不久前，調(diào)研機(jī)構(gòu)Juniper Research發(fā)布了一項(xiàng)新的研究報(bào)告《5G市場戰(zhàn)略：消費(fèi)者&企業(yè)的機(jī)遇及預(yù)測(2018-2025)》，其樂觀地預(yù)測——運(yùn)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(dá)163%。盡管5G前景可期，但對運(yùn)營商而言，5G網(wǎng)絡(luò)的組建仍存在一定挑戰(zhàn)。比如5G通信對高速移動(dòng)數(shù)據(jù)的需求呈現(xiàn)指數(shù)級增長，而城市環(huán)境下可用RF頻譜趨于飽和，因此提升基站收發(fā)數(shù)據(jù)的頻譜利用率尤為關(guān)鍵。

Massive MIMO(大規(guī)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(shí)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(shí)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(lǐng)先的高性能信號處理解決方案供應(yīng)商，其一流的RadioVerseTM技術(shù)，易于簡化集成運(yùn)營商級的片上系統(tǒng)無線電方案，為Massive MIMO及5G網(wǎng)絡(luò)的搭建提供了途徑。

Massive MIMO究竟為何物？

Massive MIMO在實(shí)際系統(tǒng)中，天線與用戶終端—以及相反過程—之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過了周圍環(huán)境的濾波。信號可能會(huì)被建筑物和其他障礙物反射，這些反射會(huì)有相關(guān)的延遲、衰減和抵達(dá)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(jià)值。

圖1：天線陣列和用戶之間的多路徑環(huán)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(xiàn)中一般將這種響應(yīng)稱為信道狀態(tài)信息(CSI)。此CSI實(shí)質(zhì)上是各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數(shù)的集合。用一個(gè)矩陣(H)來收集此空間信息，CSI用于數(shù)字化編碼和解碼天線陣列所收發(fā)的數(shù)據(jù)。

圖2：表征Massive MIMO系統(tǒng)需要信道狀態(tài)信息

對此，ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程師Claire Masterson在公開資料中給出了有趣的類比：一個(gè)氣球在某個(gè)位置被戳破了，發(fā)出"啪"的一聲，在另一個(gè)位置記錄此聲音或脈沖。在麥克風(fēng)位置記錄的聲音是一個(gè)空間脈沖響應(yīng)，其包含的信息是周圍環(huán)境中氣球和麥克風(fēng)在該特定位置所獨(dú)有的。與直接路徑相比，被障礙物反射的聲音會(huì)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(shí)，RF領(lǐng)域往往利用導(dǎo)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(gè)方向是相同的。這與系統(tǒng)工作在時(shí)分復(fù)用(TDD)模式還是頻分復(fù)用(FDD)模式有關(guān)。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(shè)意味著只需要在一個(gè)方向上表征信道即可，上行鏈路信道是顯而易見的選擇，因?yàn)橹恍枰獙⒁粋€(gè)導(dǎo)頻信號從用戶終端發(fā)送，并由所有天線元件接收。信道估計(jì)的復(fù)雜度與用戶終端數(shù)成比例，而非與陣列中的天線數(shù)成正比。

ADI公司Claire Masterson特別指出：“因?yàn)橛脩艚K端可能在移動(dòng)，故信道估計(jì)需要頻繁進(jìn)行。基于上行鏈路表征還有一個(gè)重要優(yōu)勢，所有繁重的信道估計(jì)和信號處理任務(wù)皆在基站完成，而非在用戶端完成。”

圖4：每個(gè)用戶終端發(fā)射正交導(dǎo)頻符號

這意味著，濾波基于CSI而設(shè)計(jì)，并對天線陣列傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，使得多路徑信號會(huì)在用戶終端位置相干疊加。這種濾波進(jìn)一步用來線性組合天線陣列RF路徑收到的數(shù)據(jù)，從而檢測來自不同用戶的數(shù)據(jù)流。

信道、RF路徑、鏈路差異……Massive MIMO落地有挑戰(zhàn)

