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

- Paul Harris, University of Bristol

挑戰:

思科預測到2020年將會有55億人擁有移動電話。僅在英國就已經有數千萬移動用戶，每個月消耗20 GB的數據流量，而且日常生活中使用的智能設備超過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據的應用正在不斷覆蓋到地球上大部分偏遠地區，因此當今的無線網絡無法應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據速率、更高的網絡容量和可靠性需求，布里斯托爾大學和隆德大學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，通過大規模MIMO技術來實現快速創新，推動5G手機網絡的研究進程，變革無線通信的未來。 該團隊已經成功演示了比當前4G蜂窩技術高出20倍的帶寬效率，這創造了新的世界紀錄，開辟了低于6 GHz頻段的5G部署可能性。

通過乘法創新

了解大規模MIMO的優勢，釋放5G網絡的無限潛能。大規模MIMO通過在基站使用大量天線（超過64根）來實現空間復用。 這意味著我們可以在密集的區域服務更多的用戶，而不需要消耗更多的無線電頻譜或產生干擾。 換句話說，大規模MIMO可減少電話掉線，大幅減少死區范圍，提高數據傳輸質量，而且不會給日益稀有的無線電頻譜帶來挑戰。

此外，與當前的LTE (4G)網絡相比，大規模MIMO有望降低成本和提高能源效率，同時通過天線數量的增加提供更高的可靠性。

創紀錄的實時研究

布里斯托爾和隆德團隊的目標是測試大規模MIMO這一技術可為未來5G網絡帶來10倍以上網絡容量提升的可行性。他們采用了可擴展的NI MIMO原型開發平臺，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先進無線研究小組的專業技術支持。

借助NI MIMO原型系統，該團隊可以將大規模MIMO的理論原理應用到真實環境中，并能夠快速測試其新思路，現場成功演示了世界上第一個128天線實時大規模MIMO測試平臺。借助這一尖端的測試平臺，該團隊已經連續創造了兩個頻譜效率的世界紀錄。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了超過79 b/s/Hz的頻譜效率。之后不久，該團隊對系統進行了擴展，在共享相同時間-頻率資源的用戶人數增加到22人的條件下實現超過145 b/s/Hz的頻譜效率。

圖1、布里斯托爾大學和隆德大學實現了世界上第一個128天線實時大規模MIMO測試平臺，連續創造了兩個無線頻譜效率的世界紀錄。

技術

NI MIMO原型系統結合了LabVIEW軟件和NI商用現成硬件。該平臺為開發高吞吐量、高容量、低延遲系統提供了一個堅實的基礎。雖然該團隊集成了近100個不同的硬件，但仍可在一個統一的軟件框架內無縫開發整個應用。模塊化方法、緊密的軟件/硬件集成以及LabVIEW中內置的實時FPGA IP為該團隊提供了所需的解決方案，他們比預期更快速完成開發，而且未來能夠以較低的成本快速實現平臺的變化。

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，可實現各種天線配置。

圖3、NI MIMO應用程序框架的開放式軟件參考架構和實時FPGA IP為布里斯托爾和隆德大學團隊的開發工作提供了良好的基礎。

下一步計劃

布里斯托爾大學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。布里斯托爾團隊計劃在市區范圍內的屋頂上部署其大規模MIMO測試平臺，并將其連接到光纖網絡，以便進一步研究這種技術對社會的實際影響。最終，布里斯托爾大學將該系統拆分成4個32天線子系統，利用光纖網絡來實現分布式大規模MIMO配置。這一成果幫助網絡運營商建立了更好的通信方法。

隆德大學很快就開始在針對其需求定制的NI大規模MIMO測試平臺上，在各種實際的部署環境中進行室外測量、信道特性分析以及加速器IP設計。

而且，布里斯托爾和隆德大學將繼續在未來的項目上合作。隆德大學將幫助布里斯托爾團隊進行室外移動用戶測量試驗，以進一步研究移動性對大規模MIMO的影響。

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

關于該團隊

英國布里斯托爾大學的通信系統與網絡(CSN)小組成立于1985年，旨在解決固定和無線通信領域的研究需求。該小組結合基本的學術研究和強大的工業應用，擁有配備最先進測試和測量設備和一流計算設施的實驗室。

布里斯托爾大學團隊：Mark Beach, Andrew Nix, Paul Harris, Siming Zhang, Henry Brice, Wael Boukley Hasan, and Benny Chitambira

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

隆德大學團隊：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