NI MIMO原型验证系统硬件介绍

由于以无线方式连接的设备越来越多,因此急切需要能够满足更高数据与容量需求的无线技术。 来势汹汹的物联网(IoT)设备已对既有的无线网络造成极大负担,而随着视频流与虚拟实境技术的普及,对数据传输率的需求也非现有速率能满足的。 多输入/多输出(MIMO)这项技术有望通过实现新一代无线技术来解决上述问题。 只要使用多根天线,便能在相同的时域与频域传输多个数据信号,可同时大幅提升容量、传输率或稳定性。 随着顶尖研究人员与无线网络公司迫切探索全新通信技术,MIMO也将成为一个热门话题。

尤其是多用户MIMO (MU-MIMO)技术,更确保了第五代(5G)无线网络具有广阔的前景。 MU-MIMO使得基站能够采用大量天线,通过高级信号处理技术,同时锁定多个用户,并重复使用相同的时间与频率空间。 MU-MIMO与Massive MIMO(MU-MIMO的其中一种)能够将无线网络容量提高10倍以上,同时提供更高的可靠性和网络密度。

MU-MIMO与Massive MIMO的部分基本原理已经大致清楚,但研究人员必须建立真实原型,才能更快速进行创新。 通过NI MIMO原型验证系统这款测试台,研究人员便能针对5G MIMO系统进行原型验证,快速获得结果。

1. MIMO原型验证系统硬件
MIMO原型验证系统包含USRP RIO无线电台、FlexRIO FPGA协同处理器、时钟分配模块、PCI Express路由硬件,以及 PXI Express机箱与控制器。 此系统可配置为多种不同的尺寸来满足客户的需求。 本文将详细介绍各种系统元件与配置。 如需进一步了解应用软件,请参阅 MIMO应用程序框架技术白皮书。

USRP软件无线电
USRP RIO软件无线电(SDR)通过集成式2x2 MIMO收发器与高性能Xilinx Kintex-7 FPGA来加速基带处理任务,这些组件均封装在半宽1U机架安装式机壳中。 此外,USRP RIO通过一个连接至系统控制器的PCI Express x4电缆连接至主机控制器,并以高达800 MB/s的数据流速度传输数据至台式或PXI Express上位机(或通过ExpressCard以200 MB/s的速度传输至笔记本电脑)。 图1为USRP RIO硬件的简要程序框图。
图1. USRP RIO 硬件 (a) 与系统程序框图 (b)
图1. USRP RIO 硬件 (a) 与系统程序框图 (b)

有线PCI Express开关盒
CPS-8910有线式PCI Express开关盒(CPS)将多个USRP RIO PCI Express链路结合到单个数据流,不仅可以简化系统,同时也能有效地汇聚多个通道。 此开关盒通过有线PCI Express x4 Gen 1链路,可支持最多8个独立下行设备。 在MIMO配置中,这些数据流结合到单一PCI Express x8 Gen 2链路,可实现高达3.2 GB/s的总数据传输率。 在其他配置中,则可使用PCI Express x4 Gen 1上行链路。 除此之外,CPS-8910也提供USRP设备之间的点对点数据流。 铜质与光纤PCI Express电缆均可支持。 图2为CPS-8910硬件的简要程序框图。
图2. 开关盒(a)与系统框图(b)
图2. 开关盒(a)与系统框图(b)

PXI Express机箱背板
此系统采用PXIe-1085,PXIe-1085是一款高级18槽PXI机箱,每个插槽皆搭载了PCI Express Gen 3技术,适用于高传输率、低延迟应用。 此机箱可提供8 GB/s的每插槽带宽和24 GB/s的系统频宽。 图3为双开关背板架构。
图3. 18槽PXIe-1085机箱(a)与系统框图(b)
图3. 18槽PXIe-1085机箱(a)与系统框图(b)

高性能FPGA协处理器
MIMO原型验证系统集成了灵活的高性能FlexRIO FPGA处理模块,可使用PXI机箱的LabVIEW FPGA模块进行编程。 用于FlexRIO的PXIe-7976R FPGA模块可做为独立设备使用,能够为大型可自定义的Xilinx Kintex-7 410T提供与PXI Express背板连接的PCI Express x8 Gen 2链路。
图4. PXIe-7976R FlexRIO模块(a)与系统框图(b)
图4. PXIe-7976R FlexRIO模块(a)与系统框图(b)

精确时钟生成
PXIe-6674T同步模块(图 5)具有高准确度的板载恒温槽控制石英震荡器(OCXO),能够产生10 MHz参考时钟。 该信号可以针对各个USRP RIO无线电台建立参考时基,以确保精准的同步。 PXIe-6674T也可对其中一个USRP RIO SDR的同步触发信号进行处理后重新输出。
图5. PXIe-6674T定时与同步模块
图5. PXIe-6674T定时与同步模块

8通道时钟同步
CDA-2990 8通道时钟分配模块能够通过长度匹配轨迹,以8种方式放大并分割10 MHz参考信号和秒脉冲信号,可为最多8个USRP设备提供频率与时间同步性能。 CDA-2990通过集成式GPS驯服振荡器(GPSDO)额外增加一个内部定时与频率参考。 图6显示的是使用GPSDO的CDA-2990的系统简图。
图6. CDA-2990(a)与系统框图(b)
图6. CDA-2990(a)与系统框图(b)

