的功能造成任何數據損失。基于代碼重用的重要性，LabVIEW Communications還支持其他編程語言（包括C和C++），以便用戶可以導入和重用現有IP。

FPGA代碼開發

基于FPGA的應用程序需要在電路級進行嚴格的時序確定（例如計算密集型數字信號處理或時間關鍵型MAC層操作），因此LabVIEW Communications提供了為無線通信應用創建FPGA IP所需的所有軟件開發工具。除了開發基于電路原語的大型復雜FPGA應用程序外，LabVIEW Communications還包括可用于許多信號處理功能的Xilinx IP，也可以導入和重用其他HDL代碼源以提高生產力。LabVIEW Communications也包括內置的周期精確仿真和調試工具，可在冗長的編譯之前消除代碼中的錯誤。

硬件和軟件緊密集成

除了針對異構硬件終端改進實時無線通信應用程序代碼的開發過程外，LabVIEW Communications還簡化了應用程序代碼與周圍硬件集成的過程，確保軟件和硬件無縫協同工作。對于對MIMO系統性能至關重要的硬件相關操作（例如，多個RF信道同步觸發，或為支持大規模MIMO應用的信道互易性而進行的RF校準），LabVIEW Communications還為與定時和同步、RF電路控制、跨處理終端的數據流式傳輸等相關的眾多硬件任務提供了廣泛的軟件API。此外，與將來自不同供應商的硬件組合在一起的其他系統不同的是，NI為MIMO原型驗證系統開發了硬件和軟件，因此能夠可靠且一致地執行硬件和軟件集成，從而確保整個系統的行為符合預期，且始終如一。

LabVIEW Communications MIMO應用框架

MIMO應用框架是基于FPGA的高級軟件參考設計，內置于LabVIEW Communications中，與MIMO原型驗證SDR硬件結合使用可構建完整的實時空口原型驗證解決方案，適用于SU-MIMO、MU-MIMO和大規模MIMO研究和實驗。 MIMO應用框架是開箱即用的，無需額外修改或代碼開發，可快速啟動和運行一個功能完備的MIMO系統。 此外，由于所有FPGA和主機源代碼都隨MIMO應用框架一起提供，研究人員可以使用自己的定制設計和算法完全修改系統，以評估他們的技術在現實條件下的性能，而不是依賴于桌面仿真。由于桌面仿真使用了不完全且高度抽象的假設，因此其結果不甚準確。

通過為構建定制設計提供更高一籌的起始點，研究人員可以節省大量時間，不再需要耗費時間從零開始開發自己的等效解決方案。 NI了解在緊張的預算限制下及時獲得結果的重要性，因此MIMO應用框架通過提供軟件參考設計來加速MIMO原型和PoC的開發過程，該設計提供了許多MIMO通信系統所共有的廣泛基本特性和功能。 通過使用這些基本特性，研究人員可以將時間和精力集中用于開發其研究目標特有的新特性和功能，而不是從零開始費力打造完整的系統。 通過減少開發應用程序代碼所花費的時間，研究人員可以轉而專注于最重要的事情 - 取得成果。

MIMO應用框架特性

MIMO應用框架是可擴展的多用戶MIMO PHY層的完全流式傳輸實時多FPGA實現，支持基站和移動站的上行和下行傳輸。MIMO應用框架專為各種基于MIMO的應用而設計，包括下表中總結的各種特性：

• 支持SU-MIMO、MU-MIMO和大規模MIMO
• 50 MHz～6 GHz頻率覆蓋
• 20 MHz帶寬TDD上行及下行
• 基站天線數量可從2根擴展到128根
• 移動站天線數量可擴展，最多12根天線
• 支持多達12個空間流
• 基于LTE的完全可重配置幀結構
• 128x12 MMSE、ZF和MRC MIMO預編碼器/均衡器FPGA IP
• 支持4 QAM、16 QAM、64 QAM、256 QAM
• 信道互易性校準，支持基于互易性的預編碼
• AGC和開環功率控制
• 空口同步
• 基本MAC功能支持基于數據包的上行和下行用戶數據傳輸，為視頻傳輸等數據流應用提供支持。

