"NI MIMO原型系統(tǒng)提供了一個集成的硬件和軟件平臺，幫助我們解決開發(fā)過程中的一些難點。"

- Paul Harris, University of Bristol

挑戰(zhàn):

思科預(yù)測到2020年將會有55億人擁有移動電話。僅在英國就已經(jīng)有數(shù)千萬移動用戶，每個月消耗20 GB的數(shù)據(jù)流量，而且日常生活中使用的智能設(shè)備超過25臺。4K視頻、無人駕駛車輛、智能工廠以及寬帶接入等需要消耗大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用正在不斷覆蓋到地球上大部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此當(dāng)今的無線網(wǎng)絡(luò)無法應(yīng)對迅速到來的超連接未來也是無可厚非的。

解決方案:

為了滿足不斷增長的數(shù)據(jù)速率、更高的網(wǎng)絡(luò)容量和可靠性需求，布里斯托爾大學(xué)和隆德大學(xué)的工程師和研究人員正在使用NI多輸入多輸出(MIMO)原型系統(tǒng)，通過大規(guī)模MIMO技術(shù)來實現(xiàn)快速創(chuàng)新，推動5G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)程，變革無線通信的未來。 該團(tuán)隊已經(jīng)成功演示了比當(dāng)前4G蜂窩技術(shù)高出20倍的帶寬效率，這創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，開辟了低于6 GHz頻段的5G部署可能性。

通過乘法創(chuàng)新

了解大規(guī)模MIMO的優(yōu)勢，釋放5G網(wǎng)絡(luò)的無限潛能。大規(guī)模MIMO通過在基站使用大量天線（超過64根）來實現(xiàn)空間復(fù)用。 這意味著我們可以在密集的區(qū)域服務(wù)更多的用戶，而不需要消耗更多的無線電頻譜或產(chǎn)生干擾。 換句話說，大規(guī)模MIMO可減少電話掉線，大幅減少死區(qū)范圍，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，而且不會給日益稀有的無線電頻譜帶來挑戰(zhàn)。

此外，與當(dāng)前的LTE (4G)網(wǎng)絡(luò)相比，大規(guī)模MIMO有望降低成本和提高能源效率，同時通過天線數(shù)量的增加提供更高的可靠性。

創(chuàng)紀(jì)錄的實時研究

布里斯托爾和隆德團(tuán)隊的目標(biāo)是測試大規(guī)模MIMO這一技術(shù)可為未來5G網(wǎng)絡(luò)帶來10倍以上網(wǎng)絡(luò)容量提升的可行性。他們采用了可擴(kuò)展的NI MIMO原型開發(fā)平臺，該平臺具有靈活的軟件無線電硬件和開放式可重配置LabVIEW軟件，同時還可獲得NI先進(jìn)無線研究小組的專業(yè)技術(shù)支持。

借助NI MIMO原型系統(tǒng)，該團(tuán)隊可以將大規(guī)模MIMO的理論原理應(yīng)用到真實環(huán)境中，并能夠快速測試其新思路，現(xiàn)場成功演示了世界上第一個128天線實時大規(guī)模MIMO測試平臺。借助這一尖端的測試平臺，該團(tuán)隊已經(jīng)連續(xù)創(chuàng)造了兩個頻譜效率的世界紀(jì)錄。他們在20 MHz帶寬，全雙工的實時無線鏈路中，在3.5 GHz頻率下12個用戶同時使用的情況下實現(xiàn)了超過79 b/s/Hz的頻譜效率。之后不久，該團(tuán)隊對系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展，在共享相同時間-頻率資源的用戶人數(shù)增加到22人的條件下實現(xiàn)超過145 b/s/Hz的頻譜效率。

圖1、布里斯托爾大學(xué)和隆德大學(xué)實現(xiàn)了世界上第一個128天線實時大規(guī)模MIMO測試平臺，連續(xù)創(chuàng)造了兩個無線頻譜效率的世界紀(jì)錄。

技術(shù)

