Massive MIMO组网还需要解决哪些问题?

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不久前,调研机构Juniper Research发布了一项新的研究报告《5G市场战略:消费者&企业的机遇及预测(2018-2025)》,其乐观地预测——运营商从5G连接所能获得的年度收入,在2025年将接近3000亿美元,而2019年的5G连接年收入则为8.94亿美元,从2019-2025年的平均年增长率将高达163%。尽管5G前景可期,但对运营商而言,5G网络的组建仍存在一定挑战。比如5G通信对高速移动数据的需求呈现指数级增长,而城市环境下可用RF频谱趋于饱和,因此提升基站收发数据的频谱利用率尤为关键。

Massive MIMO(大规模多入多出),通过同一频谱资源与多台空间上分离的用户终端同时通信并利用多径传播,是有效提升基站频谱效率的方案之一。Massive意指基站天线阵列中的大量天线;MIMO意指天线阵列使用同一时间和频率资源满足空间上分离的多位用户的需求。ADI公司,作为全球领先的高性能信号处理解决方案供应商,其一流的RadioVerseTM技术,易于简化集成运营商级的片上系统无线电方案,为Massive MIMO及5G网络的搭建提供了途径。

Massive MIMO究竟为何物?

Massive MIMO在实际系统中,天线与用户终端—以及相反过程—之间传输的数据经过了周围环境的滤波。信号可能会被建筑物和其他障碍物反射,这些反射会有相关的延迟、衰减和抵达方向。天线与用户终端之间甚至可能没有直接路径,但这些非直接传输路径同样存在价值。

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图1:天线阵列和用户之间的多路径环境

为了利用多路径,天线元件和用户终端之间的空间信道需要加以表征。文献中一般将这种响应称为信道状态信息(CSI)。此CSI实质上是各天线与各用户终端之间的空间传递函数的集合。用一个矩阵(H)来收集此空间信息,CSI用于数字化编码和解码天线阵列所收发的数据。

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图2:表征Massive MIMO系统需要信道状态信息

对此,ADI系统应用工程师Claire Masterson在公开资料中给出了有趣的类比:一个气球在某个位置被戳破了,发出"啪"的一声,在另一个位置记录此声音或脉冲。在麦克风位置记录的声音是一个空间脉冲响应,其包含的信息是周围环境中气球和麦克风在该特定位置所独有的。与直接路径相比,被障碍物反射的声音会有衰减和延迟。

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图3:通过声音类比说明信道的空间特性

同时,RF领域往往利用导频信号表征空间信道。天线与用户终端之间的空中传输信道是互易的,即该信道在两个方向是相同的。这与系统工作在时分复用(TDD)模式还是频分复用(FDD)模式有关。在TDD模式下,上行链路和下行链路传输使用相同频率资源。互易性假设意味着只需要在一个方向上表征信道即可,上行链路信道是显而易见的选择,因为只需要将一个导频信号从用户终端发送,并由所有天线元件接收。信道估计的复杂度与用户终端数成比例,而非与阵列中的天线数成正比。

ADI公司Claire Masterson特别指出:“因为用户终端可能在移动,故信道估计需要频繁进行。基于上行链路表征还有一个重要优势,所有繁重的信道估计和信号处理任务皆在基站完成,而非在用户端完成。”

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图4:每个用户终端发射正交导频符号

这意味着,滤波基于CSI而设计,并对天线阵列传输的数据进行预编码,使得多路径信号会在用户终端位置相干叠加。这种滤波进一步用来线性组合天线阵列RF路径收到的数据,从而检测来自不同用户的数据流。

信道、RF路径、链路差异……Massive MIMO落地有挑战

在现实场景中实现massive MIMO时,还有其他实际问题需要考虑。举个例子,假设一个天线阵列有32个发射(Tx)信道和32个接收(Rx)信道,工作在3.5 GHz频段。那么需要放置64个RF信号链,在给定工作频率下,天线间距约为4.2 cm。这说明,有大量硬件需装入一个很小的空间中。它还意味着会耗散大量功率,不可避免会带来温度问题。ADI RadioVerse系列集成式收发器解决方案,拥有行业最佳的超低功耗表现,可代替多达20个高性能分立式器件,尺寸更小、重量更轻,为解决这一难题给出了答案。

实际上,通信系统的下行链路信道通常分为三个部分:空中信道(H)、基站发射RF路径的硬件响应(TBS)和用户接收RF路径的硬件响应(RUE)。上行链路与此相反,RBS表征基站接收硬件RF路径,TUE表征用户发射硬件RF路径。互易性假设虽然对空中接口成立,但对硬件路径不成立。由于迹线不匹配、RF路径间同步不佳和温度相关的相位漂移,RF信号链会给系统带来误差。

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图5:实际下行链路信道

ADI公司Claire Masterson表示,对RF路径中的所有LO(本振)PLL使用同一同步参考时钟,并对基带数字JESD204B信号使用同步SYSREF,有助于解决RF路径间的延迟问题。但在系统启动时,RF路径之间仍会有通道间的相位失配,由温度引起的相位漂移会进一步扩大此问题。因此很显然,系统在启动时需要初始化校准,此后运行中需要周期性校准。通过校准可实现互易性优势,使信号处理复杂度维持在基站,并且只需要表征上行链路信道。这样可获得一般意义上的简化,从而仅需要考虑基站RF路径(TBS和RBS)。

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