MIMO Application Framework 技術文章

由於行動裝置的數量和所消耗的無線資料量持續激增，研究人員必須研究全新技術和方式，才能滿足不斷成長的需求。新一代的無線資料網路稱為 5G，必須搭配目前的通訊系統，同時克服未來的容量限制與現有的難題，例如網路穩定性、覆蓋範圍、能源效率以及延遲時間。  Massive MIMO 是 5G 候選技術之一，透過在基地台使用比目前無線技術更多的天線，能大幅提升無線資料傳輸速率與連線穩定性。現有標準的基地台架構採用分區拓撲，最多只有 8 條天線，所以兩者的差異非常顯著。Massive MIMO 囊括了數百個天線元件，可透過預先編碼技術把能源集中在目標行動使用者上，進一步降低輻射。只要把無線能源導向特定的使用者，就能夠降低輻射，同時也可避免干擾其他使用者。就​目前​因​干擾​而受限​的​行動​網路​而言，這是相當吸引人的一點。如果 Massive MIMO 確實能提供上述效能，未來的 5G 網路就會變得更快、容納更多使用者，並提供更出色的穩定性與能源效率。

Massive MIMO 具有很多天線元件，因此也遭遇了目前網路所未見的系統難題。比方說，就目前採用 LTE 或 LTE-Advanced 的進階資料網路而言，引導訊號負載 (Pilot Overhead) 必須與基地台的天線數量成比例。Massive MIMO 會透過通道互惠，在上行與下行鏈路之間採用分時雙工 (TDD)，藉此管理大量天線的引導訊號負載。 有了通道互惠，上行引導訊號的通道狀態資訊即可用於下行預先編碼器。 實踐 Massive MIMO 的困難之處，還包含要擴充數倍的資料匯流排與介面，或是在大量獨立 RF 收發儀之間達成更多、也更分散的同步化效能。  

正因為這些時序、處理和資料收集難題，所以原型製作便顯得更重要。如果研究人員要檢驗理論內容，就得從理論研究轉向測試台。只要在實際情境中使用實際波形，研究人員即可開發原型，並判斷 Massive MIMO 的可行性與商用價值。就像所有的全新無線標準或技術一樣，從概念轉移至原型會影響實際的部署和商品化程序。 

以下概述了完整的 Massive MIMO 原型驗證系統。其中包含必備的軟硬體，有助於打造出世界上最多功能、最有彈性且最能擴充的 Massive MIMO 測試台，並能透過重點頻帶與頻寬提供研究社群即時的雙向通訊效能。有了 NI Software Defined Radio (SDR) 與 LabVIEW 系統設計軟體，就能發揮 MIMO 系統的模組化特性，從數條天線擴充為具有 128 條天線的 Massive MIMO 系統。透過靈活有彈性的硬體，即可隨著無線研究需求變化而重新部署至其他設定，比如說做為分散式節點部署於隨建即連 (ad-hoc) 網路，也可做為多細胞協調網路。

圖 1.  全球最早期的即時 Massive MIMO 測試台 (隆德大學 (Lund University) 運用 Massive MIMO 原型驗證系統建立而成)

Massive MIMO 原型驗證系統內含全功能軟體，能夠運用類似 LTE 的實體層與 TDD 提供行動功能。表 1 為 Massive MIMO 原型驗證系統可支援的系統與協定參數。

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表 1. Massive MIMO 系統參數

Massive MIMO 是為行動應用所設計，其中包含基地台與使用者設備 (UE) 或行動使用者。然而，Massive MIMO 和傳統的拓撲很不一樣，主要差別在於 Massive MIMO 配置大量的基地台天線，能同時和多個 UE 通訊。就靈活的 NI 原型驗證系統而言，基地台的系統能為每個 UE 提供 10 個基地台天線元件，可供 12 個使用者以完整頻寬同時存取 128 個天線基地台。經過證實，假使每個 UE 有至少 10 個基地台天線，便可透過此設計提高理想增益，並最佳化 MRC 解碼器的效能。 

