多用户MIMO(MUMIMO)是一种无线通讯技能，选用根底架构节点(例如基站和接入点)上的多个天线为多个客户一起供给服务。MU-MIMO是未来无线规范中必不可少的组成部分，有望为繁忙的网络带来明显的功用进步。
人们料想跟着无线体系的更新换代，基站的天线数量将会不断添加，终究构成“大规划MIMO”体系。大规划MIMO计划将MU-MIMO基站上的天线数量增至数十个乃至数百个，以求在进步功用的一起简化基站的信号处理功用。有一种可扩展的大规划MIMO技能被称为共轭波束构成[1]。该技能的一种前期完成计划显现出实践功用进步潜力[2]。
多用户MIMO技能离不开无线传输环境的精确信息。一个MUMIMO根底架构节点可一起服务多个用户，前提条件是具有有关每个用户无线信道的精确的最新丈量信息。实时搜集信道信息极具应战性，并且陈腐或不精确的信道信息对功用影响或许十分严峻。
咱们规划出一款用于描绘大规划MIMO信道特性的集成体系，可协助研讨人员实时剖析信道的动态特性。该体系的中心部分选用依据赛灵思FPGA的WARP硬件渠道和Mango Communications的802.11参阅规划，可经过莱斯大学(Rice University)的Argos渠道将24个FPGA衔接至96个天线[2]。Mango Communications开发的Python定制结构可用来实时操控和搜集来自阵列中每个节点的数据。Mango和莱斯大学的这两款东西结合运用可供给深化的无线协议栈信息，包含对大规划MIMO进行特性描绘所需的原始信道数据。
Mango Communications802.11定制模块的重要功用是实时发送来自各个接纳天线的底层基带参数，例如AGC增益、信道估量值和原始数据包内容(乃至是含有过错的数据包)。参阅规划的这项功用使莱斯大学的Argos阵列作为契合802.11规范的接入点(AP)运用，为商用Wi-Fi设备(例如智能手机、平板电脑或笔记本电脑)供给互联网，一起实时搜集阵列天线与每个客户端之间的信道数据。赛灵思FPGA是完成每个天线上的实时处理的要害。
它们将来自各个天线的数据简化成可由定制模块发送和剖析的每客户端信道特性信息。
让咱们来详细了解一下WARP硬件渠道、Mango的802.11模块以及针对MU-MIMO的共轭波束构成战略。最终，咱们还会查看特性剖析进程，包含实时从Wi-Fi客户端搜集无线信道丈量数据，以及处理信道数据以估量可到达的MU-MIMO功用。体系组件
无线敞开拜访研讨渠道(WARP)是一款全新构建的可扩展、可编程无线渠道，用于高档无线网络的原型规划。WARP可以将高功用可编程硬件与包含参阅规划和支撑资料的敞开源码库结合在一起。
WARP项目于2006年由莱斯大学教授Ashu Sabharwal创立，开始由美国国家科学基金会(National Science Foundation)供给资金支撑，现在由赛灵思继续供给支撑。自此，该项目现已开展成为可以自我保持的敞开源码渠道，其用户遍及世界各地。Mango Communications于2008年从莱斯大学WARP项目中拆分出来，开始的意图是制作和出售莱斯WARP硬件。2012年，Mango发布了经过彻底从头规划的WARP v3硬件。现在，Mango工程师是WARP资源库和论坛最活泼的贡献者，继续供给开发和敞开源码WARP规划支撑。
大规划MIMO信道丈量体系的中心组成部分是Mango Communications的WARPv3硬件渠道。WARP v3适用于快速、实时构建新式无线体系的原型规划。在硬件方面集成了一个赛灵思高功用Virtex®-6 FPGA，两个灵敏的射频接口以及包含DDR3 DRAM和两个1Gbps以太网接口在内的多个外设。WARP v3板卡可经过Mango的双无线电FMC模块扩展至4个射频接口。图1中的硬件装备可供给具有FPGA独立数字基带衔接的4个彻底可编程的射频接口。
为了研讨大规划MIMO体系，应该让多个WARPv3节点坐落相同方位并同享电源、时钟和以太网衔接。莱斯大学Argos项目可以满意这一要求。Argos v2阵列包含24个四天线WARP v3节点，如图2所示。Argos阵列旨在支撑各种大规划MIMO试验，并且特别合适一起搜集一切96个阵列天线的信道丈量数据。
图2 – 莱斯大学Argos v2阵列包含24个四无线电WARP v3节点，具有同享时钟和以太网衔接。
