大规模多重输入多重输出(Massive MIMO)是一个十分风趣的5G无线研讨范畴。由于其可针对新一代无线数据网络供给多方面的优势，比如说以更高的数据传输率包容更多用户，加强安稳度之余，还可下降耗电量。
只需运用大规模MIMO运用架构，研讨人员可透过体系规划软件如LabVIEW和软件界说无线电(SDR)，打造出一百二十八支天线的MIMO测验台，敏捷制造大规模的天线体系原型。由于现场可编程门阵列(FPGA)架构逻辑的规划流程通过简化，高效能处理的布置进程也很顺利，所以该范畴的研讨人员能够透过共同的软硬件规划流程，满意这类超杂乱体系的原型制造需求。
采许多天线 大规模MIMO进步无线数据传输率
举动设备的数量和所耗费的无线材料量继续激增，促进研讨人员须投入新技能的研讨，才干满意不断生长的需求。新一代5G无线数据网络有必要调配现在的通讯体系，战胜容量约束、网络安稳性、掩盖规模、动力功率和推迟时刻等难题。
大规模MIMO为5G的候选技能，在基地台收发站(BTS)选用许多的天线(超越六十四支)，能够大幅进步无线数据传输率和链接安稳性。现有规范的BTS架构选用分区拓扑，最多也只要八支天线。
大规模MIMO包括数百个天线组件，可透过预先编码技巧把动力会集在方针举动用户身上，进一步下降辐射。只需把无线动力导向特定的用户，就能够下降辐射，一起也可防止搅扰其他运用者。
就现在受搅扰约束的举动网络而言，这是适当吸引人的一点。假如大规模MIMO的确能供给上述效能，未来的5G网络就会变得更快、可包容更多运用者，供给更超卓的安稳性和动力功率。
由于大规模MIMO的天线组件数量许多，也带来了现在网络所没有的体系难题。举例来说，就现在选用LTE或LTE-Advanced的进阶数据网络而言，扶引信号负载(Pilot Overhead)有必要和天线数量成份额。
大规模MIMO会透过通道互利在上行和下行链路之间运用分时双工(TDD)，藉此办理许多天线的负载。有了信道互利，即可把上行扶引信号的信道状况信息用于下行预先编码器。实践大规模MIMO的困难之处还包括了扩大十倍的数据总线和接口，或是在许多的独立射频(RF)收发器之间到达更多也更涣散的同步化效能。
正由于这些时序、处理和数据搜集难题，所以原型制造便显得更重要。假如研讨人员要查验理论内容，就得从理论研讨转向测验台。只需在实践情境中运用实践波形，研讨人员即可开发原型，判别大规模MIMO的可行性和商用价值。就像一切的全新无线规范或技能相同，从概念转移至原型的确会影响实践的布置和商品化程序。
SDR调配体系规划软件 MIMO体系架构弹性大跃进
完好的大规模MIMO体系运用架构须包括必备的软硬件，藉此打造出多功用、可扩大及灵敏有弹性的大规模MIMO测验台，以便透过要点频带与带宽供给实时的双向通讯效能给研讨社群。
图1 瑞典隆德大学的大规模MIMO测验台选用了USRP RIO(a)和客制化的交叉极化平面天线数组(b)。
藉由SDR和体系规划软件，就能够发挥MIMO体系的模块化特性，把数个节点扩大为一百二十八支天线的大规模MIMO体系。透过灵敏有弹性的硬件，即可跟着无线研讨需求改变而重新布置至其他设定，比如说做为分布式节点布置于随建即连(Ad-hoc)网络，也可做为多细胞调和网络。
瑞典隆德大学(Lund University)Ove Edfors和Fredrik Tufvesson教授选用大规模MIMO运用架构，与美商国家仪器(NI)合作开宣布全球最大的MIMO体系(图1)。该体系用了五十个SDR，打造出一百支天线的大规模MIMO BTS设定，如表1所示。
NI和隆德大学的研讨团队依据SDR的概念，运用相似LTE的物理层和TDD开宣布体系软件和物理层，藉此供给举动存取功用。这次合作所开宣布来的软件已成为大规模MIMO运用架构的软件组件。
就像其他的通讯网络相同，大规模MIMO体系包括BTS和客户端设备(UE)或举动运用者。事实上，大规模MIMO首要是为了举动运用而规划的，包括BTS、UE或举动运用者。但是，大规模MIMO和传统的拓扑很不相同，首要不同在于装备许多的BTS天线，能够一起和多个UE通讯。
就NI和隆德大学合作开发的体系而言，BTS的体系规划针对每个UE供给十个基地台天线组件，可供十个运用者以完好带宽一起存取一百个天线基地台。通过证明，每个UE有十个基地台天线的规划有助于进步抱负增益。
大规模MIMO体系内有一组UE会一起把一组正交扶引信号传输至BTS。接着就能够运用收到的上行扶引信号来评价信道矩阵，鄙人行时槽内，这项通道评价会用于核算下行信号的预先编码器。
