一文詳解NI MIMO原型驗證系統(tǒng)硬件

由于以無線方式連接的設備越來越多，因此急切需要能夠滿足更高數(shù)據(jù)與容量需求的無線技術。 來勢洶洶的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備已對既有的無線網(wǎng)絡造成極大負擔，而隨著視頻流與虛擬實境技術的普及，對數(shù)據(jù)傳輸率的需求也非現(xiàn)有速率能滿足的。 多輸入/多輸出（MIMO）這項技術有望通過實現(xiàn)新一代無線技術來解決上述問題。 只要使用多根天線，便能在相同的時域與頻域傳輸多個數(shù)據(jù)信號，可同時大幅提升容量、傳輸率或穩(wěn)定性。 隨著頂尖研究人員與無線網(wǎng)絡公司迫切探索全新通信技術，MIMO也將成為一個熱門話題。

尤其是多用戶MIMO （MU-MIMO）技術，更確保了第五代（5G）無線網(wǎng)絡具有廣闊的前景。 MU-MIMO使得基站能夠采用大量天線，通過高級信號處理技術，同時鎖定多個用戶，并重復使用相同的時間與頻率空間。 MU-MIMO與Massive MIMO（MU-MIMO的其中一種）能夠將無線網(wǎng)絡容量提高10倍以上，同時提供更高的可靠性和網(wǎng)絡密度。

MU-MIMO與Massive MIMO的部分基本原理已經(jīng)大致清楚，但研究人員必須建立真實原型，才能更快速進行創(chuàng)新。 通過NI MIMO原型驗證系統(tǒng)這款測試臺，研究人員便能針對5G MIMO系統(tǒng)進行原型驗證，快速獲得結果。

1. MIMO原型驗證系統(tǒng)硬件

MIMO原型驗證系統(tǒng)包含USRP RIO無線電臺、FlexRIO FPGA協(xié)同處理器、時鐘分配模塊、PCI Express路由硬件，以及 PXI Express機箱與控制器。 此系統(tǒng)可配置為多種不同的尺寸來滿足客戶的需求。 本文將詳細介紹各種系統(tǒng)元件與配置。 如需進一步了解應用軟件，請參閱 MIMO應用程序框架技術白皮書。

USRP軟件無線電

USRP RIO軟件無線電（SDR）通過集成式2x2 MIMO收發(fā)器與高性能Xilinx Kintex-7 FPGA來加速基帶處理任務，這些組件均封裝在半寬1U機架安裝式機殼中。 此外，USRP RIO通過一個連接至系統(tǒng)控制器的PCI Express x4電纜連接至主機控制器，并以高達800 MB/s的數(shù)據(jù)流速度傳輸數(shù)據(jù)至臺式或PXI Express上位機（或通過ExpressCard以200 MB/s的速度傳輸至筆記本電腦）。 圖1為USRP RIO硬件的簡要程序框圖。

圖1. USRP RIO 硬件 （a） 與系統(tǒng)程序框圖 （b）

有線PCI Express開關盒

CPS-8910有線式PCI Express開關盒（CPS）將多個USRP RIO PCI Express鏈路結合到單個數(shù)據(jù)流，不僅可以簡化系統(tǒng)，同時也能有效地匯聚多個通道。 此開關盒通過有線PCI Express x4 Gen 1鏈路，可支持最多8個獨立下行設備。 在MIMO配置中，這些數(shù)據(jù)流結合到單一PCI Express x8 Gen 2鏈路，可實現(xiàn)高達3.2 GB/s的總數(shù)據(jù)傳輸率。 在其他配置中，則可使用PCI Express x4 Gen 1上行鏈路。 除此之外，CPS-8910也提供USRP設備之間的點對點數(shù)據(jù)流。 銅質與光纖PCI Express電纜均可支持。 圖2為CPS-8910硬件的簡要程序框圖。

圖2. 開關盒（a）與系統(tǒng)框圖（b）

PXI Express機箱背板

此系統(tǒng)采用PXIe-1085，PXIe-1085是一款高級18槽PXI機箱，每個插槽皆搭載了PCI Express Gen 3技術，適用于高傳輸率、低延遲應用。 此機箱可提供8 GB/s的每插槽帶寬和24 GB/s的系統(tǒng)頻寬。 圖3為雙開關背板架構。