以下部分提供有關這些特性的更多詳細信息。

單用戶MIMO和多用戶MIMO

MIMO應用框架可通過單個代碼庫同時支持SU-MIMO、MU-MIMO和大規模MIMO。 如下面的圖7所示，可以創建范圍廣泛的網絡配置，其中(1)移動站的數量和(2)系統（即基站和移動站）內所有設備的天線數量不同。 無論是用于SU-MIMO實驗的單個基站和移動站對，還是用于MU-MIMO實驗的各自具有不同天線數量的多個移動站，MIMO應用框架均可提供出色的靈活性和可擴展性，從而滿足整個主機MIMO應用（包括大規模MIMO）的嚴苛要求。

基站和移動站天線數量可擴展

MIMO基站和移動站可以根據應用的要求配置不同數量的天線。 MIMO應用框架在上行和下行方向支持最多12個空間層，并且可以根據需要進行修改以支持額外的層。 借助這些功能，可以在網絡內的所有移動站和基站上實現各種不同的MIMO配置。 下面的表1中列出了一些不同MIMO配置的示例，用于說明如何使用MIMO應用框架進行SU-MIMO、MU-MIMO和大規模MIMO實驗。 請注意，MIMO應用框架的應用不僅限于這三個示例，還有許多其他應用方式。

MIMO應用框架允許用戶通過軟件配置天線數量，無需更改或修改FPGA設計，從而實現對SDR硬件和底層PHY層的無縫控制。 這種卓越的軟件體驗為用戶提供了高度的靈活性，可簡化設置和執行MIMO實驗的整個過程。

MIMO預編碼和均衡

MIMO應用框架包括實時FPGA IP，用于在下行(DL)中執行MIMO預編碼和在上行(UL)中執行MIMO均衡，矩陣維度最大為128x12，其中128對應基站天線的最大數量，12對應空間流的最大數量。大規模MIMO基站的信號處理鏈結構框圖如下面的圖8所示。 MIMO應用框架采用TDD幀結構以利用信道互易性。在上行中獲得的信道估算將用于在傳輸之前計算下行MIMO預編碼器。 根據信道條件，預編碼的下行MIMO信號隨后將由每個移動站無干擾地接收。 MIMO應用框架包括以下三個內置的MIMO均衡器選項：最小均方誤差(MMSE)、迫零(ZF)和最大比合并(MRC)，這些選項在軟件中也是可選擇的。

信道互易性校準

為了利用信道互易性，必須滿足一系列條件，包括準確估算上行信道響應，排除來自基站和移動站中每個天線信道的RF電路的貢獻。為此，MIMO應用框架包括用于執行各種基站RF前端校準的自動化例程，可在上行和下行方向上估算每個RF鏈的頻率響應。然后將RF前端的估算應用于上行信道估算過程，以確保準確實現空口信道的測量。

基于LTE的20 MHz帶寬TDD幀結構

MIMO應用框架利用類似3GPP LTE的TDD無線電幀結構。 無線電幀結構可通過軟件完全修改，而無需對FPGA設計進行額外更改，這種結構還允許用戶在每個移動站上快速調整系統的行為，以滿足自身的研究目標和要求。 對幀結構的此類修改包括更改以下參數。

• 指定OFDM符號類型： 上行導頻、上行數據、下行導頻、下行數據、上行/下行開關保護時間。
• QAM調制階數從每個空間層4 QAM到256 QAM。

圖9顯示了無線電幀結構圖，其中包括幀級別直至OFDM符號級別的信息。 表2中還列出了有關其他系統參數的附加信息。 請注意它們與20 MHz傳輸模式的LTE標準的相似之處[9]。

自動增益控制與開環功率控制

由于深知功率控制的重要性，MIMO應用框架提供了自動調整功率水平的軟件例程。 其中包括移動站和基站接收器的自動增益控制(AGC)邏輯，以及移動站上行發射器的開環功率控制。 這樣做可確保在鏈路兩端以預期的功率水平接收信號，從而提高以最低誤差正確解調的可能性。 此外，由于調整功率電平的過程是完全自動化的，用戶無需手動調整移動站上的諸多RF收發儀（這對于大型網絡來說可能是非常耗時的過程），從而能夠快速啟動和運行，實現開箱即用。

