[论文解读] Design and Implementation of a TDD-Based 128-Antenna Massive MIMO Prototyping System

Xi Yang, Wen‐Jun Lu+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 17被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种基于TDD的128端口大规模MIMO原型系统，带宽为20 MHz，可同时支持多达十二名单端口用户。通过软件定义无线电和时分双工技术，系统在使用256-QAM和十二名用户时实现了80.64 bit/s/Hz的峰值频谱效率，展示了实时上行链路视频流传输，并在八名用户使用QPSK调制时实现了268.8 Mbps的吞吐量，实现了下行波束成形。

ABSTRACT

Spurred by the dramatic mobile IP growth and the emerging Internet of Things (IoT) and cloud-based applications, wireless networking is witnessing a paradigm shift. By fully exploiting the spatial degrees of freedom, the massive multipleinput- multiple-output (MIMO) technology promises significant gains in both data rates and link reliability. This paper presents a time-division duplex (TDD)-based 128-antenna massive MIMO prototyping system designed to operate on a 20 MHz bandwidth. Up to twelve single-antenna users can be served by the designed system at the same time. System model is provided and link-level simulation corresponding to our practical TDDbased massive MIMO prototyping system is conducted to validate our design and performance of the algorithms. Based on the system hardware design demonstrated in this paper, both uplink real-time video and downlink data transmissions are realized, and the experiment results show that 268.8 Mbps rate was achieved for eight single-antenna users using QPSK modulation. The maximum spectral efficiency of the designed system will be 80.64 bit/s/Hz by twelve single-antenna users with 256-QAM modulation.

研究动机与目标

• 设计并实现一种可扩展的、基于TDD的实时大规模MIMO原型系统，用于128端口基站运行。
• 通过支持同时进行的多用户上行链路视频流传输和下行波束成形，验证大规模MIMO在实际硬件中的可行性。
• 研究硬件非理想性和信道互易性在校准过程中受干扰影响时对系统性能的影响。
• 在真实世界测试平台上通过灵活的调制方式和用户多复用技术，展示高频频谱效率。

提出的方法

• 系统采用时分双工（TDD）帧结构以利用信道互易性，通过上行导频获取的信道状态信息（CSI）实现下行波束成形。
• 采用软件定义无线电（SDR）平台进行基带处理和射频信号生成，采用模块化和分层架构以支持可扩展性和实时处理。
• 基于上行导频估计的CSI，实现线性预编码方案——最大比率传输（MRT）和迫零（ZF），以抑制多用户干扰。
• 应用互易性校准方法以校正由硬件引起的信道互易性损伤，校准系数在20 MHz带宽内的1200个子载波上进行估计。
• 硬件设计包括基站处的128元素均匀线性阵列（ULA），并支持在同一时频资源块内多达十二名单端口用户。
• 对物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）功能进行实时信号处理，通过高吞吐量数据总线管理大规模数据吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在基于TDD的实时SDR平台上实现一个完整的128端口大规模MIMO系统？
• RQ2 在具有多个单端口用户的实际大规模MIMO设置中，可实现的频谱效率和峰值数据速率是多少？
• RQ3 校准过程中硬件失配和干扰如何影响信道互易性及系统性能？
• RQ4 在大规模MIMO测试平台上，实时上行链路视频流传输和下行波束成形在多大程度上能够成功实现？

主要发现

• 在20 MHz带宽下，使用QPSK调制对八名单端口用户，系统实现了268.8 Mbps的峰值数据速率。
• 在使用256-QAM调制的十二名单端口用户情况下，实现了80.64 bit/s/Hz的最大频谱效率。
• 成功演示了下行链路传输，四名用户使用QPSK，一名用户使用16-QAM，频谱效率达到16.8 bit/s/Hz。
• 由于干扰或参考天线选择不理想导致互易性校准失败，下行链路出现高用户间干扰，数据恢复失败。
• 准确的互易性校准系数在1200个子载波上保持稳定，表明校准过程中波形优化具有潜力。
• 天线阵列的几何结构显著影响校准精度，尤其当参考天线靠近阵列边缘时。