运用NI USRP打造出经济实惠的8×8 MIMO测试台

此技能文章说明晰LabVIEW 与USRP 渠道的运用方法，从而打造出相位同调(Phase Coherent) 的MIMO 测验台，能够从2×2 扩大为8×8 天线设定，并且用来测验多种MIMO 与多用户的通讯研讨项目。

1. 8×8 MIMO简介

现在Single-Link 单衔接MIMO (多重输入与多重输出) 通讯的概念可说是十分遍及[1]，新的无线规范也接连选用此技能。 比如说LTE Advanced 规范，其间结合了高达4×4 MIMO 上行与8×8 MIMO 下行[2]。 跟着各式规范继续进步数据传输率、用户人数与安稳的链接数量，工程师也有必要开发新并仿真的算法，并且在实践状况下加以查验。 并且各组织也开端很多出资MIMO 运用，包括多运用者的MIMO (MU-MIMO)、协作式MIMO 与协作多点(CoMP) 等项目。 研讨基金的竞赛状况越来越剧烈，一起由于原型制造决议了新算法的实用性，重要性更甚于仿真通道，因而让整个状况更具挑战性。 如要宣布全新的研讨结果，有必要建置原型，并且研讨结果还要具有充沛的重复运用率。 可扩大的现成软件界说无线电(Software Defined Radio，SDR) 解决方案可在研讨员制造算法原型时供给要害优势，因其兼具了开发客制化无线电的低本钱弹性，以及高本钱传统仪器的可重复运用效能。

图1.NI USRP-2920 设备

通用软件无线电外围设备(USRP，见图1) 可说是最便利好用也最经济实惠的现成软件界说无线电体系，十分合适更高阶次的MIMO 运用。 此技能文章说明晰LabVIEW (图2) 与USRP 渠道的运用方法，从而打造出相位同调(Phase Coherent) 的MIMO 测验台，能够从2×2 扩大为8×8 天线设定，并且用来测验多种MIMO 与多用户的通讯研讨项目。

图2. 8×8 MIMO LabVIEW 人机界面

2. USRP硬件概述

USRP 渠道是一款RF 软件设定的无线电收发器，可用于无线通讯研讨。 将USRP 衔接至主核算机后，即可做为软件界说的无线电，供给主机架构的数字信号处理功用。 每个USRP 设备都会供给独立的传送与接纳通道，可针对特定的硬件装备供给全双工作业效能。

USRP 设备会经过GB ETHERNET 端口衔接至主核算机，此端口需求Standard 1 Gigabit Ethernet (GbE) 衔接功用。 一起以6 伏特DC 运作，最高耗电量为18 瓦特。 请参阅USRP 体系方块图(图3)，传送与接纳链别离独立运作，但会同享一个通用的内接10-MHz TCXO 参阅频率，部分震动器(LO) 便是来自此频率。

图3. NI USRP-2920 体系方块图

Rx信号途径

就接纳端而言(图3 下方)，所接纳的模仿RF 信号会经过RX 1 或RX 2 接头进入，这会由可设定的切换开关来决议，并且经过可调整的(0-30dB) 增益阶段抵达混合器，从而将LO RF 频率直接转化为基带IQ 组件。100MS/s、14 位的双信道ADC 会过滤基带I/Q 模仿信号并获得其样本。 经过数字化的I/Q 数据会经过平行的内建信号处理(OSP) 程序，此程序会套用DC 偏移批改作业、选用CORDIC 履行数字降转化以批改非有必要的频率偏移并到达所需的RF 中心频率，过滤并抽取100M S/sec 的输入信号至用户所指定的IQ 速率。 经过降转化的样本接着会经过规范的GbE 衔接功用传送至主核算机，假如是16 位形式的话基带IQ 速率最高可达25 MS/s，假如是8 位形式的话则是50 MS/s。

Tx信号途径

就传送端而言(图3 上方)，主核算机会组成基带IQ 信号，接着经过GbE 衔接功用把组成过的I/Q 信号样本传送至USRP，假如是16 位形式的话最高可达25 MS/s，假如是8 位形式的话则是50 MS/s。USRP 硬件OSP 会选用数字升转化程序来刺进组成信号并且升转化至400MS/s，依据所需的RF 中心频率套用CORD%&&&&&% 以便批改非有必要的频率偏移，接着经过16 位的双信道DAC 将信号转化为模仿信号。 再来会经过直接转化架构来过滤并调变此模仿信号以到达指定的RF 频率，进一步混合LO 与模仿基带IQ 信号。 可调整的(0-30dB) 增益阶段会扩大信号，以便经过外接的TX 1 端口来传送信号。

