5G再創(chuàng)新高：MIMO并行信道采集平臺(tái)面世

 信道是無線通信的基礎(chǔ)，對信道的理解越深，所做的編碼、調(diào)制的效率就越高，會(huì)越逼近香農(nóng)定理的理論線，而多通道的通信制式使信道變得十分復(fù)雜。8通道以上的MIMO技術(shù)對提高頻譜利用率有非常明顯的效果，將是5G規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。目前規(guī)劃做10類場景的測試，未來會(huì)向20多類場景的測試，包括商場、機(jī)場、大型體育場館、開放式的大的廣場和沙灘，還有高鐵在時(shí)速200公里到300公里高速移動(dòng)中的信道。

通過3G、4G的不斷突破，在5G研究上，中國的整體實(shí)力大大增強(qiáng)。日前，記者在上海舉辦的“第三屆中國信息通信測試技術(shù)大會(huì)”上，見到了業(yè)界第一個(gè)正式推出的MIMO并行信道采集與信道仿真平臺(tái)(目前實(shí)現(xiàn)八通道)，借助這個(gè)平臺(tái)，業(yè)界能夠?qū)?G關(guān)鍵技術(shù)MIMO的認(rèn)識(shí)提升到新的水平。帶著對MIMO并行信道采集平臺(tái)研發(fā)難度、作用和目的以及下一步利用計(jì)劃的好奇，記者專訪了研制這一平臺(tái)的上海無線通信研究中心主任楊旸。

為何做并行八通道信道平臺(tái)

業(yè)界對多通道技術(shù)(MIMO)已經(jīng)形成基本共識(shí)，與以前大規(guī)模應(yīng)用的單通道、雙通道相比，8通道以上的MIMO技術(shù)對提高頻譜利用率有非常明顯的效果，將是5G規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

業(yè)界也在紛紛推出相關(guān)設(shè)備，例如中興已經(jīng)推出64天線的MIMO設(shè)備，并積極推動(dòng)這種MIMO設(shè)備進(jìn)入中國移動(dòng)的4G+網(wǎng)絡(luò);中國移動(dòng)總裁李躍也在6月底的世界移動(dòng)大會(huì)•上海展上表示，要在4G網(wǎng)絡(luò)中加快引入像3D-MIMO這樣的5G技術(shù);今年4月份，大唐電信推出的256天線陣列設(shè)備，將MIMO技術(shù)推向新的高度。但與此同時(shí)，MIMO的信道模型建立都是通過單通道的仿真模擬出來的，多通道并行時(shí)真實(shí)的信道情況，還沒有實(shí)測過。

“信道是無線通信的基礎(chǔ)，對信道的理解越深，所做的編碼、調(diào)制的效率就越高，會(huì)越逼近香農(nóng)定理的理論線，而多通道的通信制式使信道變得十分復(fù)雜。”楊旸說，“5G研究中規(guī)定了許多新的場景，包括高速移動(dòng)的高鐵、地鐵，大型體育場館以及人流密集的集會(huì)場所等，這些場景復(fù)雜、具備挑戰(zhàn)性，需要用MIMO支撐可靠的通信，而對多通道信道的理解如果只是通過理論推導(dǎo)而沒有實(shí)測數(shù)據(jù)，是無法走向真正商用的，因?yàn)榻K端或者基站設(shè)備要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)測驗(yàn)證之后，我們對多通道通信信道的理解將提升到新的高度，也才能有信心推到商用中。”

平臺(tái)搭建中遇到四個(gè)挑戰(zhàn)

為什么這個(gè)并行八通道的信道測試平臺(tái)前后經(jīng)歷了兩年時(shí)間才推出?楊旸告訴記者，該平臺(tái)是通過將8個(gè)單通道集成后實(shí)現(xiàn)的，在這兩年中，他們主要解決了四個(gè)挑戰(zhàn)。

