基于服务器架构的5G NR物理层链路的设计与实现文献综述

 2022-09-26 05:09

  1. 文献综述（或调研报告）：

随着无线通信技术的发展，多输入多输出（MIMO）技术已经成熟并被应用在多个无线通信标准中[1]，例如4G LTE标准。在5G NR标准制定的过程中，研究重心之一是大规模多输入多输出（Massive MIMO）技术，该技术不仅能够实现更好的数据传输速率和链路稳定性，还能够提高频谱与能量利用效率。尽管大规模MIMO技术是公认的极具前景的无线传输技术，仍然需要搭建原型系统进行概念验证和实际条件下的性能测试。围绕这一需求，工业界和学术界已经搭建了许多不同架构的测试平台，其中绝大部分采用了类似LTE标准的OFDM参数。现有的大规模MIMO测试平台所使用的架构可粗略地分为以下三类：基于FPGA架构的测试平台、基于通用处理器等纯软件架构的测试平台及混合使用FPGA和通用处理器的测试平台。

基于FPGA架构的测试平台中较典型的是文献[2]~[4]给出的由瑞典隆德大学设计实现的大规模MIMO测试平台“LuMaMi”。该测试平台采用分层设计思想，共采用如下三层：（1）中央控制器：使用1台运行Windows 7操作系统的PC作为中央控制器，其上运行的LabVIEW程序主要用于为射频控制提供友善的图形界面，同时它还产生待发送的原始数据流（例如高清视频流），并通过计算比特错误率BER（或误差向量幅度EVM）测量连接质量；（2）分发器：使用3台18槽NI PXI机箱作为分发器，该机箱采用PCIe技术使得每个插槽在数据传输中具有高吞吐量的同时具有低延迟性，分发器并不对数据进行任何处理而仅将数据从中央控制器分发至各个软件定义无线电设备；（3）软件定义无线电设备：采用NI USRP-RIO 2943R软件定义无线电设备，每个设备含1块Xilinx Kintex-7 FPGA和两个全双工射频收发机，“LuMaMi”平台在基站端总共最高可支持50台USRP-RIO软件定义无线电设备。“LuMaMi”测试平台将信道估计、信道互易性校准、MIMO预编码等主要通信算法部署在USRP-RIO中的FPGA上，从而获得了稳健的实时性与较低的延时性。与“LuMaMi”测试平台类似的还有文献[5]中给出的分布式大规模MIMO测试平台，该平台为英国布里斯托大学在“LuMaMi”测试平台基础上进行改进而来，该平台将上述每个分发器和与其相连的软件定义无线电设备划分为独立的物理节点，每个节点与中央控制器采用PCIe总线进行短距连接或采用光纤网络进行长距连接，从而使基站的大型天线阵列分解成多个较容易部署的小型天线阵列，改善空间分集效果并在对特定站点环境进行天线优化配置时更加灵活。另一个相似的例子是文献[6]给出的韩国延世大学的2times;2 MIMO测试平台，该平台采用1台PXIe-8133实时控制器产生原始数据流，并将其输入PXIe-7965R FPGA板卡进行基带信号处理运算和数字自干扰消除运算，然后输入NI 5791R射频收发板卡，该板卡包括DAC/ADC、上/下变频、功放等完整的射频收发链路。

基于通用处理器等纯软件架构的测试平台中较典型的是文献[7]给出的美国田纳西科技大学的大规模MIMO测试平台，该测试平台可分为数据平面与控制平面，其中数据平面使用30台PC作为基带处理单元，每个基带处理单元通过以太网连接任意数量的NI USRP前端作为发射机或接收机；控制平面使用1台PC作为中央控制器，该中央控制器通过以太网和TCP协议与每个基带处理单元相连接，用于控制测量起始、配置参数等。另一个例子是文献[8]中给出的日本新潟大学的16times;4 MIMO测试平台，该平台使用PC运行MATLAB脚本来产生基于IEEE802.11ac的信号并进行IFFT运算，其结果通过DAC转换为模拟信号，并通过模拟器件进行I/Q调制、两次上变频并发送。该测试平台主要用于验证在同一篇文献中提出的模拟波束成形网络架构。

