布里斯托尔大学和隆德大学与NI携手合作,使用大规模MIMO创造5G无线频谱效率的世界纪录

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"NI MIMO原型系统提供了一个集成的硬件和软件平台,帮助我们解决开发过程中的一些难点。"

- Paul Harris, University of Bristol

The Challenge:
思科预测到2020年将会有55亿人拥有移动电话。 仅在英国就已经有数千万移动用户,每个月消耗20 GB的数据流量,而且日常生活中使用的智能设备超过25台。 4K视频、无人驾驶车辆、智能工厂以及宽带接入等需要消耗大量数据的应用正在不断覆盖到地球上大部分偏远地区,因此当今的无线网络无法应对迅速到来的超连接未来也是无可厚非的。

The Solution:
为了满足不断增长的数据速率、更高的网络容量和可靠性需求,布里斯托尔大学和隆德大学的工程师和研究人员正在使用NI多输入多输出(MIMO)原型系统,通过大规模MIMO技术来实现快速创新,推动5G手机网络的研究进程,变革无线通信的未来。 该团队已经成功演示了比当前4G蜂窝技术高出20倍的带宽效率,这创造了新的世界纪录,开辟了低于6 GHz频段的5G部署可能性。

Author(s):
Paul Harris - University of Bristol
Steffen Malkowsky - Lund University

通过乘法创新

了解大规模MIMO的优势,释放5G网络的无限潜能。 大规模MIMO通过在基站使用大量天线(超过64根)来实现空间复用。 这意味着我们可以在密集的区域服务更多的用户,而不需要消耗更多的无线电频谱或产生干扰。 换句话说,大规模MIMO可减少电话掉线,大幅减少死区范围,提高数据传输质量,而且不会给日益稀有的无线电频谱带来挑战。

此外,与当前的LTE (4G)网络相比,大规模MIMO有望降低成本和提高能源效率,同时通过天线数量的增加提供更高的可靠性。

 

创纪录的实时研究

布里斯托尔和隆德团队的目标是测试大规模MIMO这一技术可为未来5G网络带来10倍以上网络容量提升的可行性。他们采用了可扩展的NI MIMO原型开发平台,该平台具有灵活的软件无线电硬件和开放式可重配置LabVIEW软件,同时还可获得NI先进无线研究小组的专业技术支持。

借助NI MIMO原型系统,该团队可以将大规模MIMO的理论原理应用到真实环境中,并能够快速测试其新思路,现场成功演示了世界上第一个128天线实时大规模MIMO测试平台。借助这一尖端的测试平台,该团队已经连续创造了两个频谱效率的世界纪录。他们在20 MHz带宽,全双工的实时无线链路中,在3.5 GHz频率下12个用户同时使用的情况下实现了超过79 b/s/Hz的频谱效率。之后不久,该团队对系统进行了扩展,在共享相同时间-频率资源的用户人数增加到22人的条件下实现超过145 b/s/Hz的频谱效率

 

图1. 布里斯托尔大学和隆德大学实现了世界上第一个128天线实时大规模MIMO测试平台,连续创造了两个无线频谱效率的世界纪录。

 

技术

NI MIMO原型系统结合了LabVIEW软件和NI商用现成硬件。该平台为开发高吞吐量、高容量、低延迟系统提供了一个坚实的基础。虽然该团队集成了近100个不同的硬件,但仍可在一个统一的软件框架内无缝开发整个应用。模块化方法、紧密的软件/硬件集成以及LabVIEW中内置的实时FPGA IP为该团队提供了所需的解决方案,他们比预期更快速完成开发,而且未来能够以较低的成本快速实现平台的变化。

 

图2. NI MIMO原型平台是一个基于USRP RIO软件无线电和PXI硬件的模块化系统,可实现各种天线配置。

 

图3. NI MIMO应用程序框架的开放式软件参考架构和实时FPGA IP为布里斯托尔和隆德大学团队的开发工作提供了良好的基础。

 

下一步计划

布里斯托尔大学和布里斯托尔市议会之间开展了一个名为Bristol is Open的合作项目。布里斯托尔团队计划在市区范围内的屋顶上部署其大规模MIMO测试平台,并将其连接到光纤网络,以便进一步研究这种技术对社会的实际影响。最终,布里斯托尔大学将该系统拆分成4个32天线子系统,利用光纤网络来实现分布式大规模MIMO配置。这一成果帮助网络运营商建立了更好的通信方法。

隆德大学很快就开始在针对其需求定制的NI大规模MIMO测试平台上,在各种实际的部署环境中进行室外测量、信道特性分析以及加速器IP设计。

而且,布里斯托尔和隆德大学将继续在未来的项目上合作。隆德大学将帮助布里斯托尔团队进行室外移动用户测量试验,以进一步研究移动性对大规模MIMO的影响。

 

图4. Paul Harris和Steffen Malkowsky在布里斯托尔大学的消声室里测试其128天线阵列。

 

关于该团队

英国布里斯托尔大学的通信系统与网络(CSN)小组成立于1985年,旨在解决固定和无线通信领域的研究需求。该小组结合基本的学术研究和强大的工业应用,拥有配备最先进测试和测量设备和一流计算设施的实验室。

布里斯托尔大学团队: Mark Beach, Andrew Nix, Paul Harris, Siming Zhang, Henry Brice, Wael Boukley Hasan, and Benny Chitambira

隆德大学致力于成为一所世界一流的大学,专注于理解、解释以及改善人类世界和生存条件。隆德大学的电气工程和信息学院(EIT)涵盖了模拟和数字以及通信系统设计领域的诸多研究应用,在MaMi理论、信道测量和特性分析以及加速器IP设计等大规模MIMO (MaMi)研究领域处于最前沿地位。

隆德大学团队: Fredrik Tufvesson, Ove Edfors, Liang Liu, Steffen Malkowsky, Joao Vieira, Zachary Miers, Hemanth Prabhu, Erik Bengtsson, Xiang Gao, and Dimitrios Viastaras

Author Information:
Paul Harris
University of Bristol
CSN Group, University of Bristol, Woodland Road
Bristol BS8 1UB
United Kingdom
paul.harris@bristol.ac.uk

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