Massive MIMO 系統內有一組 UE 會同時把一組正交引導訊號傳輸至基地台，接著就可以使用基地台所收到的上行引導訊號來評估通道矩陣。在下行時槽內，這項通道評估會用於計算下行訊號的預先編碼器。理論上，每個行動使用者即可透過無干擾的通道接收專屬於自己的訊息。預先編碼器設定是一種開放的研究領域，可針對不同的系統設計目標加以設計。 舉例來說，MIMO 預先編碼器/解碼器可經由設計來消除對其他使用者的干擾、盡可能降低輻射功率，或是減少所傳輸 RF 訊號的峰均功率比。

雖然此架構可延伸出許多設定方式，靈活的原型驗證系統卻能支援高達 20 MHz 的瞬間即時頻寬，將 2 條天線擴充為 128 條，還可供多個獨立 UE 使用。此架構運用的協定類似 LTE，其中採用一個 2,048 個點的快速傅利葉轉換 (FFT) 和 0.5 ms 的時槽，如表 1 所示。 

Massive MIMO 軟硬體元素

Massive MIMO 系統的四大設計關鍵如下：

1. 靈活的 SDR，可擷取並傳輸 RF 訊號
2. 無線電站之間可達到準確的時間與頻率同步化
3. 高傳輸量的無損匯流排，可遷移並彙整大量的資料
4. 出色的處理效能，可用於實體層和媒體存取控制 (MAC) 執行，藉此滿足即時效能需求

NI 靈活的原型驗證系統集結 SDR、時脈分配模組、高傳輸量的 PXI 系統與 LabVIEW，提供了穩健又精確的原型驗證平台，能進一步滿足研究需求。這個段落詳細介紹了 NI Massive MIMO 基地台與 UE 端點所使用的多種軟硬體元素。

如需有關 MIMO 原型驗證系統硬體的詳細資訊，請參閱「NI MIMO 原型驗證系統硬體簡介」。

這款靈活的原型驗證系統運用 LabVIEW 做為整合式工具，有助於管理系統層級的軟硬體細節、透過 GUI 顯示系統資訊、開發通用處理器 (GPP)/即時/FPGA 程式碼，並且把程式碼部署至研究測試台。使用者可透過 LabVIEW 來整合額外的程式設計方式，例如透過呼叫程式庫節點整合 ANSI C/C++、透過 IP 整合節點來整合 VHDL，甚至透過 MATLAB Script 節點來整合 .m 檔案指令碼。這樣一來使用者即可開發出高效能實作項目，並兼顧出色的穩定性和客制化功能。透過單一 LabVIEW 專案即可管理所有的軟硬體，研究人員可藉此部署程式碼至所有的處理元件，並且透過單一環境執行測試台情境。 

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圖 2.  LabVIEW 專案與 LabVIEW FPGA 應用

Massive MIMO 基地台參考設計架構

上述的軟硬體平台元素組合成一個測試台，可把數條天線擴充為超過 128 條同步化天線。為了簡單起見，本文只說明 32、64、128 條天線的設定內容。128 條天線系統包含 64 個雙通道 USRP RIO 裝置，可經 PCIe 配電箱傳輸資料至單一 PXIe 機箱。主機箱可彙整所有資料，以便透過 FPGA 協同處理器與搭載四核心 Intel i7 的 PXI 控制器集中處理這些資料。 

如圖 8 所示，主機箱把 PXIe-1085 機箱做為主要的資料彙整節點和即時訊號處理引擎。PXI 機箱提供了 17 個可用於輸入/輸出裝置的開放式插槽，此外還具備時序與同步化功能、可處理即時訊號的 FlexRIO FPGA 機板，以及可連接至 PCIe 配電箱的擴充模組。128 條天線的 Massive MIMO 基地台必須具備極高的資料傳輸量，才能夠彙整並處理 I/Q 樣本，藉由 128 個通道完成即時收發作業；PXIe-1085 則可確實滿足此需求，支援的 PCI Generation 2 x8 資料路徑能夠達到最高 3.2 GB/s 的傳輸量。