混合使用FPGA和通用处理器的测试平台中比较典型的是文献[9]中给出的美国莱斯大学的多天线测试平台“Argos”。该平台基于可编程无线平台架构WARPLab开发而来，使用运行MATLAB程序的PC作为中央控制器，中央控制器通过千兆以太网交换器连接至16个WARP板卡，每个WARP板卡包含1块Xilinx Virtex-II FPGA和4个射频收发链路。WARPLab允许结合使用MATLAB和FPGA以实现灵活且低延时的原型系统设计。另一个十分相似的例子是文献[10]~[11]中使用开源软件无线电项目OpenAirInterface开发的测试平台。OpenAirInterface为适用于安装了Linux内核操作系统的PC的开源4G LTE程序框架，可以与一些标准射频设备（例如NI/Ettus USRP，或者EURECOM推出的射频设备）结合使用，以快速实现一个可与4G LTE商业设备通信的实验平台。该平台射频设备使用了EURECOM推出ExpressMIMO2射频板卡，该板卡仅包含了廉价且处理能力较低的微控制器和FPGA，其绝大多数功能通过板载LTE射频专用集成电路芯片LMS6002D完成，使得整个测试平台带宽较小（中心频率2.6GHz时带宽为5MHz）且修改发射参数较为困难，目前OpenAirInterface开源项目的5G分支仍然在开发中。

终结上述各种架构的测试平台，不难发现：基于FPGA架构的测试平台得益于FPGA强大的并行处理能力，具有更强的扩展性（例如支持更高的天线数量和更宽的带宽）、支持更复杂的MIMO算法且具有较低的延时性，但是FPGA开发时间长、复杂性高、debug难度大，难以进行快速通信算法开发与验证；基于通用处理器的测试平台普遍使用Windows或Linux平台作为运算环境，这两个操作系统并不具有实时性，因此必须采用大量计算设备（例如文献[7]中使用30台PC作为基带处理单元）或采用较少天线数量，但是该两个操作系统具有成熟的集成编程与调试环境，其开发速度大大提高；采用现有的开源软件无线电框架无疑是快速且成熟的选择，但是WARPLab框架所需要的WARP板卡已经接近停产，而OpenAirInterface框架的5G分支尚在开发中。

参考文献：

  1. Fredrik Rusek, Daniel Persson, Buon Kiong Lau, et al. Scaling Up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays[J]. IEEE Signal Processing Magazine. 2013, 30(1):40-60.
  2. Steffen Malkowsky, Joatilde;o Vieira, Liang Liu, et al. The Worldrsquo;s First Real-Time Testbed for Massive MIMO: Design, Implementation, and Validation[J]. IEEE Access. 2017(5):9073-9088.
  3. Joao Vieira, Steffen Malkowsky, Karl Nieman, et al. A flexible 100-antenna testbed for Massive MIMO[J]. 2014 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps). 2014:287-293.
  4. Erik Luther. 5G大规模多入多出(MIMO)测试台：从理论到现实[EB/OL]. https://www.ni.com/white-paper/52382/zhs/.
  5. Paul Harris, Siming Zang, Andrew Nix, et al. A Distributed Massive MIMO Testbed to Assess Real-World Performance and Feasibility[J]. 2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring). 2015:1-2.
  6. Minkeun Chung, Min Soo Sim, Jaeweon Kim, et al. Prototyping real-time full duplex radios[J]. IEEE Communications Magazine. 2015, 53(9):56-63.
  7. Changchun Zhang, Robert C. Qiu. Massive MIMO testbed - Implementation and Initial Results in System Model Validation[J]. Computer Science, 2014.
  8. Shigeki Morisawa, Kentaro Nishimori, Fumiya Muramatsu, et al. Experimental testbed for massive MIMO at 2.4/5.1/19.5 GHz bands[J]. 2017 IEEE Conference on Antenna Measurements amp; Applications (CAMA). 2017:288-290.
  9. Clayton Shepard, Hang Yu, Narendra Anand1, et al. Argos: Practical Many-Antenna Base Stations[J]. International Conference on Mobile Computing amp; Networking. 2012.
  10. Xiwen Jiang, Florian Kaltenberger. Demo: an LTE compatible massive MIMO testbed based on OpenAirInterface[J]. WSA 2017; 21th International ITG Workshop on Smart Antennas. 2017:1-2.
  11. Florian Kaltenberger, Xiwen Jiang, Raymond Knopp. From massive MIMO to C-RAN: The OpenAirInterface 5G testbed[J]. 2017 51st Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers. 2017:608-612.

资料编号：[181126]

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