理论上，每个举动运用者即可透过无搅扰的通道接纳专归于自己的消息。预先编码器设定是一种敞开的研讨范畴，可针对不同的体系规划方针加以规划，举例来说，预先编码器可规划为对其他运用者零搅扰、尽或许下降辐射功率，也可削减所传输射频信号的峰均功率比。
透过上述规划，大规模MIMO运用架构可支撑高达20MHz的瞬间实时带宽，并从六十四支天线扩大为一百二十八支，还能够供给给多个独立UE运用。表1是在此环境下，布置相似LTE协议的参数状况，其间选用一个2,048个点的快速傅立叶改换(FFT)和0.5毫秒的时槽。0.5毫秒的时槽可保证适宜的通道调和状况，进步举动测验情境(也便是UE移动中)的通道互利效能。
大规模MIMO体系的四大规划要害如下。
灵敏的SDR，可撷取并传输射频信号。
无线电站之间可到达准确的时刻与频率同步化。
高输出率的准确总线，可搬迁并汇整许多的数据。
超卓的处理效能，可用于物理层和媒体访问操控(MAC)履行，藉此满意实时效能需求。
理论上，这些要害项目可针对不同的研讨需求快速完结客制化。本文的运用架构集结了SDR、频率分配模块、高输出率PXI体系和LabVIEW，供给稳健又准确的原型制造渠道，进一步满意研讨需求。其间，SDR透过一个半宽1U、机架设备式的机壳，供给整合式2×2 MIMO收发器和高效能FPGA，有助于加快基频处理作业(图2)。此外，其可透过PCI Express×4衔接至主机操控器和体系操控器，能够以高达800Mbit/s的数据串流速度传输至桌上型或PXI Express主核算机，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)和体系方块图(b)
上述的SDR硬件名为USRP RIO，搭载LabVIEW可重设I/O(RIO)架构，其间结合敞开式的体系规划软件和高效能硬件，有助于大幅简化开发作业。严密的软硬件整合能够下降体系整合的难度，关于如此大规模的体系更是如此，能够让研讨人员致力于研讨项目。
PXI Express机箱背板
大规模MIMO运用架构选用PXIe-1085这款进阶的18槽式PXI机箱，其间每个插槽皆搭载PCI Express Generation 2技能，可到达高输出、低推迟的运用效能。此机箱可供给4Gbit/s的单插槽带宽、12Gbit/s的体系带宽。
图3 18槽式PXIe-1085机箱(a)和体系方块图(b)
图3为双切换器背板架构。如要建置高信道数体系，可透过菊链方法把多个PXI机箱串联在一起，也可放入星形设定。
高效能可重设FPGA处理模块
大规模MIMO运用架构选用FPGA模块如FlexRIO，在PXI机箱中参加灵敏高效能的处理模块，透过LabVIEW FPGA Module即可规划程序。该FPGA模块可独立运用，供给客制化的大型Xilinx Kintex-7 410T和PCI Express Generation 2×8联机功用给PXI Express背板。
八通道频率同步化
别的，OctoClock频率分配模块具有八个信道，能够八种方法透过长度匹配轨道扩大并切割一个外部10MHz参阅和每秒脉波数(PPS)信号，进一步供给频率和时刻同步化效能给最多八个USRP设备。
图4 OctoClock-G模块(a)和体系方块图(b)
OctoClock-G运用全球卫星定位体系(GPS)授时的振荡器(GPSDO)，额定参加一个内部的时刻与频率参阅，图4为OctoClock-G体系简图。正面板的切换器可让运用者挑选内部GPSDO和外部参阅。
LabVIEW体系规划环境
LabVIEW具有整合式东西流，有助于办理体系层级的软硬件细节;透过GUI显现体系信息;开发通用处理器(GPP)、Real-Time和FPGA程序代码;而且把程序代码布置至研讨测验台。有了LabVIEW，用户即可整合额定的程序规划语言，包括ANSI C/C++(透过呼叫库节点)、VHDL(透过IP整合节点)，乃至是.m档案指令(透过LabVIEW MathScript RT Module)。这样一来即可开宣布高效能实作项目，统筹超卓的安稳性和客制化功用。大规模MIMO运用架构运用了LabVIEW的高生产力特性，以及可透过LabVIEW FPGA规划并操控I/O细节的功用。
PXI机箱满意大数据输出需求
上述的软硬件渠道元素组合成一个测验台，可把数支天线扩大为超越一百二十八支同步化天线，该天线体系包括了六十四个双信道SDR设备，衔接至四个设为星形架构的PXI机箱。主机箱可汇整一切数据，以便透过FPGA处理器和搭载四中心英特尔(Intel)i7的PXI操控器会集处理这些数据。
图5 PXIe-7976R FlexRIO模块(a)和体系方块图(b)