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圖 3. 可擴充的 Massive MIMO 系統示意圖，結合了 PXI 與 USRP RIO

在主機箱的 Slot 1 內，PXIe-8135 RT 控制器或嵌入式電腦可做為中央系統控制器使用。PXIe-8135 RT 配備了 2.3 GHz 的四核心 Intel Core i7-3610QE 處理器 (單核心 Turbo Boost 模式可達 3.3 GHz)。主機箱裝載了 8 個 PXIe-8384 (S1 到 S8) 介面模組，可以把 PCIe 配電箱連接至主系統。每個配電箱因而能夠彙整 8 個 USRP RIO 連結。機箱之間的通訊除了透過 PXI 機箱與配電箱之外，還仰賴了 PCI Express Generation 2 x8，可以在主機箱與其他配電箱之間提供高達 3.2 GB/s 的效能。 

此系統還配備 4 個 PXIe-7976R FlexRIO FPGA 協同處理器模組，可滿足 Massive MIMO 系統的即時訊號處理需求。插槽位置提供了一個範例設定，其中的 FPGA 可以串聯起來，支援每個子節點的資料處理需求。每個 FlexRIO 模組都可以透過背板向彼此接收或傳輸資料，甚至還可以連接所有 USRP RIO，每個 FPGA 協同處理器的延遲時間皆不到 5 微秒、傳輸量最高可達 3.2 GB/s。

時序與同步化

對於任何要部署大量無線電的系統來說，時序與同步化不但重要，也是 Massive MIMO 系統的關鍵。基地台系統共用一個 10 MHz 參考時脈和一個數位觸發器，可啟動每個無線電的擷取或產生功能，確保整個系統的同步化效能 (圖 9)。PXIe-6674T 時序與同步化模組配備 OCXO，位於主機箱的 Slot 10，可產生穩定又準確的 10 MHz 參考時脈 (80 ppb 準確度)，並提供數位觸發器讓裝置與主要 OctoClock-G 時脈分配模組達成同步化。接著 OctoClock-G 就會供應並緩衝 10 MHz 參考 (MCLK) 和觸發器 (MTrig) 給 OctoClock 模組，從第一個到第八個依序完成，然後供應至 USRP RIO 裝置，藉此確保每條天線都可以共用 10 MHz 參考時脈和主機觸發器。上述的時序與同步化架構可針對每個無線電/天線元件提供相當精確的控制功能。 

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圖 4.  Massive MIMO 時脈分配圖

請參考表 2，了解 32、64、128 條天線系統的基地台零件清單。其中包含硬體裝置，以及可連接裝置的接線，如圖 1 所示。

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表 2.  Massive MIMO 基地台零件清單

基地台軟體可滿足表 1 所述的系統目標，OFDM 實體層處理功能將分配至 USRP RIO 裝置的 FPGA，MIMO 實體層處理元件則會分配至 PXI 主機箱的 FPGA。更高階的 MAC 函式會在 PXI 控制器上、Intel 為架構的通用處理器 (GPP) 上執行。此系統架構有助於處理大量資料，同時降低延遲以維持通道互惠效能。預先編碼參數會直接從接收器傳送至傳輸器，藉此最佳化系統效能。

