大規(guī)模MIMO的原型制作

　　對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的無(wú)線需求不斷促使研發(fā)人員尋找新的技術(shù)來(lái)擴(kuò)大無(wú)線數(shù)據(jù)容量和網(wǎng)絡(luò)能力。業(yè)界專家們普遍認(rèn)為，即使當(dāng)前和規(guī)劃中的基礎(chǔ)設(shè)施全面展開，數(shù)據(jù)需求仍然會(huì)繼續(xù)超過(guò)現(xiàn)有的能力，辯論已經(jīng)從這“是否”會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)為“何時(shí)”發(fā)生。無(wú)線服務(wù)提供商紛紛計(jì)劃將網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到4G LTE、LTE-Advanced(LTE-A)，以及更先進(jìn)的技術(shù)，推出微蜂窩覆蓋、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、載波聚合、3GPP路線圖等創(chuàng)新方案。然而很明顯，當(dāng)前技術(shù)軌跡產(chǎn)生的容量斜坡仍然比需求線平坦。面對(duì)此挑戰(zhàn)，3GPP標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體近來(lái)提出了數(shù)據(jù)容量“到2020年增長(zhǎng)1000倍”的目標(biāo)，以滿足演進(jìn)性或革命性創(chuàng)意的需要。

　　這種概念要求基站部署極大規(guī)模的天線陣列，可能包含成百上千的收發(fā)器。此概念稱為大規(guī)模MIMO.的確，大規(guī)模MIMO脫離了當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)，可能是解決我們所面對(duì)的無(wú)線數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵;然而，在認(rèn)知大規(guī)模MIMO廣泛部署的效能和/或可行性的過(guò)程中，出現(xiàn)了一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，有人會(huì)創(chuàng)建一個(gè)原型，只為確定它是否真正行之有效嗎?畢竟，創(chuàng)建一個(gè)具有上千天線的原型會(huì)帶來(lái)若干工程上的挑戰(zhàn)，另外還有其他不可忽視的問(wèn)題，即成本和時(shí)間。

　　MIMO背景

　　MIMO依賴多路來(lái)提高無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的可靠性以及有效數(shù)據(jù)率，通常使用數(shù)根獨(dú)立天線獲得多個(gè)數(shù)據(jù)流。多路傳播是通信系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)，實(shí)踐中采用MIMO，運(yùn)用空間-時(shí)間編碼和/或空間分集等多種技術(shù)。1 4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)LTE-A規(guī)定MIMO組態(tài)最多使用8根天線。IEEE 802.11n/ac標(biāo)準(zhǔn)以及這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際商業(yè)化均普遍使用MIMO.

　　基本上，更多天線會(huì)給傳播通道帶來(lái)更高的自由度，從而在數(shù)據(jù)率和/或鏈路可靠性方面擁有更高的性能。然而，總體數(shù)據(jù)率仍然受到香農(nóng)理論的限制。在多個(gè)用戶組成的網(wǎng)絡(luò)中，增大總體網(wǎng)絡(luò)吞吐量的一種方法是多用戶MIMO(MU-MIMO)，其中，多個(gè)用戶可以同時(shí)訪問(wèn)同一時(shí)頻資源，但是通過(guò)多根天線產(chǎn)生的多“空間維度”實(shí)現(xiàn)隔離。

　　更多天線，更大容量，更高的可靠性

　　增大MU-MIMO的規(guī)模，稱為大規(guī)模MIMO，可以提供更大的網(wǎng)絡(luò)容量、更高的可靠性，并通過(guò)降低一個(gè)蜂窩或服務(wù)地區(qū)的總發(fā)射功率而提高大規(guī)模MIMO基站的能量效率。理論上，每根天線的發(fā)射功率能夠低于以相同數(shù)據(jù)率為指定蜂窩或者地區(qū)服務(wù)的單根天線的發(fā)射功率。即，總功率為：

　　PTotMM~ PT NT

　　其中，PTotMM是每個(gè)地區(qū)的總傳輸功率，PT是每根天線的功率，NT是發(fā)射天線的數(shù)目。其中，PTotMM低于單天線系統(tǒng)的PTot.與單天線系統(tǒng)相比，為了達(dá)到相同的可靠性和/或吞吐量，由于大規(guī)模MIMO基站能夠憑借其更高的自由度而將發(fā)射的能量聚焦于目標(biāo)用戶，所以大規(guī)模MIMO蜂窩拓補(bǔ)能夠降低分區(qū)地域的總發(fā)射功率。另外，當(dāng)使用多根天線時(shí)，從發(fā)射器至接收器的正確位發(fā)射概率會(huì)增大，因?yàn)?/p>