一是多通道校準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。與單通道不同，如何保持多通道中每個(gè)通道的一致性是業(yè)界碰到的共同難題。哪怕是同一家公司生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，八個(gè)通道之間由于硬件的微小差異，常常導(dǎo)致不同信道的差別，只有將硬件差別產(chǎn)生的信道區(qū)別提前剔除，得到的數(shù)據(jù)才會(huì)是空間信道的數(shù)據(jù)，所以多通道的校準(zhǔn)是第一個(gè)挑戰(zhàn)。

二是8通道“接收”、“發(fā)射”兩端同步的挑戰(zhàn)。測試中要保證所有的信號要同時(shí)發(fā)出，在接收端是同時(shí)收到。因?yàn)樘炀€之間的距離是厘米級的，信號傳到的時(shí)間差在100皮秒以內(nèi)。所以只有同步精度低于100皮秒，才能區(qū)分出同樣一個(gè)信號到達(dá)不同天線的時(shí)間，同步精度要求非常高。“我們利用高精度的銣鐘時(shí)鐘系統(tǒng)加上自己的同步算法，把精度做到了30皮秒。”楊旸說，“一般在光通信里需要做到皮秒，在無線通信里只要做到毫秒級就可以了。”

三是測試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)。8通道有8個(gè)發(fā)射端和8個(gè)接收端，每個(gè)發(fā)射端對8個(gè)接收端，形成矩陣式的收發(fā)，實(shí)測中會(huì)產(chǎn)生64路數(shù)據(jù)。因此64路數(shù)據(jù)的同時(shí)存儲(chǔ)和運(yùn)算量非常大。“我們采用了計(jì)算機(jī)的一個(gè)ZERO COPY的技術(shù)，就是零拷貝技術(shù)，節(jié)約了存儲(chǔ)時(shí)間，數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地不經(jīng)過壓縮地現(xiàn)場存儲(chǔ)，這個(gè)數(shù)據(jù)流盤技術(shù)保證現(xiàn)場測出來的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)完整地保存。”楊旸認(rèn)為這很重要，“把數(shù)據(jù)完整地保存下來，這就像拍一張高精度的照片一樣，照片的精度越高，能夠看清的環(huán)境細(xì)節(jié)越多，我們對信道的理解就會(huì)越深。”

四是矩陣運(yùn)算的挑戰(zhàn)。因?yàn)閺膯瓮ǖ赖?×1變成8通道的8×8，矩陣數(shù)據(jù)使運(yùn)算量大幅飚升，所以需要一個(gè)并行的后處理軟件。“我們與同濟(jì)大學(xué)尹學(xué)峰老師共同開發(fā)，把SAGE算法拓展到并行，從原來針對一路，拓展到針對8路，這樣才能把信道之間的相關(guān)性，以及矩陣中隱含的相關(guān)信息提取出來，這比原來單通道測試復(fù)雜，也比原來對多通道系統(tǒng)的理解更深刻。”楊旸認(rèn)為，就是因?yàn)閷?xì)節(jié)的把握和分析更準(zhǔn)確，業(yè)界可以把多通道的這些優(yōu)勢利用起來，做得更準(zhǔn)確。

完成多場景測試，開放共享數(shù)據(jù)

目前設(shè)備商MIMO產(chǎn)品原型已經(jīng)紛紛推出，但在信道建模上一直存在瓶頸，每個(gè)廠家也用不同的方法驗(yàn)證自己的技術(shù)，但還沒有人把產(chǎn)品放在真正的環(huán)境下做充分驗(yàn)證。楊旸告訴記者，他計(jì)劃將測量的數(shù)據(jù)向研究界開放，一方面是回饋整個(gè)研究界的支持，二是希望他們對這些數(shù)據(jù)有更多要求和反饋，以便更多地為他們服務(wù)。因?yàn)橹挥袑?shù)據(jù)有更多的要求，數(shù)據(jù)才越有價(jià)值。而且現(xiàn)在只是有了不同場景的測量數(shù)據(jù)，但在信道建模以及信道對各種設(shè)備和終端的影響研究上，還要借助國內(nèi)更有優(yōu)勢的企業(yè)一起推進(jìn)。