时序与频率

有了MIMO 扩大埠即可同步化2 个USRP 的时序与频率，此外也可做为以太网络开关，一组USRP 就能够同享单一GbE 衔接。USRP 前端设备具有REF IN (10-MHz 参阅频率) 与PPS (每秒脉冲) SMA 衔接，可供给外部频率参阅与时序的同步化功用，以便补足内接的TCXO 以进步频率精确度，也可针对很多设备供给同步化功用。

NI-USRP驱动程序

至于软件方面，LabVIEW 开发体系供给便利的强壮接口，可调配USRP 硬件，以便快速制造通讯算法原型。NI-USRP 软件驱动程序供给直觉性的函式、VI (LabVIEW 虚拟仪器，可直接对应至硬件装备以便设定时序与同步状况)、敞开/封闭阶段，还能履行读写作业。 经过简易的Rx 作业即可从LabVIEW 程序方块图呼叫驱动函式(图4)。 第一个Tx 或Rx 运用一定会包括下列6 个参数：

Device Names：受控USRP 的专属IP 地址。 新的USRP 硬件默许的IP 地址是192.168.10.2
IQ Rate：基带IQ 波形的取样率决议了撷取或组成作业的实时带宽
Carrier Frequency：要点频谱的中点。 转化至基带IQ 后载波频率就会成为中心或DC 组件
Gain：套用至模仿RF 信号的可调整增益(一般为0 ~ 30dB)
Active Antenna：切换设定，可决议以RX 或TX SMA 埠来进行撷取或传输作业
Number of Samples：每次驱动程序呼叫元从设备撷取或传送到Fetch Rx 或Write Tx VI 的取样数量

图4.运用NI-USRP 驱动程序的LabVIEW 程序方块图

3.可扩大的8×8 MIMO硬件体系架构

多个USRP 设备可整合为单一个相位同调天线数组，以便传送/接纳信号。 本文所讨论的MIMO 测验台可从2×2 扩大为8×8 天线设定(最多有8 个传输器和8 个接纳器)。 建置测验台时有必要考虑到的硬件组件与优缺点，包括了频率与时序同步，以及数据总线带宽。

频率与时序同步化

就规范的MIMO 通讯测验台而言，一切的Rx 或Tx 通道有必要做为单一接纳器或传输器运作，一起调配频率与时序同步化功用以及一个相位同调的部分震动器(LO)。8×8 MIMO 测验台的8 个USRP 设备都会选用相同的10MHz 参阅频率与PPS 时序根底，借此到达同步化效能。 依据8×8 MIMO 体系方块图(图5)，4 个USRP 设备会直接衔接至每个参阅信号，接着别的4 个USRP 设备会经过MIMO Data 与Synchronization 接线同享此信号。 这样一来即可同步化一切8 个USRP 设备的频率与时序，一起单一10-MHz 参阅频率还会衍生出相位同调的LO。 用来发生频率的硬件则是OCXO (Oven Controlled Oscillator 恒温震动器)，此硬件选用Trimble 公司的Thunderbolt® GPS 授时频率，可供给10 MHz 的参阅频率输出与数字PPS 输出[4]。OCXO 的频率来历十分精确，不用装置GPS 天线即可运作。 装置GPS 天线则能够改进GPS 授时的同步化效能，供给共同的时序概念。

图5. 8×8 MIMO 体系方块图

此外10 MHz 与PPS 参阅信号的功率准位也是恰当重要的考虑，由于频率信号会分配至一切的无线电。 在此运用中，通用的同轴BNC「T」衔接会区分信号两次，以便同步化前4 个USRP 设备。Tunderbolt 可供给大约7dBm 的10MHz 参阅，以及2.4 V 的数字PPS 信号。 二度区分信号(也便是以伞状涣散至4 个设备) 就会变成1dBm 与0.6V 参阅，挨近引荐的USRP Ref In 与PPS 输入准位(0dBm 与3.3V LVTTL 相容)。 假如有必要进一步区分参阅信号以保证恰当的同步化效能，NI 主张将10MHz 与PPS 信号扩大至主张的功率准位。

