多通道技术MIMO将成为5G规模应用关键技术

　　信道是无线通信的基础，对信道的理解越深，所做的编码、调制的效率就越高，会越逼近香农定理的理论线，而多通道的通信制式使信道变得十分复杂。8通道以上的MIMO技术对提高频谱利用率有非常明显的效果，将是5G规模应用的关键技术。目前规划做10类场景的测试，未来会向20多类场景的测试，包括商场、机场、大型体育场馆、开放式的大的广场和沙滩，还有高铁在时速200公里到300公里高速移动中的信道。

　　通过3G、4G的不断突破，在5G研究上，中国的整体实力大大增强。日前，记者在上海举办的“第三届中国信息通信测试技术大会”上，见到了业界第一个正式推出的MIMO并行信道采集与信道仿真平台(目前实现八通道)，借助这个平台，业界能够对5G关键技术MIMO的认识提升到新的水平。带着对 MIMO并行信道采集平台研发难度、作用和目的以及下一步利用计划的好奇，记者专访了研制这一平台的上海无线通信研究中心主任杨旸。

　　为何做并行八通道信道平台

　　业界对多通道技术(MIMO)已经形成基本共识，与以前大规模应用的单通道、双通道相比，8通道以上的MIMO技术对提高频谱利用率有非常明显的效果，将是5G规模应用的关键技术。

　　业界也在纷纷推出相关设备，例如中兴已经推出64天线的MIMO设备，并积极推动这种MIMO设备进入中国移动的4G+网络;中国移动总裁李跃也在 6月底的世界移动大会•上海展上表示，要在4G网络中加快引入像3D-MIMO这样的5G技术;今年4月份，大唐电信推出的256天线阵列设备，将 MIMO技术推向新的高度。但与此同时，MIMO的信道模型建立都是通过单通道的仿真模拟出来的，多通道并行时真实的信道情况，还没有实测过。

　　“信道是无线通信的基础，对信道的理解越深，所做的编码、调制的效率就越高，会越逼近香农定理的理论线，而多通道的通信制式使信道变得十分复杂。” 杨旸说，“5G研究中规定了许多新的场景，包括高速移动的高铁、地铁，大型体育场馆以及人流密集的集会场所等，这些场景复杂、具备挑战性，需要用MIMO 支撑可靠的通信，而对多通道信道的理解如果只是通过理论推导而没有实测数据，是无法走向真正商用的，因为终端或者基站设备要在实验中进行验证，实测验证之后，我们对多通道通信信道的理解将提升到新的高度，也才能有信心推到商用中。”

　　平台搭建中遇到四个挑战

　　为什么这个并行八通道的信道测试平台前后经历了两年时间才推出?杨旸告诉记者，该平台是通过将8个单通道集成后实现的，在这两年中，他们主要解决了四个挑战。

　　一是多通道校准的挑战。与单通道不同，如何保持多通道中每个通道的一致性是业界碰到的共同难题。哪怕是同一家公司生产出来的产品，八个通道之间由于硬件的微小差异，常常导致不同信道的差别，只有将硬件差别产生的信道区别提前剔除，得到的数据才会是空间信道的数据，所以多通道的校准是第一个挑战。

　　二是8通道“接收”、“发射”两端同步的挑战。测试中要保证所有的信号要同时发出，在接收端是同时收到。因为天线之间的距离是厘米级的，信号传到的时间差在100皮秒以内。所以只有同步精度低于100皮秒，才能区分出同样一个信号到达不同天线的时间，同步精度要求非常高。“我们利用高精度的铷钟时钟系统加上自己的同步算法，把精度做到了30皮秒。”杨旸说，“一般在光通信里需要做到皮秒，在无线通信里只要做到毫秒级就可以了。”

　　三是测试数据存储的挑战。8通道有8个发射端和8个接收端，每个发射端对8个接收端，形成矩阵式的收发，实测中会产生64路数据。因此64路数据的同时存储和运算量非常大。“我们采用了计算机的一个ZERO COPY的技术，就是零拷贝技术，节约了存储时间，数据能够实时地不经过压缩地现场存储，这个数据流盘技术保证现场测出来的数据能够真实完整地保存。”杨旸认为这很重要，“把数据完整地保存下来，这就像拍一张高精度的照片一样，照片的精度越高，能够看清的环境细节越多，我们对信道的理解就会越深。”