NI MIMO原型系統(tǒng)結(jié)合了LabVIEW軟件和NI商用現(xiàn)成硬件。該平臺為開發(fā)高吞吐量、高容量、低延遲系統(tǒng)提供了一個堅實的基礎(chǔ)。雖然該團(tuán)隊集成了近100個不同的硬件，但仍可在一個統(tǒng)一的軟件框架內(nèi)無縫開發(fā)整個應(yīng)用。模塊化方法、緊密的軟件/硬件集成以及LabVIEW中內(nèi)置的實時FPGA IP為該團(tuán)隊提供了所需的解決方案，他們比預(yù)期更快速完成開發(fā)，而且未來能夠以較低的成本快速實現(xiàn)平臺的變化。

圖2、NI MIMO原型平臺是一個基于USRP RIO軟件無線電和PXI硬件的模塊化系統(tǒng)，可實現(xiàn)各種天線配置。

圖3、NI MIMO應(yīng)用程序框架的開放式軟件參考架構(gòu)和實時FPGA IP為布里斯托爾和隆德大學(xué)團(tuán)隊的開發(fā)工作提供了良好的基礎(chǔ)。

下一步計劃

布里斯托爾大學(xué)和布里斯托爾市議會之間開展了一個名為Bristol is Open的合作項目。布里斯托爾團(tuán)隊計劃在市區(qū)范圍內(nèi)的屋頂上部署其大規(guī)模MIMO測試平臺，并將其連接到光纖網(wǎng)絡(luò)，以便進(jìn)一步研究這種技術(shù)對社會的實際影響。最終，布里斯托爾大學(xué)將該系統(tǒng)拆分成4個32天線子系統(tǒng)，利用光纖網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)分布式大規(guī)模MIMO配置。這一成果幫助網(wǎng)絡(luò)運營商建立了更好的通信方法。

隆德大學(xué)很快就開始在針對其需求定制的NI大規(guī)模MIMO測試平臺上，在各種實際的部署環(huán)境中進(jìn)行室外測量、信道特性分析以及加速器IP設(shè)計。

而且，布里斯托爾和隆德大學(xué)將繼續(xù)在未來的項目上合作。隆德大學(xué)將幫助布里斯托爾團(tuán)隊進(jìn)行室外移動用戶測量試驗，以進(jìn)一步研究移動性對大規(guī)模MIMO的影響。

圖4. Paul Harris和Steffen Malkowsky在布里斯托爾大學(xué)的消聲室里測試其128天線陣列。

關(guān)于該團(tuán)隊

英國布里斯托爾大學(xué)的通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)(CSN)小組成立于1985年，旨在解決固定和無線通信領(lǐng)域的研究需求。該小組結(jié)合基本的學(xué)術(shù)研究和強(qiáng)大的工業(yè)應(yīng)用，擁有配備最先進(jìn)測試和測量設(shè)備和一流計算設(shè)施的實驗室。

布里斯托爾大學(xué)團(tuán)隊：Mark Beach, Andrew Nix, Paul Harris, Siming Zhang, Henry Brice, Wael Boukley Hasan, and Benny Chitambira

隆德大學(xué)致力于成為一所世界一流的大學(xué)，專注于理解、解釋以及改善人類世界和生存條件。隆德大學(xué)的電氣工程和信息學(xué)院(EIT)涵蓋了模擬和數(shù)字以及通信系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的諸多研究應(yīng)用，在MaMi理論、信道測量和特性分析以及加速器IP設(shè)計等大規(guī)模MIMO (MaMi)研究領(lǐng)域處于最前沿地位。

隆德大學(xué)團(tuán)隊：Fredrik Tufvesson, Ove Edfors, Liang Liu, Steffen Malkowsky, Joao Vieira, Zachary Miers, Hemanth Prabhu, Erik Bengtsson, Xiang Gao, and Dimitrios Viastaras

作者:

Paul Harris - University of Bristol

Steffen Malkowsky - Lund University