活用NI LabVIEW與RF模組，建構多用戶MIMO實驗系統

【背景】

目前，多用戶MIMO（以下稱MU-MIMO）作為最有力的新世代通信技術，備受矚目。此技術係以1對多的關係使用基地台與終端機，藉以提升頻率使用效率（圖1）。雖然此方式會造成基地台端更大的負擔，卻可減輕終端機端的負擔（可將終端機的負擔降低至與傳統方式同等的水準）。因此眾人對MU-MIMO寄予厚望，並已展開多項研究。其基礎理論以及為解決實際使用時所產生之課題而形成的各種理論，皆幾近確立。

然而要將MU-MIMO系統具體呈現在現實世界中，仍存在著待解決的課題。首先，MU-MIMO所在的基地台必須對應數台的終端機。因此，隨著傳遞路徑的變動輸出最佳化訊號的預編碼，亦必須比過去精度更高。且使各終端機同步尤其重要。換言之，頻率與時機點兩方面皆必須具備更高度的操控性，且須實施更準確的同步作業。此外還必須以毫秒（ms）為單位，從簡易終端機迅速回傳反饋。而接收反饋的基地台須高速進行處理，在傳遞路徑變化前，對終端機輸出正確的訊號。

在2009年當時，還未曾有任何案例透過室外傳輸實驗證實MU-MIMO理論。於是，當時建構了在5 GHz頻帶動作的實機系統，並在室外利用無線終端機進行驗證實驗。此驗證實驗專案獲總務省2010年戰略性情報通信研究開發推動制度（SCOPE）所採納，於2010年開始實施。預計於2012年內完成整項專案。

【課題】

MU-MIMO的驗證實驗專案大致上而言預計實施以下事項。

● 2×2的MU-MIMO系統建構／特性評估
● 4×4的MU-MIMO系統建構／特性評估
● 2×2的MU-MIMO之間干擾控制相關研究

該實驗的課題為以下所列事項。

（1）完成短期開發
此驗證實驗專案必須於SCOPE規定的3年以內，完成從系統建構乃至實驗、研究、報告等所有作業，並取得所有實驗項目的結果。

（2）完成小型系統
此專案於室外進行實驗。因此除終端機外，基地台端亦必須具備某種程度的可搬運性。

（3）成本控制
以4×4的MIMO為例，基地台端必須使用4台發送裝置及4台收訊裝置。假設終端機端亦採相同手法，則同樣須裝設4台發送裝置與4台收訊裝置。即總計需多達16台裝置。若各使用一般的測量用裝置（1台日幣數百萬），將是筆龐大的成本。

（4）開發手法相關限制
本專案係由學生實際進行作業。因此在技能方面，無法處理唯有FPGA及DSP等硬體開發專業人員才能解決的難題，須以較簡易的作業進行開發。

【解決方案】

為解決上述課題，決定採用NI產品來建構系統。首先使用「USRP（Universal Software Radio Peripheral）」作為終端機。2×2 MIMO基地台以圖2所示的結構完成建構，其中心部分為NI的PXI底板，使用時已外接市售的放大器模組等。接著在PXI底板上搭載訊號產生器（SG）與訊號分析儀（SA）兩個RF模組，各配以2個頻道，加上FPGA板及組裝PC。2個SG作為發送裝置，2個SA作為收訊裝置進行運作。實施同步的方法採用將PXI底板與USRP兩者接上GPS接收器，再使用來自GPS的1 PPS（Pulse Per Second）脈衝取得絕對時間同步的手法。此外，10 MHz的標準訊號亦由GPS接收器提供。FPGA板接收來自GPS接收器的脈衝，扮演控制收發訊號時機點（產生觸發訊號）的角色。而收發訊號的基頻帶訊號處理及控制處理則由組裝PC上的軟體進行。上述軟體係使用圖形系統開發平台「NI LabVIEW」進行開發。如照片1、照片2所示，終端機與基地台雙方皆已縮小至具備可搬運性的精巧形態。且比起使用其他公司的測量用裝置，已成功將壓低成本。    

利用此類結構，首先已於2011年中，確認2×2 MIMO系統的動作與特性。接著於2012年初，確認了4×4 MIMO系統的動作與特性。負責基地台端開發工作的主要人員為1名學生，從學習開始約花了1年的時間，終於完成4×4 MIMO系統的建構。

完成後的系統功能一切皆如預期般正常動作。且就處理速度而言，更呈現出超乎預期的高速性。2×2的MIMO系統則以數ms的速度完成反饋，PXI底板的處理／訊號發送均在數ms內完成。4×4的MIMO亦將處理時間的增量壓低至約1ms。

得在短期內完成高規格系統的首要理由在於，系統的基本結構可在非常短的時間內架設而成。雖然基地台端係以NI的RF模組為主要結構元素，但SG/SA皆採用通用型的測量裝置。著手建構MU-MIMO之前，首先架設了以USRP為對象的純收發訊號系統，但實際的作業與其說是建構通信系統，不如說是使用測量儀器進行簡易的訊號測量。因此，沒有理由會產生問題，且實際亦未浪費任何時間。

MU-MIMO系統建構作業的開發過程即是以上述方法架設的純收發訊號系統，再嘗試逐漸附加控制處理及訊號處理的方式進行。上述處理完全由軟體實施，藉由LabVIEW，以GUI（圖形使用者介面）為基礎完成了開發作業。換言之無須具備高度的硬體開發技能及軟體編碼技能。此外，基本上已備有實施MIMO收發訊號的範例程式，該部分亦大幅縮減了許多工時。因此負責開發作業的學生可完全集中在必須投注心力的部分。再加上採用LabVIEW，輕鬆完成系統GUI的建構與訊號可視化等，對於縮短開發時間亦有相當大的助益。LabVIEW已備有眾多顯示用的GUI元件，在系統動作時幾乎可即時顯示任一處的波形。因此亦可迅速進行除錯作業等。不僅如此，由於採用了極具優勢的NI RF模組產品，比其他公司的測量裝置更易與PC進行連結，可直接將接收波的數據匯入PC，即時處理。依上述方式採用了NI的硬體產品與LabVIEW後，繁瑣的作業便大幅減少了。

【後續發展】

今後的驗證實驗專案活動將啟用2個2×2 MIMO系統進行干擾控制的研究。加上推算頻率與時機點並引進校正機制，預計將完成不使用GPS亦可進行同步的研究。不僅如此，今後亦將著手引進預測傳遞路徑變化的技術。預計將以軟體處理進行上述研究，目前正為此開發演算法。

此外，除要追求開發更接近實用水準的系統，提升系統的反應速率亦為一項重要課題。關於這一點，目前正思考以低於豪秒的水準，在傳遞路徑改變前能確實完成發送。為此我們想繼續活用FPGA。總而言之，目前的方針是將組裝PC進行的處理程序移管至FPGA板，以期藉此提升速度。

作者資訊:
村田 英一先生
京都大學 研究所情報學研究科 通信情報系統專攻 副教授 

作者資訊:

村田 英一氏
京都大学 大学院情報学研究科 通信情報システム専攻 准教授