圖3. 18槽PXIe-1085機箱（a）與系統(tǒng)框圖（b）

高性能FPGA協(xié)處理器

MIMO原型驗證系統(tǒng)集成了靈活的高性能FlexRIO FPGA處理模塊，可使用PXI機箱的LabVIEW FPGA模塊進行編程。 用于FlexRIO的PXIe-7976R FPGA模塊可做為獨立設備使用，能夠為大型可自定義的Xilinx Kintex-7 410T提供與PXI Express背板連接的PCI Express x8 Gen 2鏈路。

圖4. PXIe-7976R FlexRIO模塊（a）與系統(tǒng)框圖（b）

精確時鐘生成

PXIe-6674T同步模塊（圖 5）具有高準確度的板載恒溫槽控制石英震蕩器（OCXO），能夠產(chǎn)生10 MHz參考時鐘。 該信號可以針對各個USRP RIO無線電臺建立參考時基，以確保精準的同步。 PXIe-6674T也可對其中一個USRP RIO SDR的同步觸發(fā)信號進行處理后重新輸出。

圖5. PXIe-6674T定時與同步模塊

8通道時鐘同步

CDA-2990 8通道時鐘分配模塊能夠通過長度匹配軌跡，以8種方式放大并分割10 MHz參考信號和秒脈沖信號，可為最多8個USRP設備提供頻率與時間同步性能。 CDA-2990通過集成式GPS馴服振蕩器（GPSDO）額外增加一個內部定時與頻率參考。 圖6顯示的是使用GPSDO的CDA-2990的系統(tǒng)簡圖。

圖6. CDA-2990（a）與系統(tǒng)框圖（b）

2. 系統(tǒng)架構

上述硬件元件組合而成的測試臺，天線數(shù)量可從幾根擴展到128根同步天線。 為了簡單起見，本文的每個范例皆使用128天線配置。

數(shù)據(jù)處理

高通道數(shù)MIMO系統(tǒng)需要非常穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理。 高達128個通道的I與Q樣本皆須實時處理，以便收發(fā)。 為了處理如此大量的數(shù)據(jù)，MIMO原型驗證系統(tǒng)使用了高吞吐量PCI Express總線。 數(shù)據(jù)通過PCI Express開關盒從USRP RIO SDR傳送至單個PXI Express機箱。 機箱可匯聚數(shù)據(jù)，以便通過FPGA協(xié)處理器與四核Intel i7 PXI控制器集中處理這些數(shù)據(jù)。 如圖7所示，PXIe-1085機箱是主要的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與實時信號處理引擎。 在機箱的插槽1內，PXIe-8135 RT控制器可做為中央系統(tǒng)控制器使用。 PXIe-8135 RT配備了2.3 GHz四核Intel Core i7-3610QE處理器 （單核Turbo Boost模式可達 3.3 GHz）。 此機箱額外裝載了8個PXIe-8384 （S1 到 S8）遠端控制模塊，可將PCI Express開關盒連接至主系統(tǒng)。 每個開關盒因而能夠匯聚8 個USRP RIO鏈路。 PXI機箱與開關盒之間的鏈路采用PCI Express x8 Gen 2技術，可以在主機箱與其他開關盒之間提供高達3.2 GB/s的性能。

此系統(tǒng)還具有PXIe-7976R FlexRIO FPGA協(xié)處理器模塊，可滿足MIMO原型驗證系統(tǒng)的實時信號處理需求。 每個PXIe-7976R皆采用強大的Kintex-7 410T FPGA。 每個FlexRIO模塊都可以通過背板向彼此接收或傳輸數(shù)據(jù)，甚至還可以連接所有USRP RIO SDR；每個FPGA協(xié)同處理器的延遲均不到5微秒、傳輸率最高可達3.2 GB /s。 FlexRIO FPGA協(xié)處理器的數(shù)量根據(jù)所使用的天線數(shù)量從1至4個不等。