“非常好的事情是已經(jīng)有產(chǎn)品原型，接下來要進(jìn)入痛苦的驗(yàn)證、迭代和修正的過程，我們這個(gè)平臺(tái)可以把原來企業(yè)需要費(fèi)時(shí)費(fèi)力在不同場景下做測試，再到實(shí)驗(yàn)室修改的流程簡化了。”楊旸說，“因?yàn)槲覀儠?huì)把已經(jīng)測好的各種場景的數(shù)據(jù)搬回到你的實(shí)驗(yàn)室，使企業(yè)的迭代和驗(yàn)證更加有效率，而那種在測試中發(fā)現(xiàn)問題再撤回設(shè)備的代價(jià)是非常高的，測試在產(chǎn)業(yè)成熟的過程中發(fā)揮重要作用，誰把問題解決在售前，誰今后的麻煩就越小，對產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)越大。”

據(jù)介紹，目前規(guī)劃做10類場景的測試，未來會(huì)向20多類場景的測試，包括商場、機(jī)場、大型體育場館、開放式的大的廣場和沙灘，還有高鐵在時(shí)速200公里到300公里高速移動(dòng)中的信道。還將進(jìn)一步測天氣變化對信道的影響，比如說雨天、晴天等。這些數(shù)據(jù)可以讓科研人員足不出戶，就可以把戶外的各種數(shù)據(jù)拿到，相當(dāng)于已經(jīng)做了外場測試，實(shí)現(xiàn)“室外測試室內(nèi)化”。“我們把室外測試的真實(shí)場景搬回到實(shí)驗(yàn)室中，可以回放數(shù)據(jù)，這與你拿著設(shè)備和終端在現(xiàn)場走一遍基本是一樣的。”楊旸說，“如果在路測中發(fā)現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，研究人員可以不斷地回放來研究這個(gè)錯(cuò)誤的核心原因。”

推動(dòng)向高頻和更多通道發(fā)展

MIMO并行信道采集與信道仿真平臺(tái)現(xiàn)在用的頻段在6GHz以下，也是我國5G技術(shù)研究測試當(dāng)前的主力頻段，楊旸表示希望能夠把這個(gè)平臺(tái)測試的數(shù)據(jù)和模型推進(jìn)到5G技術(shù)研究測試中。

未來這個(gè)平臺(tái)還會(huì)向更多通道和更高頻段拓展。楊旸稱，下一步我們希望把8通道測試拓展到64通道，但目前工作還在做，也沒有成熟的方案。當(dāng)務(wù)之急是要讓業(yè)界利用起來測試所得的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)做分析，使之前所做的工作得到業(yè)界認(rèn)可。然后再分析這些信道的數(shù)據(jù)是否足夠充分去了解多信道。“也許64路和8路沒有太大差別，因?yàn)榉直娴木?xì)度已經(jīng)達(dá)到一定程度了，再分辨也沒有新的秘密發(fā)現(xiàn)，但這也與場景有關(guān)，下一步是想把我們的能力提升之后再做對比。”楊旸說。

楊旸表示，下一步我們也想在頻段上向上擴(kuò)展，達(dá)到28G甚至70多G，最終做到100G以內(nèi)都能覆蓋。目前8通道的平臺(tái)已經(jīng)搭好，高頻擴(kuò)展主要是在軟件、時(shí)間精度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上做能力的提升。“我們在向這個(gè)方向努力，但再往下做，就需要業(yè)界同仁們來給我們出主意，幫助我們提升平臺(tái)能力。”抱著一個(gè)學(xué)者的心態(tài)，楊旸對業(yè)界發(fā)出這樣的邀請。