系統還包括了8個PXIe-7976R FlexRIO FPGA模塊，用來滿足大規模MIMO系統中的實時信號處理需求。插槽的位置配置示例展示了主機箱中的FPGA可以通過級聯方式連接，以支持每一個子節點的數據處理需求。每個FlexRIO模塊可以通過背板以低于5μs的延遲和高達3GB/s的吞吐量與其他FlexRIO模塊或所有USRP RIO進行數據通信。進行接收或發送數據，并且延時小于且吞吐量。

定時和同步

定時和同步對于任何一個需要部署大量無線電設備的系統來說都是至關重要的，對于大規模MIMO系統來說也是如此。BTS系統共享一個通用10MHz參考時鐘和一個數字觸發信號，用于啟動每個無線電設備的數據采集和生成，以確保整個系統之間的系統級同步（參見圖8）。PXIe-6674T定時和同步模塊具有一個恒溫晶體振蕩器（OCXO），位于主機箱的第10槽，可生成一個非常穩定且精確的10MHz參考時鐘（50 ppb的精確度）并提供一個數字觸發信號來實現與OctoClock-G時鐘分配模塊的同步。之后，OctoClock-G提供并緩存這一個10MHz參考時鐘信號（MCLK）和觸發信號（MTrig）到OctoClock模塊，以一對八的比例提供給USRP RIO設備，從而確保所有天線共享10MHz的參考時鐘和主觸發信號。這里提到的控制架構可精確地控制每一個無線電設備/天線單元。

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圖8. 大規模MIMO系統時鐘分配框圖

表2提供了64、96和128天線系統的基站配件清單快速參考。它包括了如圖1中所示的硬件設備和設備連接線纜。

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表2. 大規模MIMO基站配件清單

4. 基站收發信機(BTS)軟件架構

基站應用程序框架軟件是根據表1中所列的系統參數目標而設計的，其中USRP RIO中的FPGA負責物理層的正交頻分復用（OFDM）處理， PXI主機箱中的FPGA負責MIMO物理層處理。更高層的介質訪問控制函數則在PXI控制器上的英特爾通用處理器（GPP）中運行。該系統架構可允許進行大量的數據處理且具有足夠低的延時性來維持信道互易性。預編碼的參數直接從接收機傳輸到發射機，以獲得最高的系統性能。

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圖9. 大規模MIMO系統數據和處理框圖

從天線開始，OFDM物理層的處理在FPGA中實現，這樣計算強度最大的處理就可在天線附近執行。之后，計算結果與MIMO接收機（MIMO RX）的IP函數相結合，從而得到每個用戶和每個副載波的信道信息。然后再將計算得到的信道參數傳輸到MIMO發射端（MIMO TX）進行預編譯，將能量集中到單一用戶的回路中。雖然介質訪問控制的某些部分是在FPGA中實現，但是其大部分的實現還有其他更高層的一些處理還是在通用處理器（GPP）中實現的。系統每個階段使用的特定算法是當前一個活躍的研究領域。整個系統可使用LabVIEW和LabVIEW FPGA進行重新配置——在提升速度的同時無需犧牲程序的可讀性。

5. 用戶設備

每一個用戶設備代表一臺手機或者是其他單入單出（SISO）或具有2x2 MIMO無線功能的無線設備。用戶設備（UE）的原型實驗使用了具有集成式GPSDO的USRP RIO，并通過一根PCI Express轉ExpressCard線纜連接到一臺筆記本電腦。GPSDO的重要性在于它提供了更高的頻率精確性，而且如果將來進行系統擴展有需要時，也可提供同步和獲取地理位置的能力。一個典型的測試臺實現會通常包含多個用戶設備的系統，其中每一臺USRP RIO可相當于一臺或兩臺用戶設備。在用戶設備上部署的軟件與BTS的軟件非常相似，然而它只是作為一個單天線系統實現，所以將它的物理層放在USRP RIO中的FPGA上實現，而把介質訪問控制層（MAC）放在主機PC上實現。

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圖10. 使用筆記本電腦和USRP RIO進行典型的用戶設備搭建

表3提供了在一個單用戶設備系統中使用的配件清單。它包含了圖10中所示的硬件設備和連接線纜。或者，如果選擇臺式電腦作為用戶設備控制器時，可以使用PCI Express連接。

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表3. 用戶設備配件清單

結論

NI技術通過LabVIEW系統設計軟件以及USRP RIO和PXI平臺的組合正在徹底改革高端科研系統的原型設計方法。本文章介紹了一種搭建大規模多入多出（MIMO）系統的可行方法來進一步推進5G的研究。該應用程序框架中使用的各種NI技術的獨特組合實現了大量無線電設備在時間和頻率上的同步，而且PCI Express技術也提供了以15.7GB/s速率上下行傳輸和匯集I-Q信號所需的吞吐量。FPGA的數據流設計方式簡化了物理層和介質訪問控制層上的高性能處理，滿足實時處理的要求。

為保證這些產品能滿足無線技術研究人員的特定需求，NI正在積極地與行業領先的研發人員和隆德大學等世界名校進行合作。這些合作推動了一些研究領域取得令人興奮的進展，同時也促進了需要和正在使用大規模MIMO應用程序框架等工具的工程師和科研人員之間的方法、IP和最佳實踐共享。