圖7.MIMO原型驗證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道

定時與同步

正確的定時和同步對于任何MIMO系統(tǒng)而言都非常重要。 MIMO原型驗證系統(tǒng)共用一個10 MHz參考時鐘與數(shù)字觸發(fā)器，用于觸發(fā)每個無線電的采集或生成功能，以確保系統(tǒng)級的同步 （圖 8）。 機箱內的PXIe-6674T同步模塊可通過OCXO生成極為穩(wěn)定且準確的10 MHz參考時鐘（準確度可達80 ppb）。 該模塊也為與主機CDA-2990時鐘分配附件的設備同步提供數(shù)字觸發(fā)。 而主機CDA-2990則負責向另外8個CDA-2990模塊提供并緩存10 MHz參考（MCLK）與觸發(fā)（MTrig），然后再供應至USRP RIO SDR，借此確保每根天線共用10 MHz參考時鐘與主機觸發(fā)器。 因此，上述的定時與同步架構可非常精確地控制每個無線電/天線元件。 這樣便可實現(xiàn)相位相干運行，讓各個通道與其他通道保持穩(wěn)定的相位偏移。 這時您可使用軟件校準技巧而妥善對齊通道。

圖8.MIMO原型驗證系統(tǒng)的時鐘通道

數(shù)據(jù)路徑硬件與定時模塊結合而成的強大測試臺，能夠實時處理龐大的數(shù)據(jù)流量，并且滿足MIMO研究人員的同步需求。 此外，此系統(tǒng)本身也具有擴展性。 只需稍微調整硬件架構，便能輕松新增天線。

用戶端設備

在MU-MIMO中，多天線基站能與用戶端設備（UE）的數(shù)個單天線例程進行通信。 每個UE代表有無線功能的手機或其他無線設備。 每個UE可以使用通過有線PCI Express轉ExpressCard鏈路連接至筆記本GPSDO的筆記本電腦。 GPSDO非常重要，不僅提供了更出色的頻率準確度，還提供了同步與地理位置功能。 典型的MU-MIMO測試臺包含多個可做為UE的獨立運行USRP RIO SDR。 由于每個USRP RIO SDR都有2個RF通道，每個USRP與筆記本電腦組合可代表 2個UE。

3. MU-MIMO

MIMO原型驗證系統(tǒng)提供了固有的靈活性和可擴展性來滿足您的需求。 此系統(tǒng)可處理4-128根天線 （圖 9）。

圖9. 128通道MU-MIMO設置

如圖10所示，最常見的基站配置包括16根天線、32根天線、64根天線與128根天線。 如果使用MIMO應用程序框架，最多可支持12個UE。 不過，UE的數(shù)量不能超過基站天線的數(shù)量減去一。 基站天線與UE的比例等于8:1時，可實現(xiàn)最佳性能。

圖10. 常見的MU-MIMO配置

MU-MIMO的實際配置可能會因研究需求而有所不同。 舉例來說，可以使用NI提供的天線或自己設計的天線來銜接無線電臺。 也可以選購已完成組裝并經(jīng)過機架測試的較大型 MIMO 系統(tǒng)。

4. 軟件界面

雖然MIMO原型驗證系統(tǒng)可使用LabVIEW完全從頭設計，不過此系統(tǒng)專為搭配MIMO應用程序框架使用而設計。 圖 11所示的軟件架構提供了開放式可重配置的參考設計，能夠根據(jù)研究需求重新配置，也可用作全新MIMO用的基礎。

圖 11. MIMO應用程序框架的前面板

使用LabVIEW Communications系統(tǒng)設計套件開發(fā)的MIMO應用程序框架，能夠支持立即可用的MU-MIMO IP，例如MMSE、MRC與ZF波束成型。 MIMO應用程序框架還提供了無線同步、信道互惠校準、可重配置的框架架構、MIMO偵測、預編碼與實時通信功能。 請參閱MIMO應用程序框架白皮書，了解更多信息。

5. 總結

MIMO原型驗證系統(tǒng)是個靈活的硬件測試臺，能夠提供4到128個相位相干收發(fā)器鏈，由多個強大的FPGA支持來實現(xiàn)實時處理。 此系統(tǒng)是原型驗證MIMO算法與技術的必要工具。 MIMO應用程序框架大幅減少了原型驗證MU-MIMO與大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的準備工作。 MIMO應用程序框架的主要算法與IP為MU-MIMO系統(tǒng)提供了經(jīng)過充分驗證且功能強大的結構，使得用戶無需從頭創(chuàng)建基礎架構。 MIMO原型驗證系統(tǒng)結合了MIMO應用程序框架的性能，是MIMO研究的理想平臺，有助于用戶更快速創(chuàng)新。