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圖 5.  Massive MIMO 資料與處理圖

從天線開始，OFDM 實體層處理作業會在 FPGA 上執行，這樣一來，需要最大量運算資源的處理作業就會在天線附近執行。這樣的運算結果就會在 MIMO 接收器 IP 結合起來，在此替每個使用者和每個子載波解析通道資訊。算出來的通道參數會傳輸至 MIMO TX 區塊，預先編碼會在此套用，把能源集中在單一使用者的退回路徑。雖然 MAC 有些部分會在 FPGA 上實作，但大部分和其他較上層的處理作業會在 GPP 上執行。系統每個階段所使用的特定演算法也是相當活躍的研究領域。整個系統都可重設，實作於 LabVIEW 和 LabVIEW FPGA，可提供極致的速度、完全不犧牲可讀性。

使用者設備 (UE) 就是具有單一輸入/單一輸出 (SISO) 無線功能的手機或其他無線裝置。UE 原型採用 USRP RIO，配備整合式 GPSDO，使用接線 PCI Express 把筆記型電腦連接至 ExpressCard。GPSDO 非常重要，因為它提供了更出色的頻率準確度，還可提供同步化和地理位置功能，滿足未來的系統擴充需求。典型的測試台實作包含多個 UE 系統，其中每個 USRP RIO 可能代表一或兩個 UE 裝置。UE 上的軟體實作方式就像基地台一樣；然而，此軟體會做為單一天線系統而實作，把實體層放在 USRP RIO 的 FPGA，把 MAC 層放在主機電腦。

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圖 6.  標準的 UE 設定，搭配筆記型電腦和 USRP RIO

表 3 有助於參考單一 UE 系統所使用的零件。其中包含硬體裝置，以及可連接裝置的接線，如圖 11 所示。如果把桌上型電腦當做 UE 控制器，也可使用 PCI Express 連線。

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表 3.  UE 設備清單

NI 技術透過 LabVIEW 系統設計軟體搭配 USRP RIO 和 PXI 平台，徹底改革了高階研究系統的原型製作方式。此技術文章說明了早期可行的即時 Massive MIMO 解決方案。靈活的 NI 原型驗證系統運用獨一無二的技術組合，可針對大量的無線電同步化時間與頻率，並以超過 15.7 GB/s 的速度，在上行與下行傳輸並彙整 I/Q 樣本。此參考設計運用 FPGA 設計流程，以簡化實體層與 MAC 層的高效能處理作業、滿足即時的時序需求。

為了確保這些產品可以滿足無線研究人員的特殊需求，NI 積極地與頂尖的研究人員/思想領袖合作。這些合作機會有助於提升多個領域的研究，鼓勵大家分享方法、IP 與最佳實務，進一步幫助那些需要或正在使用靈活原型驗證系統等工具的人。 比方說，布里斯托大學 (University of Bristol) 與隆德大學的工程師與研究人員就能夠使用 NI MIMO 原型驗證系統，快速創新並提升 5G 行動網路，從而透過 Massive MIMO 技術改變未來的無線通訊方式。該團隊已成功證明，這項技術在頻寬效率上比現行的 4G 行動技術高出 20 倍，為部署 6 GHz 以下 5G 頻帶開啟了創記錄的全新可能性。

深入了解 NI 如何革新 5G 與 6G 技術。

Larsson, E.; Edfors, O.; Tufvesson, F.; Marzetta, T., "Massive MIMO for next generation wireless systems," in Communications Magazine, IEEE , vol.52, no.2, pp.186-195, February 2014

H.Q. Ngo, E. G.Larsson, and T. L.Marzetta, “Energy and spectral efficiency of very large multiuser mimo systems,” CoRR, vol. abs/1112.3810, 2011.

Rusek, F.; Persson, D.; Buon Kiong Lau; Larsson, E.G.; Marzetta, T.L.; Edfors, O.; Tufvesson, F., “Scaling Up MIMO:Opportunities and Challenges with Very Large Arrays,” Signal Processing Magazine, IEEE, vol.30, no.1, pp.40,60, Jan. 2013

NI 與瑞典隆德大學正式發表 Massive MIMO 的合作研究計畫：ni.com/newsroom/release/national-instruments-and-lund-university-announce-massive-mimo-collaboration/en/，2014 年 2 月