　　鏈路中斷概率~ 1 / SNR NT NR

　　其中，SNR是信噪比，NR是接收天線的數(shù)目，NT是發(fā)射天線的數(shù)目。由于此關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)中的天線數(shù)目增加時(shí)，鏈路中斷概率會(huì)降低，從而提高了通信鏈路可靠性。1

　　大規(guī)模MIMO天線陣列基于這里所述的基本概念，按照理論，數(shù)百倍規(guī)模的天線部署將獲得比當(dāng)前MIMO點(diǎn)對(duì)點(diǎn)部署更高的效率。具體來(lái)說(shuō)，憑借數(shù)百根天線，天線孔徑和部署網(wǎng)格均有精細(xì)的多的分辨率。配合波束成形，能夠更加精細(xì)地控制天線波瓣，以降低通道中的能量。

　　大規(guī)模MIMO系統(tǒng)也有其挑戰(zhàn)。一個(gè)挑戰(zhàn)是尋找從接收器到發(fā)射器的通道狀態(tài)信息通信方法，以進(jìn)行預(yù)編碼。鑒于有數(shù)百根天線，通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)推論通道狀態(tài)在實(shí)踐中是不可行的。因此，目前實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模MIMO只能實(shí)際使用依賴于通道互易的時(shí)分雙工(TDD)系統(tǒng)，然而要確定此方法的可行性，還需要進(jìn)行更多研究。另外，一些初步研究提出，系統(tǒng)中的熱噪聲對(duì)于如此之多的天線來(lái)說(shuō)不必過(guò)于關(guān)注，并且干擾器的影響成為更大的問(wèn)題。這些挑戰(zhàn)以及其他挑戰(zhàn)，可以在開發(fā)出有效的原型之后使用實(shí)際波形來(lái)進(jìn)行研究。

　　大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的原型制作

　　制作大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的原型需要預(yù)先進(jìn)行許多工作，以便仔細(xì)、恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)實(shí)際運(yùn)作系統(tǒng)。大多數(shù)研究人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，甚至制作只有2天線的最低組態(tài)MIMO收發(fā)器系統(tǒng)也是極具挑戰(zhàn)性的(參見圖1)。為設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO原型，首先繪制系統(tǒng)草圖(參見圖2)。在本練習(xí)中，基站處的天線數(shù)目N為128，從而獲得128×128 MIMO組態(tài)。組態(tài)假設(shè)M個(gè)移動(dòng)用戶使用SISO天線。

　　圖1 2天線MIMO收發(fā)器

　　圖2 M用戶N天線大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

　　在設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)時(shí)，需要考慮許多事項(xiàng)，包括發(fā)射功率、相鄰?fù)ǖ栏蓴_、頻譜罩等RF系統(tǒng)參數(shù)。然而，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是每根天線的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量。從圖中可知，系統(tǒng)最具挑戰(zhàn)性的一個(gè)方面是將所有接收到的樣本聚合到公共處理子系統(tǒng)內(nèi)。與使用SISO無(wú)線電的簡(jiǎn)單發(fā)射和接收通信不同，大規(guī)模MIMO要求發(fā)射和接收元件之間擁有高速數(shù)據(jù)吞吐，以及高基帶，并且其數(shù)量級(jí)高于目前部署的系統(tǒng)。

　　可以選擇在靠近天線處的節(jié)點(diǎn)，以分布方式處理數(shù)據(jù)流，但是為了恢復(fù)從不同用戶處收到的信號(hào)，或者有效地為不同用戶進(jìn)行信號(hào)預(yù)編碼，必須將從各個(gè)天線接收到的數(shù)據(jù)流聚集在一個(gè)公共位置，以獲得最優(yōu)性能。通過(guò)仔細(xì)觀察吞吐量和數(shù)據(jù)要求，我們將系統(tǒng)分成基本元件。這樣，我們就可以在原型的實(shí)際構(gòu)建中量化數(shù)據(jù)率，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、功率和成本之間取得平衡。