8×8 MIMO 零件列表(表1) 包括了用来建置8×8 MIMO 测验台的组件。 一切组件都是规范的现成零件。

表1. 8×8 MIMO 零件列表

数据总线带宽

GbE 衔接功用可在USRP 设备与主核算机之间供给专属衔接，让USRP 以高达25MS/s 的全双工形式运作。 就MIMO 测验台而言，16 个USRP 能有用同享同一个以太网络链接，并且在一切通道间有用分配带宽。 首要，核算单一USRP 全速运作的数据传输率为何(等式1)，咱们发现在不考虑任何通讯处理时刻的前提下，会用到80% 的1Gb 以太网络带宽。

等式1：1 GbE 的单一信道IQ 速率最大抱负值

文字框： 图5。8 通道同步化Rx 方块图(Part I)。测验台内的整个Tx 与Rx 体系会同享单一1 GbE 衔接，并且回传至主核算机(已衔接未受办理的规范1 GbE 切换器)。IQ 速率最大值会除以同享相同以太网络链接的USRP 设备数量，此外还有额定的处理时刻可用来一起办理多个设备。至于8×8 MIMO，IQ 速率的最大抱负值为25MS/s IQ 速率除以8 (等式2)，因而每个传送器与接纳器的3MHz 基带频宽皆可分配到3MS/s 左右。只需在同一个主核算机内参加专属的1 GbE 操控器，即可进步最大抱负值；不过内存与处理器瓶颈仍或许影响效能。

等式2：同享l GbE 衔接的8 个天线IQ 速率最大抱负值

就现在的测验台状况而言，每个不同的天线(共8 个) 都有1MS/s 的IQ 速率。

4. MIMO体系软件架构

就LabVIEW 来说，MIMO 体系软件架构可分为2 个部分：

1.NI-USRP 硬件驱动程序
2.主机架构的通讯程序代码

NI-USRP 硬件驱动程序可让一切的USRP 设备履行传送或接纳作业，并且只需经过一组驱动程序呼叫组件即可加以设定并操控。硬件驱动程序与主机之间的接口选用主机架构的通讯程序代码，归于基带IQ 数据的二维数组，每一列(row) 都代表了单一天线的杂乱时域IQ 数据。 接着可藉由LabVIEW 环境内多个运算模型来履行主机架构的信号处理功用，其间包括图形化LabVIEW 架构的算法、LabVIEW MathScript RT 内的.m 档案脚本，或是可经过LabVIEW Call Library Node 存取的C 函式。

MIMO调配NI-USRP驱动程序

一切8 个传送器都会在单一传送阶段内进行设定，而一切8 个接纳器都会在单一接纳阶段内进行设定(图6)。

图6.8 信道同步化的Rx LabVIEW 程序方块图(Part I)

以MIMO 体系的Rx 端为例，设定与同步化流程包括6 个过程：

1.在逗点分隔表中指定每个USRP 的IP 地址，以便敞开Rx Session。
2.设定Start Trigger Time (单位为整数秒或分数秒)，代表一切USRP 设备开端撷取数据的时刻。
3.设定一切8 个设备同享的参数。
4.指定哪些设备会运用外接参阅或MIMO 接线。
5.将时基设为0 (仅限于PPS 频率信号下个升缘具有外部PPS 衔接的USRP 设备)。留意： 信道表说明晰需求此设定的设备。
6.运用单一驱动呼叫元来撷取数据，并以杂乱样本的二维数组送回，其间每一列都包括了单一天线的杂乱IQ 波形。

一旦发动会话之后，体系就会开端从一切的USRP 设备撷取时序同步化的接连样本，并且做为二维数组经过NI-USRP Fetch 指令回传至LabVIEW，数组中的每一列都是一个独立通道。 接着样本输入数量会指定每次Fetch 操作需求撷取的样本数量。 在此状况下(图6)，咱们会记载每一列，再将每个信道的I/Q 信号装备到各自的图形中。
8×8 MIMO 主机架构的通讯作业

图6.8 信道同步化的Rx LabVIEW 程序方块图(Part II)

坐落美国奥斯汀的德州大学设有无线网络与通讯集体(Wireless Networking and Communications Group，WNCG)，Robert Heath 教授与研讨生Jackson Massey 选用此硬件与驱动软件结构，打造出运用QPSK 符号的LabVIEW 架构MIMO-ODFM 链接(图2)。 这种可扩大的程序代码可让MIMO 设定从2×2 扩大至8×8，只需敞开或封闭USRP 设备就行了。 随机数据位会对应至QPSK 符号，接着这些符号会经过62.5-kHz 带宽对应至128 OFDM 子载波(其间有些通道无效，有些则是用于培训)。 循环式的前置区段(Cyclic Prefix) 会刺进内含20 个OFDM 符号的组合，并且树立Preamble。 终究的IQ 波形会分为平行串流，接着以系数16 进行升取样。最后会以1 MS/s 的速度发生IQ 样本的二维数组，并且每个USRP 设备(共8 个) 都会选用NI-USRP Write 函式来传送特殊符号。