这种实时处理才能关于咱们的大规划MIMO信道特性描绘规划来说十分重要，由于这样体系就可以不断地丈量信道，并可靠地观测小于毫秒的信道特性改变。履行该处理的FPGA定制规划正是针对WARP v3的Mango Communications 802.11参阅规划。
该参阅规划是802.11a/g介质拜访操控层(MAC)和物理层(PHY)的实时FPGA完成计划。该规划用来与规范Wi-Fi设备进行交互操作，起到接入点(用于Wi-Fi客户端)、客户端(拜访Wi-Fi接入点)或许监控器(只能接纳的网络活动无源观测器)的作用。您可以对MAC和PHY进行定制，以探究从规范装备衍生出的变体计划。这种互操作性与可扩展性的完美结合可以完成各种规划的无线通讯和网络试验。WARP v3硬件用户可免费取得802.11参阅规划的完好源文件。
图3给出了参阅规划架构。该规划运用两个赛灵思MicroBlaze™内核在软件中完成高电平和低电平MAC协议。MAC衔接两个FPGA核，别离用于完成PHY发送器和接纳器。咱们在赛灵思体系生成器中完成了这些PHY内核。发送器内核完成了完好的字节至波形流水线，可从MAC读取数据包有用载荷，创立OFDM波形，并将波形驱动至射频接口DAC。该流水线包含编码、扰码、交错、IFFT和前同步码刺进。MAC指定每个数据包的调制和编码速率;支撑802.11a/g规则的悉数8种数据速率。
接纳器规划则完成了完好的波形至字节流水线，包含AGC、同步、FFT、信道估量、均衡、检测和解码。
Argos阵列中每个WARP v3节点上的FPGA都可供给挨近射频接口的强壮处理才能。在比如Argos这样的大规划MIMO装备中，有很多数据需求处理。例如，当接纳40MHz的带宽时，WARP v3上的每个射频接口都会发生960Mbps的采样流(双12位40Msps的ADC)。完好Argos阵列的总量是该值的96倍，远远超出可发送到PC和实时处理的最高值。相反，该体系可以运用FPGA实时对这些数据进行本地处理，并明显削减上游处理器的担负。
WARPnet结构针对咱们的大规划MIMO信道特性描绘规划，保持着与Argos阵列中每个节点的衔接。每个节点都被装备为802.11监控器，可捕获来自每个接纳数据包的信道估量值，并经过以太网下载这些数据包以备进一步剖析。
WARPnet的完好Python源代码在WARP库中以敞开源码办法供给。
了解MU-MIMO
选用MU-MIMO技能的基站需求为很多发射天线创立波形，这些天线与无线信道相结合时可一起为多个用户发送数据。创立多用户波形需求在基站上履行精密杂乱的处理。咱们现已提出很多种MU-MIMO技能。对MU-MIMO规划的遍及要求是精确把握每个基站天线到每个客户设备间的无线传达特性。
有一种被称为“迫零”的MU-MIMO办法，与单用户技能比较，其不管从理论上仍是从近期的实践上[3]都可完成明显的功用进步。迫零办法可最大程度地进步每个客户接纳天线上的信号与搅扰加噪声比(SINR)。将SINR完成最大化需求最大程度地进步到达用户天线的波形中的用户有用载荷的信号功率(即“S”)，一起尽量减小其他用户的有用载荷功率(即“I”)。迫零法需求在基站上进行十分精密杂乱的处理。选用迫零法，在核算特定基站天线的传输波形时需求了解每个用户的有用载荷以及从其它天线到每个用户的无线信道。核算杂乱性会跟着基站天线数量的添加而明显进步。
接纳器运用数据包SIGNAL字段中的RATE值自动针对每个数据包装备解调和解码模块。接纳器能以足够快的速度解码任何速率的数据包，并在接纳后宣布承认字符(ACK)，以满意规范关于接纳至发送(Rx-to-Tx)之间严厉的转化要求。
接纳器中的信道估量子体系对大规划MIMO信道的特性描绘来说特别重要。在规范OFDM接纳器中，信道估量器生成每个副载波的杂乱信道系数。均衡器运用这些估量系数为每个接纳到的数据符号校对信道起伏和相位衰减问题。此外，咱们的规划还将每个接纳数据包的信道估量值副本保存到片上存储区。MAC将这些信道估量值作为关于接纳帧和规范信息(例如接纳器功耗、AGC增益挑选、校验和状况以及天线挑选等)的额定元数据。然后，信道估量值会被复制到更高电平的MAC以备进一步处理。咱们的特性描绘渠道从Argos 阵列中各个节点所接纳到的每个数据包中搜集这些估量值，以构成对大规划MIMO传达环境的实时视图。
WARPNET试验结构
