基線(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)

　　典型SISO無(wú)線(xiàn)電如圖3所示。在該圖中，RF信號(hào)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(guò)程的次序則相反。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)包含數(shù)百個(gè)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(kāi)發(fā)，假設(shè)每個(gè)同相正交樣本均為16位。位數(shù)決定了動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)際上對(duì)于原型來(lái)說(shuō)過(guò)好了。減少分辨率位數(shù)會(huì)顯著降低數(shù)據(jù)吞吐量，特別是在聚集極多通道的時(shí)候。雖然16位會(huì)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(huì)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(wú)線(xiàn)電體系結(jié)構(gòu)

　　接下來(lái)考慮采樣率。接收鏈中的每個(gè)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(duì)下變頻波形進(jìn)行采樣。本例以L(fǎng)TE作為基線(xiàn)，普通移動(dòng)通信場(chǎng)景，每個(gè)轉(zhuǎn)換器均以30.72 MS/s的采樣率對(duì)接收到的波形進(jìn)行采樣。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換器可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，以提高分辨率，但是這會(huì)增加信號(hào)處理量，以便將數(shù)據(jù)率轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(gè)樣本)(16位/樣本或者2字節(jié)/秒)(采樣率)

　　對(duì)于上例：

　　(2個(gè)樣本)(2字節(jié)/秒)(30.72)= 122.88 MB/s

　　對(duì)于上例系統(tǒng)，一個(gè)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(xiàn)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(shí)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(jiǎn)要分析揭示了兩個(gè)挑戰(zhàn)。首先，極少(如果有的話(huà))低成本市售技術(shù)能夠滿(mǎn)足這些要求。其次，原型的數(shù)據(jù)量要求開(kāi)發(fā)備選信號(hào)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(guò)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(xiàn)的簡(jiǎn)要研究。

　　表1概述了目前的一些市售高速總線(xiàn)技術(shù)。當(dāng)然還有其他總線(xiàn)，然而上表提供的是目前常用的許多標(biāo)準(zhǔn)而非專(zhuān)有總線(xiàn)技術(shù)的指南。另外，這些總線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)匯總

　　應(yīng)該考慮的一個(gè)規(guī)格是潛伏時(shí)間。潛伏時(shí)間是指發(fā)射與接收操作之間的周轉(zhuǎn)時(shí)間。如果原型是用于單向鏈路，那么潛伏時(shí)間不是特別重要。然而，對(duì)于真正的TDD大規(guī)模MIMO原型，必須考慮潛伏時(shí)間，因?yàn)橹芷跁r(shí)間比無(wú)線(xiàn)通道的相干時(shí)間更短，從而下行鏈路預(yù)編碼不是基于已經(jīng)過(guò)時(shí)的通道信息，這是至關(guān)重要的。上文給出的潛伏時(shí)間規(guī)格為近似值。然而，一般來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)的潛伏時(shí)間并非決定性的，可能會(huì)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(chǎng)上出現(xiàn)，實(shí)際吞吐數(shù)據(jù)測(cè)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(xiàn)的典型實(shí)現(xiàn)是不同的。所提供的典型數(shù)目?jī)H供參考，因?yàn)闃O少的(如果有的話(huà))實(shí)現(xiàn)達(dá)到了所發(fā)布的最大速率。

　　圖4所示是一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)128根天線(xiàn)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。系統(tǒng)用2塊“主”底板來(lái)聚集數(shù)據(jù)，用8塊底板來(lái)安裝128個(gè)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(guò)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(duì)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(gè)瓶頸。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)參數(shù)推動(dòng)包封在要求方面實(shí)際測(cè)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(shí)間之間有最優(yōu)的平衡，能夠在實(shí)踐中測(cè)試大規(guī)模MIMO的有效性。當(dāng)然，構(gòu)建一個(gè)完整的系統(tǒng)需要做更多工作，但是構(gòu)建此類(lèi)原型的一個(gè)中心挑戰(zhàn)在于仔細(xì)分析數(shù)據(jù)吞吐量、潛伏時(shí)間與信號(hào)處理，本文即進(jìn)行了此分析。