在現(xiàn)實(shí)場景中實(shí)現(xiàn)massive MIMO時(shí)，還有其他實(shí)際問題需要考慮。舉個(gè)例子，假設(shè)一個(gè)天線陣列有32個(gè)發(fā)射(Tx)信道和32個(gè)接收(Rx)信道，工作在3.5 GHz頻段。那么需要放置64個(gè)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(gè)很小的空間中。它還意味著會(huì)耗散大量功率，不可避免會(huì)帶來溫度問題。ADI RadioVerse系列集成式收發(fā)器解決方案，擁有行業(yè)最佳的超低功耗表現(xiàn)，可代替多達(dá)20個(gè)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(shí)際上，通信系統(tǒng)的下行鏈路信道通常分為三個(gè)部分：空中信道(H)、基站發(fā)射RF路徑的硬件響應(yīng)(TBS)和用戶接收RF路徑的硬件響應(yīng)(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(fā)射硬件RF路徑。互易性假設(shè)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(guān)的相位漂移，RF信號鏈會(huì)給系統(tǒng)帶來誤差。

圖5：實(shí)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(shí)鐘，并對基帶數(shù)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(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，RF路徑之間仍會(huì)有通道間的相位失配，由溫度引起的相位漂移會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大此問題。因此很顯然，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)需要初始化校準(zhǔn)，此后運(yùn)行中需要周期性校準(zhǔn)。通過校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)互易性優(yōu)勢，使信號處理復(fù)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(wǎng)的關(guān)鍵硬件，你需要一顆高性能RF收發(fā)器！

綜上所說，不難發(fā)現(xiàn)ADI公司的集成收發(fā)器產(chǎn)品系列十分適合需要高密度RF信號鏈的應(yīng)用。以屢獲殊榮的集成式寬帶RF收發(fā)器AD9371為例，其擁有2個(gè)發(fā)射路徑、2個(gè)接收路徑和一個(gè)觀測接收機(jī)，頻率范圍為300 MHz到6 GHz，主要接收通道的帶寬高達(dá)100 MHz，發(fā)射和觀測通道的帶寬高達(dá)250 MHz，并有3個(gè)小數(shù)N分頻PLL用于RF LO生成，采用12 mm×12 mm封裝。AD9371在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下的功耗不到5 W；與其他商用產(chǎn)品相比，它能消除多達(dá)20個(gè)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(shí)且經(jīng)濟(jì)高效地創(chuàng)建復(fù)雜系統(tǒng)。

因此，基于AD9371收發(fā)器，工程師可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。假設(shè)系統(tǒng)有32個(gè)發(fā)射信道和32個(gè)接收信道，則采用16個(gè)AD9371收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)。另外，挑選三個(gè)AD9528 時(shí)鐘發(fā)生器為系統(tǒng)提供PLL參考時(shí)鐘和JESD204B SYSREF。AD9528是一款雙級PLL，提供14路LVDS/HSTL輸出，集成JESD204B SYSREF發(fā)生器，可用于多器件同步。AD9528排列成扇出緩沖配置，其中一個(gè)用作主器件，它的一些輸出用于驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘輸入和從器件的SYSREF輸入。圖中包括一個(gè)可能的無源校準(zhǔn)機(jī)制—如綠色和橙色部分所示—一個(gè)專用發(fā)射和接收信道通過分相器/合相器校準(zhǔn)所有接收和發(fā)射信號路徑。

圖6：采用ADI公司AD9371收發(fā)器的32發(fā)32收Massive MIMO系統(tǒng)

ADI公司Claire Masterson總結(jié)道，Massive MIMO空間復(fù)用將成為蜂窩通信領(lǐng)域的革命性技術(shù)，其支持在高流量城市區(qū)域?qū)崿F(xiàn)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(fù)雜的信號處理可以保留在基站進(jìn)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(fā)器產(chǎn)品支持在小的空間中實(shí)現(xiàn)多通路的RF路徑，因此非常適合Massive MIMO應(yīng)用。