大規模多重輸入多重輸出（Massive MIMO）是一個非常有趣的5G無線研究領域。因為其可針對新一代無線數據網絡提供多方面的優勢，比如說以更高的數據傳輸率容納更多用戶，加強穩定度之余，還可降低耗電量。

只要使用大規模MIMO應用架構，研究人員可透過系統設計軟件如LabVIEW和軟件定義無線電（SDR），打造出一百二十八支天線的MIMO測試臺，迅速制作大規模的天線系統原型。由于現場可編程門陣列（FPGA）架構邏輯的設計流程經過簡化，高效能處理的部署過程也很順暢，所以該領域的研究人員可以透過一致的軟硬件設計流程，滿足這類超復雜系統的原型制作需求。

采大量天線　大規模MIMO提升無線數據傳輸率

行動裝置的數量和所消耗的無線資料量持續激增，促使研究人員須投入新技術的研究，才能滿足不斷成長的需求。新一代5G無線數據網絡必須搭配目前的通訊系統，克服容量限制、網絡穩定性、覆蓋范圍、能源效率和延遲時間等難題。

大規模MIMO為5G的候選技術，在基地臺收發站（BTS）采用大量的天線（超過六十四支），能夠大幅提升無線數據傳輸率和鏈接穩定性。現有標準的BTS架構采用分區拓撲，最多也只有八支天線。

大規模MIMO囊括數百個天線組件，可透過預先編碼技巧把能源集中在目標行動用戶身上，進一步降低輻射。只要把無線能源導向特定的用戶，就能夠降低輻射，同時也可避免干擾其他使用者。

就目前受干擾限制的行動網絡而言，這是相當吸引人的一點。如果大規模MIMO確實能提供上述效能，未來的5G網絡就會變得更快、可容納更多使用者，提供更出色的穩定性和能源效率。

由于大規模MIMO的天線組件數量很多，也帶來了目前網絡所沒有的系統難題。舉例來說，就目前采用LTE或LTE-Advanced的進階數據網絡而言，導引訊號負載（Pilot Overhead）必須和天線數量成比例。

大規模MIMO會透過通道互惠在上行和下行鏈路之間使用分時雙工（TDD），借此管理大量天線的負載。有了信道互惠，即可把上行導引訊號的信道狀態信息用于下行預先編碼器。實踐大規模MIMO的困難之處還包含了擴充十倍的數據總線和接口，或是在大量的獨立射頻（RF）收發器之間達到更多也更分散的同步化效能。

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

SDR搭配系統設計軟件　MIMO系統架構彈性大躍進

完整的大規模MIMO系統應用架構須包含必備的軟硬件，借此打造出多功能、可擴充及靈活有彈性的大規模MIMO測試臺，以便透過重點頻帶與帶寬提供實時的雙向通訊效能給研究社群。

圖1　瑞典隆德大學的大規模MIMO測試臺采用了USRP RIO（a）和客制化的交叉極化平面天線數組（b）。

借由SDR和系統設計軟件，就可以發揮MIMO系統的模塊化特性，把數個節點擴充為一百二十八支天線的大規模MIMO系統。透過靈活有彈性的硬件，即可隨著無線研究需求變化而重新部署至其他設定，比如說做為分布式節點部署于隨建即連（Ad-hoc）網絡，也可做為多細胞協調網絡。

瑞典隆德大學（Lund University）Ove Edfors和Fredrik Tufvesson教授采用大規模MIMO應用架構，與美商國家儀器（NI）合作開發出全球最大的MIMO系統（圖1）。該系統用了五十個SDR，打造出一百支天線的大規模MIMO BTS設定，如表1所示。

NI和隆德大學的研究團隊根據SDR的概念，使用類似LTE的物理層和TDD開發出系統軟件和物理層，借此提供行動存取功能。這次合作所開發出來的軟件已成為大規模MIMO應用架構的軟件組件。

就像其他的通訊網絡一樣，大規模MIMO系統包含BTS和客戶端設備（UE）或行動使用者。事實上，大規模MIMO主要是為了行動應用而設計的，包含BTS、UE或行動使用者。然而，大規模MIMO和傳統的拓撲很不一樣，主要差別在于配置大量的BTS天線，能夠同時和多個UE通訊。

就NI和隆德大學合作開發的系統而言，BTS的系統設計針對每個UE提供十個基地臺天線組件，可供十個使用者以完整帶寬同時存取一百個天線基地臺。經過證實，每個UE有十個基地臺天線的設計有助于提高理想增益。

大規模MIMO系統內有一組UE會同時把一組正交導引訊號傳輸至BTS。接著就可以使用收到的上行導引訊號來評估信道矩陣，在下行時槽內，這項通道評估會用于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于自己的訊息。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，預先編碼器可設計為對其他使用者零干擾、盡可能降低輻射功率，也可減少所傳輸射頻訊號的峰均功率比。

