东京工业大学开发出紧凑且可扩展的多输入多输出系统 适用于未来5G网络

盖世汽车讯 据外媒报道，东京工业大学（Tokyo Tech）研究人员利用65nm CMOS技术开发出28GHz时分多输入多输出（MIMO）接收器，具有八个射频元件，每个元件仅占用0.1 mm2。这种创新设计减少了用于波束成形的芯片尺寸。该接收器在64正交幅度调制中实现了-23.5 dB的误差矢量幅度，数据速率高达9.6 Gbps，且可在已报道的MIMO接收器中提供最高的面积效率和最快的波束切换。

图片来源：东京工业大学

为了满足视频流、增强现实、自动驾驶汽车和物联网设备等应用对数据日益增长的需求，5G新无线电（New Radio）和未来的超5G技术利用多波束、多输入多输出来同时发送和接收多个数据流。

有效MIMO操作的一个基本组成部分是波束成形。波束成形会调整信号，使其聚焦于发射器或接收器。此过程可提高信号质量并最大限度地减少干扰。但是，传统的模拟波束成形MIMO接收器需要为每个数据流配备单独的波束成形器，这使得在毫米波MIMO系统（如28GHz MIMO收发器）中实现数据流具有挑战性，因为天线间距（天线之间的距离）仅为5毫米。

为了解决这个问题，东京工业大学的Kenichi Okada教授领导的研究人员提出一种称为时分MIMO（TD-MIMO）波束成形器的新技术，可以支持毫米波MIMO，而无需额外的硬件。

Okada解释道：“传统毫米波MIMO接收器面临的主要挑战是，它们的面积和功耗会随着需要支持的MIMO流数量而线性增加。因此，芯片尺寸会随着MIMO流的数量而变化。因此，二维阵列从未演示过超过三个MIMO流。”

在MIMO系统中，每个天线通过射频（RF）路径网络与其他每个天线连接。这些路径的数量由MIMO流数量乘以天线数量决定。因此，增加数据流数量会增加所需的RF路径。

在TD-MIMO操作中，模拟波束形成器以极高的速度快速切换接收器的波束模式或方向，从而允许多个信号使用相同的RF路径。在波束形成过程之后，TD-MIMO开关将每个MIMO流引导到单独的输出端口，确保信号不会相互干扰。

该系统使用快速切换移相器，可以在2.5纳秒内调整信号相位，并使用基于时钟的同步来控制波束切换的时间。这种方法使TD-MIMO接收器能够通过简单地增加时钟频率来支持更多数据流，从而确保可扩展的数据传输而无需增加芯片组的大小。

图片来源：东京工业大学

研究人员开发了一种3mm x 2mm TD-MIMO接收器，采用65nm CMOS技术，由8个RF元件组成，使用64正交幅度调制（QAM）处理400MHz信道带宽上的四个独立5G新无线电数据流。信号通过Wilkinson功率合成器传送到TD-MIMO开关，而开关将它们分成四条路径。每个RF元件都配有一个降噪放大器和一个快速移相器。可变增益放大器和重定时电路通过确保切换准确进行来保持系统同步。

该接收器成功处理了来自Keysight任意波形发生器的5G兼容MIMO信号，这些信号由四个方向的喇叭天线发射。新接收器在64-QAM中实现了-23.5 dB的误差矢量幅度，并实现了0.15 ns的快速奈奎斯特速率（Nyquist-rate）波束切换时间，在四流MIMO配置中实现了高达9.6 Gbps的数据速率。

“这项工作在列出的MIMO接收器中实现了最高的数据速率和最高的面积效率，”Okada表示。由于每个RF元件仅占用0.1 mm2，因此提出的芯片组可以为更小、更紧凑、更高效、可扩展的多波束MIMO系统铺平道路，以实现高速数据传输。