　　四是矩阵运算的挑战。因为从单通道的1×1变成8通道的8×8，矩阵数据使运算量大幅飚升，所以需要一个并行的后处理软件。“我们与同济大学尹学峰老师共同开发，把SAGE算法拓展到并行，从原来针对一路，拓展到针对8路，这样才能把信道之间的相关性，以及矩阵中隐含的相关信息提取出来，这比原来单通道测试复杂，也比原来对多通道系统的理解更深刻。”杨旸认为，就是因为对细节的把握和分析更准确，业界可以把多通道的这些优势利用起来，做得更准确。

　　完成多场景测试，开放共享数据

　　目前设备商MIMO产品原型已经纷纷推出，但在信道建模上一直存在瓶颈，每个厂家也用不同的方法验证自己的技术，但还没有人把产品放在真正的环境下做充分验证。杨旸告诉记者，他计划将测量的数据向研究界开放，一方面是回馈整个研究界的支持，二是希望他们对这些数据有更多要求和反馈，以便更多地为他们服务。因为只有对数据有更多的要求，数据才越有价值。而且现在只是有了不同场景的测量数据，但在信道建模以及信道对各种设备和终端的影响研究上，还要借助国内更有优势的企业一起推进。

　　“非常好的事情是已经有产品原型，接下来要进入痛苦的验证、迭代和修正的过程，我们这个平台可以把原来企业需要费时费力在不同场景下做测试，再到实验室修改的流程简化了。”杨旸说，“因为我们会把已经测好的各种场景的数据搬回到你的实验室，使企业的迭代和验证更加有效率，而那种在测试中发现问题再撤回设备的代价是非常高的，测试在产业成熟的过程中发挥重要作用，谁把问题解决在售前，谁今后的麻烦就越小，对产业的贡献越大。”

　　据介绍，目前规划做10类场景的测试，未来会向20多类场景的测试，包括商场、机场、大型体育场馆、开放式的大的广场和沙滩，还有高铁在时速200 公里到300公里高速移动中的信道。还将进一步测天气变化对信道的影响，比如说雨天、晴天等。这些数据可以让科研人员足不出户，就可以把户外的各种数据拿到，相当于已经做了外场测试，实现“室外测试室内化”。“我们把室外测试的真实场景搬回到实验室中，可以回放数据，这与你拿着设备和终端在现场走一遍基本是一样的。”杨旸说，“如果在路测中发现一个错误，研究人员可以不断地回放来研究这个错误的核心原因。”

　　推动向高频和更多通道发展

　　MIMO并行信道采集与信道仿真平台现在用的频段在6GHz以下，也是我国5G技术研究测试当前的主力频段，杨旸表示希望能够把这个平台测试的数据和模型推进到5G技术研究测试中。

　　未来这个平台还会向更多通道和更高频段拓展。杨旸称，下一步我们希望把8通道测试拓展到64通道，但目前工作还在做，也没有成熟的方案。当务之急是要让业界利用起来测试所得的数据，对这些数据做分析，使之前所做的工作得到业界认可。然后再分析这些信道的数据是否足够充分去了解多信道。“也许64路和 8路没有太大差别，因为分辨的精细度已经达到一定程度了，再分辨也没有新的秘密发现，但这也与场景有关，下一步是想把我们的能力提升之后再做对比。”杨旸说。

　　杨旸表示，下一步我们也想在频段上向上扩展，达到28G甚至70多G，最终做到100G以内都能覆盖。目前8通道的平台已经搭好，高频扩展主要是在软件、时间精度和数据存储上做能力的提升。“我们在向这个方向努力，但再往下做，就需要业界同仁们来给我们出主意，帮助我们提升平台能力。”抱着一个学者的心态，杨旸对业界发出这样的邀请。