透過上述設計，大規模MIMO應用架構可支持高達20MHz的瞬間實時帶寬，并從六十四支天線擴充為一百二十八支，還能夠提供給多個獨立UE使用。表1是在此環境下，部署類似LTE協議的參數狀態，其中采用一個2，048個點的快速傅立葉變換（FFT）和0.5毫秒的時槽。0.5毫秒的時槽可確保合適的通道和諧狀態，提高行動測試情境（也就是UE移動中）的通道互惠效能。

大規模MIMO系統的四大設計關鍵如下。

? 靈活的SDR，可擷取并傳輸射頻訊號。

? 無線電站之間可達到準確的時間與頻率同步化。

? 高輸出率的精確總線，可遷移并匯整大量的數據。

? 出色的處理效能，可用于物理層和媒體訪問控制（MAC）執行，借此滿足實時效能需求。

理論上，這些關鍵項目可針對不同的研究需求快速完成客制化。本文的應用架構集結了SDR、頻率分配模塊、高輸出率PXI系統和LabVIEW，提供穩健又精確的原型制作平臺，進一步滿足研究需求。其中，SDR透過一個半寬1U、機架安裝式的機殼，提供整合式2×2 MIMO收發器和高效能FPGA，有助于加速基頻處理作業（圖2）。此外，其可透過PCI Express×4連接至主機控制器和系統控制器，能夠以高達800Mbit/s的數據串流速度傳輸至桌上型或PXI Express主計算機，或透過ExpressCard以200Mbit/s的速度傳輸至筆記本電腦。

圖2　USRP RIO硬件（a）和系統方塊圖（b）

上述的SDR硬件名為USRP RIO，搭載LabVIEW可重設I/O（RIO）架構，其中結合開放式的系統設計軟件和高效能硬件，有助于大幅簡化開發作業。緊密的軟硬件整合能夠降低系統整合的難度，對于如此大規模的系統更是如此，可以讓研究人員致力于研究項目。

PXI Express機箱背板

大規模MIMO應用架構采用PXIe-1085這款進階的18槽式PXI機箱，其中每個插槽皆搭載PCI Express Generation 2技術，可達到高輸出、低延遲的應用效能。此機箱可提供4Gbit/s的單插槽帶寬、12Gbit/s的系統帶寬。

圖3　18槽式PXIe-1085機箱（a）和系統方塊圖（b）

圖3為雙切換器背板架構。如要建置高信道數系統，可透過菊鏈方式把多個PXI機箱串聯在一起，也可放入星形設定。

高效能可重設FPGA處理模塊

大規模MIMO應用架構采用FPGA模塊如FlexRIO，在PXI機箱中加入靈活高效能的處理模塊，透過LabVIEW FPGA Module即可設計程序。該FPGA模塊可獨立使用，提供客制化的大型Xilinx Kintex-7 410T和PCI Express Generation 2×8聯機功能給PXI Express背板。

八通道頻率同步化

另外，OctoClock頻率分配模塊具有八個信道，可以八種方式透過長度匹配軌跡放大并分割一個外部10MHz參考和每秒脈波數（PPS）訊號，進一步提供頻率和時間同步化效能給最多八個USRP裝置。

圖4　OctoClock-G模塊（a）和系統方塊圖（b）

OctoClock-G使用全球衛星定位系統（GPS）授時的振蕩器（GPSDO），額外加入一個內部的時間與頻率參考，圖4為OctoClock-G系統簡圖。正面板的切換器可讓使用者選擇內部GPSDO和外部參考。

LabVIEW系統設計環境

LabVIEW具備整合式工具流，有助于管理系統層級的軟硬件細節；透過GUI顯示系統信息；開發通用處理器（GPP）、Real-Time和FPGA程序代碼；并且把程序代碼部署至研究測試臺。有了LabVIEW，用戶即可整合額外的程序設計語言，包含ANSI C/C++（透過呼叫庫節點）、VHDL（透過IP整合節點），甚至是.m檔案指令（透過LabVIEW MathScript RT Module）。這樣一來即可開發出高效能實作項目，兼顧出色的穩定性和客制化功能。大規模MIMO應用架構運用了LabVIEW的高生產力特性，以及可透過LabVIEW FPGA設計并控制I/O細節的功能。

PXI機箱滿足大數據輸出需求

上述的軟硬件平臺元素組合成一個測試臺，可把數支天線擴充為超過一百二十八支同步化天線，該天線系統囊括了六十四個雙信道SDR裝置，連接至四個設為星形架構的PXI機箱。主機箱可匯整所有數據，以便透過FPGA處理器和搭載四核心英特爾（Intel）i7的PXI控制器集中處理這些數據。

