不久前，調研機構Juniper Research發布了一項新的研究報告《5G市場戰略：消費者&企業的機遇及預測(2018-2025)》，其樂觀地預測——運營商從5G連接所能獲得的年度收入，在2025年將接近3000億美元，而2019年的5G連接年收入則為8.94億美元，從2019-2025年的平均年增長率將高達163%。盡管5G前景可期，但對運營商而言，5G網絡的組建仍存在一定挑戰。比如5G通信對高速移動數據的需求呈現指數級增長，而城市環境下可用RF頻譜趨于飽和，因此提升基站收發數據的頻譜利用率尤為關鍵。

Massive MIMO(大規模多入多出），通過同一頻譜資源與多臺空間上分離的用戶終端同時通信并利用多徑傳播，是有效提升基站頻譜效率的方案之一。Massive意指基站天線陣列中的大量天線；MIMO意指天線陣列使用同一時間和頻率資源滿足空間上分離的多位用戶的需求。ADI公司，作為全球領先的高性能信號處理解決方案供應商，其一流的RadioVerseTM技術，易于簡化集成運營商級的片上系統無線電方案，為Massive MIMO及5G網絡的搭建提供了途徑。

Massive MIMO究竟為何物？

Massive MIMO在實際系統中，天線與用戶終端—以及相反過程—之間傳輸的數據經過了周圍環境的濾波。信號可能會被建筑物和其他障礙物反射，這些反射會有相關的延遲、衰減和抵達方向。天線與用戶終端之間甚至可能沒有直接路徑，但這些非直接傳輸路徑同樣存在價值。

圖1：天線陣列和用戶之間的多路徑環境

為了利用多路徑，天線元件和用戶終端之間的空間信道需要加以表征。文獻中一般將這種響應稱為信道狀態信息(CSI)。此CSI實質上是各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數的集合。用一個矩陣(H)來收集此空間信息，CSI用于數字化編碼和解碼天線陣列所收發的數據。

圖2：表征Massive MIMO系統需要信道狀態信息

對此，ADI系統應用工程師Claire Masterson在公開資料中給出了有趣的類比：一個氣球在某個位置被戳破了，發出"啪"的一聲，在另一個位置記錄此聲音或脈沖。在麥克風位置記錄的聲音是一個空間脈沖響應，其包含的信息是周圍環境中氣球和麥克風在該特定位置所獨有的。與直接路徑相比，被障礙物反射的聲音會有衰減和延遲。

圖3：通過聲音類比說明信道的空間特性

同時，RF領域往往利用導頻信號表征空間信道。天線與用戶終端之間的空中傳輸信道是互易的，即該信道在兩個方向是相同的。這與系統工作在時分復用(TDD)模式還是頻分復用(FDD)模式有關。在TDD模式下，上行鏈路和下行鏈路傳輸使用相同頻率資源。互易性假設意味著只需要在一個方向上表征信道即可，上行鏈路信道是顯而易見的選擇，因為只需要將一個導頻信號從用戶終端發送，并由所有天線元件接收。信道估計的復雜度與用戶終端數成比例，而非與陣列中的天線數成正比。

ADI公司Claire Masterson特別指出：“因為用戶終端可能在移動，故信道估計需要頻繁進行。基于上行鏈路表征還有一個重要優勢，所有繁重的信道估計和信號處理任務皆在基站完成，而非在用戶端完成。”

圖4：每個用戶終端發射正交導頻符號

這意味著，濾波基于CSI而設計，并對天線陣列傳輸的數據進行預編碼，使得多路徑信號會在用戶終端位置相干疊加。這種濾波進一步用來線性組合天線陣列RF路徑收到的數據，從而檢測來自不同用戶的數據流。

信道、RF路徑、鏈路差異……Massive MIMO落地有挑戰

在現實場景中實現massive MIMO時，還有其他實際問題需要考慮。舉個例子，假設一個天線陣列有32個發射(Tx)信道和32個接收(Rx)信道，工作在3.5 GHz頻段。那么需要放置64個RF信號鏈，在給定工作頻率下，天線間距約為4.2 cm。這說明，有大量硬件需裝入一個很小的空間中。它還意味著會耗散大量功率，不可避免會帶來溫度問題。ADI RadioVerse系列集成式收發器解決方案，擁有行業最佳的超低功耗表現，可代替多達20個高性能分立式器件，尺寸更小、重量更輕，為解決這一難題給出了答案。

實際上，通信系統的下行鏈路信道通常分為三個部分：空中信道(H)、基站發射RF路徑的硬件響應(TBS)和用戶接收RF路徑的硬件響應(RUE)。上行鏈路與此相反，RBS表征基站接收硬件RF路徑，TUE表征用戶發射硬件RF路徑。互易性假設雖然對空中接口成立，但對硬件路徑不成立。由于跡線不匹配、RF路徑間同步不佳和溫度相關的相位漂移，RF信號鏈會給系統帶來誤差。

圖5：實際下行鏈路信道

ADI公司Claire Masterson表示，對RF路徑中的所有LO(本振)PLL使用同一同步參考時鐘，并對基帶數字JESD204B信號使用同步SYSREF，有助于解決RF路徑間的延遲問題。但在系統啟動時，RF路徑之間仍會有通道間的相位失配，由溫度引起的相位漂移會進一步擴大此問題。因此很顯然，系統在啟動時需要初始化校準，此后運行中需要周期性校準。通過校準可實現互易性優勢，使信號處理復雜度維持在基站，并且只需要表征上行鏈路信道。這樣可獲得一般意義上的簡化，從而僅需要考慮基站RF路徑(TBS和RBS)。

5G組網的關鍵硬件，你需要一顆高性能RF收發器！

綜上所說，不難發現ADI公司的集成收發器產品系列十分適合需要高密度RF信號鏈的應用。以屢獲殊榮的集成式寬帶RF收發器AD9371為例，其擁有2個發射路徑、2個接收路徑和一個觀測接收機，頻率范圍為300 MHz到6 GHz，主要接收通道的帶寬高達100 MHz，發射和觀測通道的帶寬高達250 MHz，并有3個小數N分頻PLL用于RF LO生成，采用12 mm×12 mm封裝。AD9371在標準工作條件下的功耗不到5 W；與其他商用產品相比，它能消除多達20個分立無線電器件。這一無與倫比的集成度使得制造商能夠及時且經濟高效地創建復雜系統。

因此，基于AD9371收發器，工程師可以輕松實現復雜的系統設計。假設系統有32個發射信道和32個接收信道，則采用16個AD9371收發器即可實現。另外，挑選三個AD9528 時鐘發生器為系統提供PLL參考時鐘和JESD204B SYSREF。AD9528是一款雙級PLL，提供14路LVDS/HSTL輸出，集成JESD204B SYSREF發生器，可用于多器件同步。AD9528排列成扇出緩沖配置，其中一個用作主器件，它的一些輸出用于驅動時鐘輸入和從器件的SYSREF輸入。圖中包括一個可能的無源校準機制—如綠色和橙色部分所示—一個專用發射和接收信道通過分相器/合相器校準所有接收和發射信號路徑。

圖6：采用ADI公司AD9371收發器的32發32收Massive MIMO系統

ADI公司Claire Masterson總結道，Massive MIMO空間復用將成為蜂窩通信領域的革命性技術，其支持在高流量城市區域實現更高的蜂窩容量和效率。基站天線與用戶之間的信道具有互易性，故所有復雜的信號處理可以保留在基站進行，信道表征可以在上行鏈路中完成。ADI公司的RadioVerse系列集成收發器產品支持在小的空間中實現多通路的RF路徑，因此非常適合Massive MIMO應用。