至于接纳端，来自NI USRP 驱动器的数据撷取率为1MS/s，接着进行剖析以侦测OFDM 结构方位。 抽出结构后，LabVIEW 架构的软件就会估量频率偏移并加以批改。 接着信号会区分为与FFT 尺度相同的区块，一起加上循环式前置区段，FFT 再套用至每个区块。 无效腔调(Null Tone) 会遭到移除，通讯培训信息可用来估量并批改多途径搅扰现象， 而引导腔调(Pilot Tone) 则是用来估量并批改每个子载波的增益与相位移转。 终究的QPSK 星座图则会针对每个通道(共8 个) 进行装备。

LabVIEW 可混合不同的运算模型，以便快速制造OFDM 体系原型。OFDM 衔接有许多面向都已在客制化的.m 档案脚本中实作。 模仿环境内的.m 档案脚本可经过MathScript RT Node (图7) 直接整合至LabVIEW 以便当即履行，只需求小幅度的批改即可。

图7. 运用LabVIEW MathScript RT Node整合.m 档案脚本

5.评价体系

运用USRP 来规划专属的MIMO 测验台时，请必须考虑到实时履行、相位校对vs. 相位同调、运用以太网络卡到达最高的数据传输率等事项。

实时履行与延迟时刻

体系与NI-USRP 驱动程序可归入共8 个传送器与8 个接纳器，以超越2MS/s 的速度串流杂乱的基带IQ 信号，并且实时处理信号。 但由于处理时刻的联系，传输率会下降为每200 毫秒(ms) 1 个OFDM 结构，才干保证在Windows 体系内实时履行。OFDM 典范程序代码的约略数据传输率核算方法如下：

等式3： 带着数据的OFDM 子信道

等式4：OFDM 测验台数据传输率

终究的数据传输率为122.8Kb/s (62.5Khz 带宽的通道)。 此设定可到达1.9648 位/秒/Hz 的数据传输率，这是恰当可观的数字。

请留意，此装备没有经过效能优化处理，而是直接选用之前仅用于仿真的算法。 假如再进一步优化或许会大幅进步效能。

相位校对vs.相位同调

一切USRP 皆同享通用的10-MHz 参阅后，相位同调部分震动器(LO) 即可经过分数N 频率的方法来处理组成作业。 在组成过程中，参阅频率会被区分，此外升缘与降缘的相位或许会确定，针对每个通道发生固定的恣意相位偏移。 就MIMO 通讯而言，担任履行多途径评价与批改的算法也会一起批改这些固定的恣意相位偏移现象。

不过波束赋形运用则需求LO 的相位校对，所以会经过基带I/Q 来操控并撷取此相位。此外也有更有用的方法，那便是运用已知的参阅信号来侦测USRP 的相位偏移，并且针对方向寻觅与波束赋形等研讨将批改项目套用至接纳到的信号。

到达完好的1 Gigabit以太网络数据传输率

如要到达完好的1 Gigibit 以太网络数据传输率，就会需求最佳设定的网络卡，以及顺利整合网络卡/内存/处理器的核算机。 一般来说最抱负的组合便是桌面核算机调配Intel 的以太网络操控器芯片组，一起还具有较新的驱动功用，例如要封闭「Energy Efficient Ethernet」，核算机的「Power Options」则得设为「High Performance」。

6.定论

跟着MIMO 通讯研讨日渐遍及，NI USRP 硬件与LabVIEW 软件则供给了抱负的渠道，可快速制造新的算法原型并加以查验。 这样的组合可供给优异的弹性与效能，有助于建置简洁的2×2 MIMO 体系，并且还可扩大为进阶的8×8 MIMO OFDM 测验台。 有了现成的NI USRP SDR 硬件，研讨人员即可敏捷树立测验台，评价算法，共享可仿制的研讨结果。 假如将LabVIEW 用于开发作业，就能够整合现有的IP (例如.m 档案脚本)，一起依据个人需求轻松运用各种SDR 硬件渠道，无论是主机架构的USRP 原型制造流程，仍是PXI 架构的仪器质量MIMO 都没问题。 如要开端预备这类运用，请先前往ni.com/usrp/zht/获得更多USRP 软件界说无线电的相关信息。