大规划MIMO特性描绘体系的最终一个部分是WARPnet结构，用于运转大型WARP节点网络的试验。WARPnet是一个Python定制软件包，运用专用操控衔接功用衔接至多个WARP节点。该结构答应Python脚本在PC上运转，以便实时地长途装备试验参数并检索试验数据。WARPnet经过每个WARP v3板卡上的次级以太网衔接与Mango 802.11参阅规划进行交互。上部的MicroBlaze器材用于处理WARPnet指令，使结构可以直接拜访节点的高电平MAC状况以及从低电平MAC和PHY传送上来的悉数数据。
仿真假定网络中有一个基站和八个用户，用独立且恒等散布的瑞利(Rayleigh)式微信道对无线信道建模。仿真试验给出了一起服务一至八个用户时的全体网络速率与基站所用天线数量的比照状况。当天线数量很少时，咱们发现一次对一个以上的用户选用共轭波束构成法并没有优点。假如基站只约束在几个天线，那么带分时功用的传统单用户波束构成法或许优于多用户共轭波束构成法。跟着天线数量的添加，可以支撑更多的用户，以取得全体网络速率的明显进步。
该仿真试验运用抱负的信道模型展现阐明多用户共轭波束构成法可完成功用进步。功用进步是否可以在实在体系中完成取决于基站与客户端设备之间实在的无线信道。咱们的MU-MIMO信道特性描绘渠道可实时丈量基站与实在用户设备之间的信道，为评价MU-MIMO技能的实在功用供给了强壮的东西。
完美集成
已然咱们现已了解了丈量大规划MIMO信道的意图，以及Rice Argos阵列、WARP硬件和Mango 802.11参阅规划所供给的东西，咱们接下来就看一看如何将这些内容组成完好的实时大规划MIMO信道特性描绘渠道。
Argos阵列中的24个WARP v3节点由Mango 802.11定制参阅规划版进行装备。这个版本以只接纳监控器形式作业，使节点的四个天线都接纳数据包。每次接纳数据包时，节点都会为每个副载波预算杂乱信道系数。
共轭波束构成[1]是别的一种MU-MIMO代替技能。运用这种办法时，基站会最大程度地进步发送到每个客户端设备的有用信号功率，而不会自动将搅扰功率最小化。共轭波束构成法经过将信号功率最大化(SINR中的“S”)一起疏忽搅扰功率(SINR中的“I”)的办法添加每个用户的SINR，理论上这种办法会随天线数量的添加而改进。此外，进行每个传输天线波形的共轭波束构成核算时，无需知道其它天线的信道特性。以上要素归纳起来使得共轭波束构成法特别合适用于大规划MIMO体系，其间基站天线数量比用户要多得多。
考虑一下经典的Shannon信道容量公式C =log(1+SINR)。无线信道的容量(比特/秒/Hz)与SINR成对数添加联系。当体系添加更多用户和天线时，多用户共轭波束构成法存在两个彼此对立的要素。首要，多个天线的存在会添加接纳信号功率，由于每个天线都可旋转相位，使传输信号在用户接纳器端被有机地结合起来。第二，独立用户的多传输会添加搅扰功率。叠加的搅扰信号会随机组合。跟着天线数量的添加，有机组合的信号功率添加速度超越随机组合的搅扰功率，然后增大全体的SINR。
图4中的仿真成果显现出，在运用共轭波束构成法时，基站天线数量的添加对全体网络容量的影响。
对数据包进行解码并经过以太网发送数据包头和信道估量值以进行剖析。这个处理流程在阵列中一切24个并行作业的节点中履行。
为了与规范Wi-Fi设备通讯，信道丈量渠道有必要完成一个规范的802.11接入点。运用另一个WARP v3节点来到达此意图，使Mango 802.11参阅规划运转于AP形式。这个AP节点作为Argos阵列中的第25个节点。AP可供给敞开的Wi-Fi网络，承受商用Wi-Fi设备的相关，并经过其主以太网衔接供给互联网接入。
这是Mango 802.11参阅规划中AP的规范特征。为了完成实时信道丈量，AP需求施行一个附加功用。每次有Wi-Fi客户端参加或脱离无线网络时，AP节点会经过WARP v3板卡上的副以太网衔接发送一个以太网数据包。信道剖析运用程序(下面将介绍)运用这些相关更新来保护活动客户端本地列表。 客户端传输
在从Wi-Fi商用设备接纳到的数据包中搜集信道估量值时所面对的一个重要应战是保证设备的信息发送频率足够高。现代Wi-Fi设备常常选用严厉的节电计划，在没有运用程序恳求网络接入的状况下会封闭Wi-Fi衔接。这些设备会定时与接入点签到，但其频率有或许缺乏以保证取得最新的阵列信道估量信息。