附加功能和示例屏幕截圖

下面展示的一系列屏幕截圖顯示了用戶如何通過直觀的用戶界面監控MIMO應用框架并與之交互。請注意，基站和多天線移動站的用戶界面非常相似，因為它們都支持多天線。以下范例顯示了基站和單天線移動站的屏幕截圖。

下面的圖10是MIMO應用框架的基站“UL MIMO處理器”(UL MIMO Processor)選項卡的屏幕截圖。其中顯示了多達12個空間流的上行接收信號星座IQ圖 - 為用戶即時指示整個系統的執行狀況并定性顯示接收信噪比(SNR)。 此外，圖10頂部的中心附近顯示了測量到的所有移動站的聚合上行接收信號吞吐量，它使用戶可以根據每個移動站的已知傳輸速率，衡量基站是否成功接收數據。 同樣，下行傳輸速率也會顯示出來，并且能以類似的方式用于評估下行方向的傳輸質量。

下面的圖11是MIMO應用框架的基站“UL數據”(UL Data)選項卡的屏幕截圖。 其中顯示了每個空間流的上行吞吐量隨時間變化的曲線圖，為用戶提供了在較長時間內監控系統性能的另一種方法。 在這個范例中，基站接收到四個空間流，每個流的上行吞吐量在圖中以不同顏色顯示。 如圖11所示，全部四個流的總上行吞吐量約為54.7 Mbps。 對于具有更多空間流的系統，將在此基礎上繼續疊加不同顏色的額外曲線圖。

下面的圖12是MIMO應用框架的基站“UL信道”(UL Channel)選項卡的屏幕截圖。 其中顯示了每個移動站在時域和頻域上的上行MIMO信道脈沖響應數據的曲線圖，為用戶提供關于上行信道傳播特征的即時信息。 有了這些數據，研究人員可以分析多用戶MIMO系統在不同信道條件下的行為，并探索新算法的效果，進而尋求改進各種條件下的系統性能。

下面的圖13是MIMO應用框架的單天線移動站“DL高級信息”(DL Advanced Information)選項卡的屏幕截圖。 其中顯示了兩個移動站的接收DL信號星座圖和頻率響應圖，第一個移動站接收QPSK信號，另一個接收16 QAM信號。 這些數據即時指示在預編碼信號通過無線MIMO信道傳播并在每個單天線移動站被無干擾接收時，相應DL預編碼算法的性能及其分離多個空間流的能力。

下面的圖14是MIMO應用框架的單天線移動站“DL信息”(DL Information)選項卡的屏幕截圖。 其中顯示了兩個移動站的DL接收信號頻譜圖、測量吞吐量圖以及誤塊率(BLER)圖。 這些數據為評估DL信號的傳輸質量和多用戶MIMO預編碼方案的性能提供了額外的方法。 這些性能指標可以按原樣與系統一起使用，也可以應用于對系統PHY層進行的自定義修改，以便為用戶提供有關他們的技術在更精確地反映真實部署的條件下的性能數據，而不僅僅是仿真。

盡管未顯示，但MIMO應用框架還提供了軟件用戶界面，用于監視和控制MIMO系統的其他方面，具體內容如下。

• 幀結構配置 - 提供控件，可為每個移動站選擇不同的MCS級別。
• 視頻流 - MIMO應用框架還支持直觀的UDP接口，用于將視頻信號或其他應用程序數據流式傳入和傳出移動站。
• 數據流診斷 - 對于大型天線系統，將數據（IQ樣本）從許多無線電頭流式傳輸到一組中央FPGA以進行高速MIMO處理可能非常具有挑戰性。 為了促進對流式傳輸中潛在問題的快速診斷，進而確保數據得到無錯傳輸和處理，MIMO應用框架還包括了一些實用程序，用于監控分布在系統中的許多緩沖區的狀態。