[论文解读] A Distributed Processing Architecture for Modular and Scalable Massive MIMO Base Stations

Erik Bertilsson, Oscar Gustafsson+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于大规模MIMO基站的分布式、模块化且可扩展的架构，采用处理节点的树形连接网络，每个节点负责一个或多个天线。通过将矩阵求逆操作卸载至中心单元，同时分布处理其余计算，实现了高效的共轭波束成形、零 forcing 和 MMSE 预编码。对时序和资源约束进行了严格分析，以支持在不同带宽和用户配置下的实时运行。

ABSTRACT

In this work, a scalable and modular architecture for massive MIMO base stations with distributed processing is proposed. New antennas can readily be added by adding a new node as each node handles all the additional involved processing. The architecture supports conjugate beamforming, zero-forcing, and MMSE, where for the two latter cases a central matrix inversion is required. The impact of the time required for this matrix inversion is carefully analyzed along with a generic frame format. As part of the contribution, careful computational, memory, and communication analyses are presented. It is shown that all computations can be mapped to a single computational structure and that a processing node consisting of a single such processing element can handle a broad range of bandwidths and number of terminals.

研究动机与目标

• 通过用分布式节点架构替代集中式处理，解决大规模MIMO基站设计中的可扩展性和模块化挑战。
• 克服现有集中式和分布式系统在实际帧格式下未能考虑时序约束和吞吐量需求的局限性。
• 通过添加新的处理节点实现天线数和用户数的无缝扩展，而无需重新设计核心系统。
• 确保确定性调度和最小的节点间通信，同时支持关键的线性预编码技术：共轭波束成形、零 forcing 和 MMSE。
• 分析计算、内存和通信需求，以验证在广泛系统配置下的可行性。

提出的方法

• 提出一种系统架构，包含用于矩阵求逆和网络层功能的中心控制单元（CCU），以及通过树形拓扑连接的可扩展分布式处理节点阵列。
• 将所有基带处理——信道估计、预编码和解码——映射到各个节点，每个节点包含一个处理单元（PE）和本地存储器。
• 使用包含导频符号的通用OFDM帧格式来建模时序约束，确保上行链路处理在下行链路传输前完成。
• 基于帧结构和时序需求，对节点操作进行确定性调度，确保关键路径（如矩阵求逆）不会限制系统吞吐量。
• 使用每秒操作数（OPS）分析计算负载，并推导出不同带宽和用户配置下的时钟频率和处理单元数量的边界。
• 通过高速串行链路建模节点间通信，最小化通信通道数量，实现波束成形和信道估计的可扩展数据交换。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计大规模MIMO基站，以支持在不进行系统级重新设计的情况下，模块化且可扩展地增加天线数量？
• RQ2 在大规模MIMO系统中，分布式处理共轭波束成形、零 forcing 和 MMSE 所需的计算、内存和通信资源是什么？
• RQ3 时序约束——尤其是CCU中矩阵求逆的延迟——如何影响分布式节点的处理能力需求？
• RQ4 单个节点中的一个处理单元是否能够支持广泛的系统配置（带宽、用户数），同时满足实时截止时间？
• RQ5 导频符号的位置和帧结构对分布式处理节点的调度和资源分配有何影响？

主要发现

• 一个运行在430.08 MHz的处理单元可支持最多30个用户和20 MHz带宽的LTE类似帧格式，且矩阵求逆时间保持在可接受范围内。
• 对于21个用户的系统，所需每秒操作数（OPS）为28，可通过一个860.16 MHz的PE或两个430.08 MHz的PE实现，展示了硬件扩展的灵活性。
• 将矩阵求逆时间减半可使所需OPS减少2，表明降低CCU延迟可直接减轻分布式节点的计算负担。
• 当采用二叉树拓扑时，该架构可支持最多4,194,303个天线（M = 2^22 - 1），其中跳数（N_hops）决定了最大可扩展规模。
• 设计空间探索表明，带宽加倍时，为保持可行性，需大致将同时用户数减半，假设FFT大小和子载波数呈线性增长。
• 该系统在广泛配置下均保持可行性，确定性调度和最小节点间通信使得低复杂度硬件也能实现实时运行。