布里斯托大學與隆德大學和 NI 合作,透過大規模 MIMO 創下 5G 無線頻譜效率的世界記錄

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"透過 NI MIMO 原型驗證系統,我們就能透過整合式軟硬體平台減少開發過程中所面臨的一些困難。"

- Paul Harris, University of Bristol

The Challenge:
Cisco 預估,到 2020 年止,全球將有 55 億人擁有自己的行動電話。 光是在英國本地,就有數以千萬計的行動網路使用者,平均每人每月就用掉了 20 GB 的數據流量,而他們應用在每日例行公事上的智慧裝置種類,更多達 25 種以上。 當我們將 4K 視訊、無人駕駛車輛、智慧型工廠,甚至對地球上最偏遠之地提供寬頻存取服務等因素,納入對資料需求若渴的應用考量中時,不難想像今日的無線網路根本無法因應即將來臨的「超級互聯」(hyper-connected) 未來世界。

The Solution:
為了因應大眾對更高的資料傳輸率、更寬廣的網路能力、更優越的穩定性等前所未見的要求,布里斯托大學與隆德大學的研究人員開始利用 NI 多重輸入/輸出 (MIMO) 原型驗證系統,加快創新腳步並打造更先進的 5G 行動網路,透過大規模 MIMO 技術來打造全新的無線通訊未來。 該團隊已成功證明,這項技術在頻寬效率上比現行的 4G 行動技術高出 20 倍,為佈署 6 GHz 以下 5G 頻帶開啟了創記錄的全新可能性。

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

利用數量倍增優勢進行創新開發

要完全啟動 5G 網路的潛在優勢,首先必須了解大規模 MIMO 有哪些優點。 大規模 MIMO 的基地台運用大量天線 (64 支以上),在廣大的空間裡進行多工處理。 因此,我們可以在人口密集區域裡服務更多使用者,完全不用擔心會耗用更多的無線電頻譜或造成干擾。 換句話說,大規模 MIMO 可降低行動電話的通話中斷率、大幅減少通訊死角,同時提高數據傳輸品質,卻不用在日漸稀少的無線電頻譜裡爭搶有限的通訊資源。

更棒的是,相較於現行 LTE (4G) 網路,大規模 MIMO 可以確保降低成本並提升能源效率,同時藉由天線數量增加所獲得的冗餘功能,讓穩定性更上層樓。

 

創記錄的即時研究成果

來自布里斯托大學與隆德大學的研究團隊開始測試大規模 MIMO 的可行性,以了解其是否真能為未來 5G 網路提升 10 倍以上的效能。 他們為此尋求 NI 的協助,並取得規模龐大的 MIMO 原型驗證系統、彈性的軟體定義無線電硬體與可設定的開放式 LabVIEW 軟體,另加上 NI 先進無線研究小組的專業支援。

在 NI MIMO 原型驗證系統的協助下,該團隊得以專注地將大規模 MIMO 的原理實際應用到各種現實環境中,並能快速地驗證各項嶄新理論。該團隊也藉此達成目標,成功地即時展示這款包含 128 支天線的即時大規模 MIMO 測試台,成為全球首例。 憑藉這款最先進的測試台,該團隊在頻譜效率上連續兩次創下世界記錄。 在有 12 名使用者同時使用的 20 MHz 頻寬、全雙向、即時的 3.5 GHz 無線連結基礎上,該團隊獲得超過 79 b/s/Hz 的頻譜效率。 該團隊隨後便擴充該系統,讓 22 名使用者得以同時共用相同的時間頻率資源,並取得超過 145 b/s/Hz 的頻譜效率。

 

圖 1. 布里斯托大學 (University of Bristol) 與隆德大學 (Lund University) 實作了全球第一款 128 支天線的大規模即時 MIMO 測試台,在無線頻譜效率上連續兩次創下世界記錄。

 

技術

NI MIMO 原型驗證系統結合了 NI 商用現貨 (COTS) 硬體與 LabVIEW 軟體。 此平台可為高傳輸量、高容量、低潛時系統提供扎實基礎。 雖然該團隊在系統中整合了近 100 種不同硬體,但卻能在單一軟體架構下開發出完整應用程式。 這種模組化方式、緊密的軟硬體整合與 LabVIEW 內建的即時 FPGA IP,可在比預期更短的時間內為該團隊提供符合所需的解決方案,並確保平台日後的變更將符合成本與時間效益。

 

圖 2. NI MIMO 原型驗證系統是一款基於 USRP RIO 軟體定義無線電與 PXI 硬體的模組化系統,便於您進行各式各樣的天線組態。

 

圖 3. 憑藉著 NI MIMO 應用架構的開放性軟體參考與即時 FPGA IP 架構,布里斯托大學 (University of Bristol) 與隆德大學 (Lund University) 的團隊得以著手進行開發工作。

 

後續發展狀況

在布里斯托大學及布里斯托市議會 (Bristol City Council) 共同進行的「Bristol is Open」聯合投資案中,布里斯托大學的研究團隊打算將其大規模 MIMO 測試台佈署在市內建築的屋頂上,並連接到所屬的光纖網路;藉著這項佈署,該團隊就能夠進一步研究這項技術對社會整體帶來的實質影響。 最後,研究團隊將該系統分為四組子系統,每組各有 32 支天線,並使用光纖網路來實作分散各地的大規模 MIMO 組態。 如此一來,網路服務業者就能為所有人打造更優質的通訊方式。

隆德大學 (Lund University) 也即將運用自家的 NI 大規模 MIMO 測試台,針對戶外情境、頻道特性參數描述與加速器 IP 設計等更接近實際生活佈署的條件進行相關量測。

此外,布里斯托與隆德大學將繼續在後續活動中攜手合作。 隆德大學將帶領布里斯托大學團隊針對行動使用者需求進行一系列戶外量測試驗,進一步調查移動性對於大規模 MIMO 的影響。

 

圖 4. Paul Harris 與 Steffen Malkowsky 在布里斯托大學 (University of Bristol) 的無回音室,針對 128 支天線陣列進行測試。

 

團隊介紹

布里斯托大學的通訊系統暨網路 (CSN) 小組於 1985 年正式成軍,目的是為因應固網與無線網路通訊區塊的研究需求。 小組不但具備扎實的學術研究基礎,更有厚實的工業應用背景, 在設備齊全的實驗室內,有最先進的測試與量測設備,以及一流的運算設施。

布里斯托大學團隊:Mark Beach、Andrew Nix、Paul Harris、Siming Zhang、Henry Brice、Wael Boukley Hasan 與 Benny Chitambira

隆德大學朝著世界一流學府的方向邁進,致力於了解、詮釋並改善這個世界與人類的處境。 隆德大學電機暨資科系 (EIT) 的研究領域包羅萬象,從類比與數位技術,乃至於通訊系統設計應有盡有,更是大規模 MIMO (MaMi) 的研究重鎮。研究範圍包括 MaMi 理論、頻道量測與特性參數描述,以及加速器 IP 設計。

隆德大學團隊:Fredrik Tufvesson、Ove Edfors、Liang Liu、Steffen Malkowsky、Joao Vieira、Zachary Miers、Hemanth Prabhu、Erik Bengtsson、Xiang Gao 與 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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