圖5　PXIe-7976R FlexRIO模塊（a）和系統方塊圖（b）

如圖5所示，主機箱把PXIe-1085機箱做為主要的數據匯整節點和實時訊號處理引擎。PXI機箱提供了十七個開放式插槽可用于輸入/輸出裝置，此外還有時序與同步化、可實時處理訊號的FlexRIO FPGA機板、可連接至子機箱的擴充模塊。

圖6　可擴充的大規模MIMO系統方塊圖結合PXI和USRP RIO。

一百二十八支天線的大規模MIMO BTS需要出色的數據輸出效能，才能夠匯整并處理I/Q樣本，進而透過一百二十八個信道實時完成收發作業；市面上的PXIe機箱如PXIe-1085則可確實滿足此需求，支持的PCI Generation 2×8數據路徑能夠達到最高3.2GB/s的輸出率（圖6）。

在主機箱的Slot 1內，PXIe-8135 RT控制器或嵌入式計算機可做為中央系統控制器。PXIe-8135 RT配備2.3GHz的四核心Intel Core i7處理器（單核心Turbo Boost模式可達3.3GHz）。

主機箱裝載了四個PXIe-8384（S1到S4）接口模塊，可以把子機箱連接至主系統。機箱之間的通訊除了透過MXI之外，還仰賴了PCI Express Generation 2×8，可以在主機箱和其他子節點之間提供高達3.2GB/s的效能。

此系統還配備最多八個FPGA模塊，可滿足大規模MIMO系統的實時訊號處理需求；插槽位置提供一個范例設定，其中的FPGA可以串聯起來，支持每個子節點的數據處理需求。每個FPGA模塊都可以彼此透過背板接收或傳輸資料，甚至可以連接所有的SDR，延遲時間不到5微秒、輸出率高達3GB/s。

時序和同步化至關重要

如果系統要部署大量的無線電，時序和同步化都很重要，這都是大規模MIMO系統的關鍵。BTS系統共享一個10MHz參考頻率和一個數字觸發器，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7）。

圖7　大規模MIMO 頻率分配方塊圖

PXIe-6674T時序和同步化模塊配備OCXO，位于主機箱的Slot 10，可產生穩定又準確的10MHz參考頻率（50ppb準確度），并提供數字觸發器讓裝置與主要OctoClock-G頻率分配模塊達成同步化。

接著OctoClock-G就會供應并緩沖10MHz參考（MCLK）和觸發器（MTrig）給OctoClock模塊，從第一個到第八個依序完成，然后供應至SDR裝置，借此確保每條天線都可以共享10MHz參考頻率和主機觸發器。此外，上述的控制架構可針對每個無線電/天線組件提供精確的控制功能。

基地臺應用架構軟件是專門為了滿足表1所述的系統目標而設計的，OFDM物理層處理功能會分配至SDR裝置的FPGA內，MIMO物理層處理組件則會分配至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。此系統架構有助于處理大量資料，同時降低延遲以維持信道互惠效能預先編碼參數會直接從接收器傳送至傳輸器，借此優化系統效能。

從天線開始，OFDM物理層處理會在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，替每個使用者和每個子載波解析信道信息。

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，把能源集中在單一用戶的退回路徑。雖然MAC有些部分會實作于FPGA，大部分和其他較上層的處理都會實作于GPP。系統每個階段所使用的特定算法也是相當活躍的研究領域。

UE就是具有單一輸入單一輸出（SISO）或2×2 MIMO無線功能的手機，或其他無線裝置。UE原型可采用市面上的SDR，配備整合式GPSDO，使用接線PCI Express把筆記本電腦連接至ExpressCard（圖8）。

圖8　標準的UE設定，搭配筆記本電腦和USRP RIO

事實上，GPSDO非常重要，因為它提供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。典型的測試臺實作可能包含多個UE系統，其中每個SDR可能代表一或兩個UE裝置。

UE上的軟件實作方式就像BTS一樣，然而此軟件會做為單一天線系統而實作，把物理層放在SDR的FPGA，把MAC層放在主機PC。

PXI平臺推進5G研究時程

透過LabVIEW系統設計軟件搭配USRP RIO和PXI平臺，徹底改革了高階研究系統的原型制作方式。本文說明一個建置大規模MIMO系統的實用選項，有助于促進未來的5G研究。

把如此獨一無二的NI技術組合用于應用架構，即可針對大量的無線電同步化時間和頻率，PCI Express基礎架構也可滿足輸出需求，借此以超過15.7GB/s的速度，在上行和下行傳輸并匯整I/Q樣本。FPGA的設計流程可簡化物理層和MAC層的高效能處理作業，滿足實時的時序需求。

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