如图5所示，主机箱把PXIe-1085机箱做为首要的数据汇整节点和实时信号处理引擎。PXI机箱供给了十七个敞开式插槽可用于输入/输出设备，此外还有时序与同步化、可实时处理信号的FlexRIO FPGA机板、可衔接至子机箱的扩大模块。
图6 可扩大的大规模MIMO体系方块图结合PXI和USRP RIO。
一百二十八支天线的大规模MIMO BTS需求超卓的数据输出效能，才干够汇整并处理I/Q样本，从而透过一百二十八个信道实时完结收发作业;市面上的PXIe机箱如PXIe-1085则可的确满意此需求，支撑的PCI Generation 2×8数据途径能够到达最高3.2GB/s的输出率(图6)。
在主机箱的Slot 1内，PXIe-8135 RT操控器或嵌入式核算机可做为中心体系操控器。PXIe-8135 RT装备2.3GHz的四中心Intel Core i7处理器(单中心Turbo Boost形式可达3.3GHz)。
主机箱装载了四个PXIe-8384(S1到S4)接口模块，能够把子机箱衔接至主体系。机箱之间的通讯除了透过MXI之外，还仰赖了PCI Express Generation 2×8，能够在主机箱和其他子节点之间供给高达3.2GB/s的效能。
此体系还装备最多八个FPGA模块，可满意大规模MIMO体系的实时信号处理需求;插槽方位供给一个典范设定，其间的FPGA能够串联起来，支撑每个子节点的数据处理需求。每个FPGA模块都能够互相透过背板接纳或传输材料，乃至能够衔接一切的SDR，推迟时刻不到5微秒、输出率高达3GB/s。
时序和同步化至关重要
假如体系要布置许多的无线电，时序和同步化都很重要，这都是大规模MIMO体系的要害。BTS体系同享一个10MHz参阅频率和一个数字触发器，可发动每个无线电的撷取或发生功用，保证整个体系的同步化效能(图7)。
图7 大规模MIMO 频率分配方块图
PXIe-6674T时序和同步化模块装备OCXO，坐落主机箱的Slot 10，可发生安稳又准确的10MHz参阅频率(50ppb准确度)，并供给数字触发器让设备与首要OctoClock-G频率分配模块达到同步化。
接着OctoClock-G就会供给并缓冲10MHz参阅(MCLK)和触发器(MTrig)给OctoClock模块，从第一个到第八个依序完结，然后供给至SDR设备，藉此保证每条天线都能够同享10MHz参阅频率和主机触发器。此外，上述的操控架构可针对每个无线电/天线组件供给准确的操控功用。
基地台运用架构软件是专门为了满意表1所述的体系方针而规划的，OFDM物理层处理功用会分配至SDR设备的FPGA内，MIMO物理层处理组件则会分配至PXI主机箱的FPGA。
更高阶的MAC函式会在PXI操控器上、Intel为架构的通用处理器(GPP)上履行。此体系架构有助于处理许多材料，一起下降推迟以保持信道互利效能预先编码参数会直接从接纳器传送至传输器，藉此优化体系效能。
从天线开端，OFDM物理层处理会在FPGA上履行，这样一来，需求最许多运算资源的处理作业就会在天线邻近履行。这样的运算成果就会在MIMO接纳器IP结合起来，替每个运用者和每个子载波解析信道信息。
算出来的通道参数会传输至MIMO TX区块，预先编码会在此套用，把动力会集在单一用户的退回途径。尽管MAC有些部分会实作于FPGA，大部分和其他较上层的处理都会实作于GPP。体系每个阶段所运用的特定算法也是适当活泼的研讨范畴。
UE便是具有单一输入单一输出(SISO)或2×2 MIMO无线功用的手机，或其他无线设备。UE原型可选用市面上的SDR，装备整合式GPSDO，运用接线PCI Express把笔记本电脑衔接至ExpressCard(图8)。
图8 规范的UE设定，调配笔记本电脑和USRP RIO
事实上，GPSDO十分重要，由于它供给更超卓的频率准确度，还可供给同步化和地理方位功用，满意未来的体系扩大需求。典型的测验台实作或许包括多个UE体系，其间每个SDR或许代表一或两个UE设备。
UE上的软件实作方法就像BTS相同，但是此软件会做为单一天线体系而实作，把物理层放在SDR的FPGA，把MAC层放在主机PC。
PXI渠道推动5G研讨时程
透过LabVIEW体系规划软件调配USRP RIO和PXI渠道，完全变革了高阶研讨体系的原型制造方法。本文阐明一个建置大规模MIMO体系的有用选项，有助于促进未来的5G研讨。
把如此绝无仅有的NI技能组合用于运用架构，即可针对许多的无线电同步化时刻和频率，PCI Express根底架构也可满意输出需求，藉此以超越15.7GB/s的速度，在上行和下行传输并汇整I/Q样本。FPGA的规划流程可简化物理层和MAC层的高效能处理作业，满意实时的时序需求。