2. 系统架构
上述硬件元件组合而成的测试台,天线数量可从几根扩展到128根同步天线。 为了简单起见,本文的每个范例皆使用128天线配置。

数据处理
高通道数MIMO系统需要非常稳定的数据处理。 高达128个通道的I与Q样本皆须实时处理,以便收发。 为了处理如此大量的数据,MIMO原型验证系统使用了高吞吐量PCI Express总线。 数据通过PCI Express开关盒从USRP RIO SDR传送至单个PXI Express机箱。 机箱可汇聚数据,以便通过FPGA协处理器与四核Intel i7 PXI控制器集中处理这些数据。 如图7所示,PXIe-1085机箱是主要的数据汇聚节点与实时信号处理引擎。 在机箱的插槽1内,PXIe-8135 RT控制器可做为中央系统控制器使用。 PXIe-8135 RT配备了2.3 GHz四核Intel Core i7-3610QE处理器 (单核Turbo Boost模式可达 3.3 GHz)。 此机箱额外装载了8个PXIe-8384 (S1 到 S8)远端控制模块,可将PCI Express开关盒连接至主系统。 每个开关盒因而能够汇聚8 个USRP RIO链路。 PXI机箱与开关盒之间的链路采用PCI Express x8 Gen 2技术,可以在主机箱与其他开关盒之间提供高达3.2 GB/s的性能。

此系统还具有PXIe-7976R FlexRIO FPGA协处理器模块,可满足MIMO原型验证系统的实时信号处理需求。 每个PXIe-7976R皆采用强大的Kintex-7 410T FPGA。 每个FlexRIO模块都可以通过背板向彼此接收或传输数据,甚至还可以连接所有USRP RIO SDR;每个FPGA协同处理器的延迟均不到5微秒、传输率最高可达3.2 GB /s。 FlexRIO FPGA协处理器的数量根据所使用的天线数量从1至4个不等。
图7.MIMO原型验证系统的数据通道
图7.MIMO原型验证系统的数据通道

定时与同步
正确的定时和同步对于任何MIMO系统而言都非常重要。 MIMO原型验证系统共用一个10 MHz参考时钟与数字触发器,用于触发每个无线电的采集或生成功能,以确保系统级的同步 (图 8)。 机箱内的PXIe-6674T同步模块可通过OCXO生成极为稳定且准确的10 MHz参考时钟(准确度可达80 ppb)。 该模块也为与主机CDA-2990时钟分配附件的设备同步提供数字触发。 而主机CDA-2990则负责向另外8个CDA-2990模块提供并缓存10 MHz参考(MCLK)与触发(MTrig),然后再供应至USRP RIO SDR,借此确保每根天线共用10 MHz参考时钟与主机触发器。 因此,上述的定时与同步架构可非常精确地控制每个无线电/天线元件。 这样便可实现相位相干运行,让各个通道与其他通道保持稳定的相位偏移。 这时您可使用软件校准技巧而妥善对齐通道。
图8.MIMO原型验证系统的时钟通道
图8.MIMO原型验证系统的时钟通道

数据路径硬件与定时模块结合而成的强大测试台,能够实时处理庞大的数据流量,并且满足MIMO研究人员的同步需求。 此外,此系统本身也具有扩展性。 只需稍微调整硬件架构,便能轻松新增天线。

用户端设备
在MU-MIMO中,多天线基站能与用户端设备(UE)的数个单天线例程进行通信。 每个UE代表有无线功能的手机或其他无线设备。 每个UE可以使用通过有线PCI Express转ExpressCard链路连接至笔记本GPSDO的笔记本电脑。 GPSDO非常重要,不仅提供了更出色的频率准确度,还提供了同步与地理位置功能。 典型的MU-MIMO测试台包含多个可做为UE的独立运行USRP RIO SDR。 由于每个USRP RIO SDR都有2个RF通道,每个USRP与笔记本电脑组合可代表 2个UE。

3. MU-MIMO
MIMO原型验证系统提供了固有的灵活性和可扩展性来满足您的需求。 此系统可处理4-128根天线 (图 9)。
图9. 128通道MU-MIMO设置
图9. 128通道MU-MIMO设置

如图10所示,最常见的基站配置包括16根天线、32根天线、64根天线与128根天线。 如果使用MIMO应用程序框架,最多可支持12个UE。 不过,UE的数量不能超过基站天线的数量减去一。 基站天线与UE的比例等于8:1时,可实现最佳性能。
图10. 常见的MU-MIMO配置
图10. 常见的MU-MIMO配置

MU-MIMO的实际配置可能会因研究需求而有所不同。 举例来说,可以使用NI提供的天线或自己设计的天线来衔接无线电台。 也可以选购已完成组装并经过机架测试的较大型 MIMO 系统。

4. 软件界面
虽然MIMO原型验证系统可使用LabVIEW完全从头设计,不过此系统专为搭配MIMO应用程序框架使用而设计。 图 11所示的软件架构提供了开放式可重配置的参考设计,能够根据研究需求重新配置,也可用作全新MIMO用的基础。
图 11. MIMO应用程序框架的前面板
图 11. MIMO应用程序框架的前面板

使用LabVIEW Communications系统设计套件开发的MIMO应用程序框架,能够支持立即可用的MU-MIMO IP,例如MMSE、MRC与ZF波束成型。 MIMO应用程序框架还提供了无线同步、信道互惠校准、可重配置的框架架构、MIMO侦测、预编码与实时通信功能。 请参阅MIMO应用程序框架白皮书,了解更多信息。

5. 总结
MIMO原型验证系统是个灵活的硬件测试台,能够提供4到128个相位相干收发器链,由多个强大的FPGA支持来实现实时处理。 此系统是原型验证MIMO算法与技术的必要工具。 MIMO应用程序框架大幅减少了原型验证MU-MIMO与大规模MIMO系统的准备工作。 MIMO应用程序框架的主要算法与IP为MU-MIMO系统提供了经过充分验证且功能强大的结构,使得用户无需从头创建基础架构。 MIMO原型验证系统结合了MIMO应用程序框架的性能,是MIMO研究的理想平台,有助于用户更快速创新。