咱们用两种办法处理客户端传输频率缺乏的问题。首要，修改由渠道AP发送的信标中的流量指示图(TIM)字段，以告诉一切衔接客户端有新的数据包正排队等候。TIM字段一般用来协助客户端完成节电作用，使客户端在纯接纳形式下时间短唤醒，以接纳信标，解码TIM，并在无流量等候时康复到低功耗形式。经过在每个信标的TIM字段中列出每个节点，可以让节点较少地进入休眠形式。
第二种办法是运用客户端设备发送的ACK数据包来恳求客户端传输。该阵列可以从客户端发送的任何数据包(包含短ACK)中提取信道估量值。不过，802.11 ACK数据包只包含一个方针MAC地址，通常会阻挠阵列辨认正在传输的客户端。
咱们在802.11 MAC规范中运用一个特别办法来处理这一问题。该规范要求802.11器材在成功接纳发送到该客户端的单播数据包后发送一个必定的承认数据包。即便数据包源地址无法辨认，“强制ACK”要求依然适用。因而， AP可发送一个选用仅有虚伪源地址的数据包，以便让包含仅有标识符的客户端触发一个ACK发送信号。客户端收到数据包后会将ACK发送至AP所运用的仅有虚伪源地址。阵列节点接纳ACK，并明确地将得到的信道估量值与发送客户端进行相关。这个技巧十分好用，可以在阵列上为信道估量触发频率更新。之所以能运用这种办法，是由于Mango802.11参阅规划具有彻底可编程性。
实时剖析
大规划MIMO信道丈量渠道的最终一个组成部分是定制运用程序，该运用程序可以搜集阵列信道估量值，核算出可到达的多用户容量，并实时显现成果。咱们选用Objective C开发该运用，运用本地UDP插口衔接阵列的WARP v3节点，并运用OS X图形结构绘出成果。
该运用程序有两个主视图。第一个视图显现每个阵列天线针对各个副载波所搜集的信道数量，共4,992个数据点(52个副载波x96个阵列天线)。该视图显现由阵列搜集的原始信道数据，并首要担任传达由每个阵列天线观察到的很多信道值。
图5给出了该视图的屏幕截图。实践上，该视图会进行实时更新(10帧每秒更新活动Wi-Fi客户端)。
运用程序的第二个视图显现了依据阵列信道估量值得到的容量核算成果。在图6中给出该视图。履行两个容量核算。第一张图描绘了每个用户的容量与所用阵列天线数量的比照状况。图中的每条线近似等于可到达的单用户下行链路容量，并假定阵列在传统的单用户波束构成装备下运用部分天线。每条容量曲线斜度随天线数量添加而减小，这清楚地阐明在运用传统单用户无线技能时多天线优势会减小。
第二张图显现了阵列运用部分天线完成下行链路多用户波束构成技能时的全体网络容量。四条曲线的走势清楚表现了在运用多用户技能时更多天线数量所带来的优势。当服务更多用户时斜率添加表现了选用多用户波束构成技能时所完成的“日志外(outside the log)”(常在MIMO顶用 “prelog” 表达)网络容量增益。
咱们在2月份举办的2014赛灵思新式技能座谈会(ETS)上演示了大规划MIMO信道丈量渠道。演示详细内容，包含视频和弥补资料链接均在http://warpproject.org/XilinxETS中供给。
参阅资料
1. T.L. Marzetta, “Noncooperative Cellular
Wireless with Unlimited Numbers of Base
Station Antennas,” IEEE Transactions on
Wireless Communications, vol. 9, no. 11, pp.
3590–3600, 2010
2. C. Shepard, H. Yu, N. Anand, E. Li, T.
Marzetta, R. Yang and L. Zhong, “Argos:
Practical Many-Antenna Base Stations,” Proceedings
of ACM MobiCom, pp. 53–64, 2012
3. Q. Yang, X. Li, H. Yao, J. Fang, K. Tan, W.
Hu, J. Zhang and Y. Zhang, “Bigstation: Enabling
Scalable Real-time Signal Processing
in Large MU-MIMO Systems,” Proceedings
of ACM SIGCOMM, pp. 399–410, 2013
