運用NI USRP打造出經(jīng)濟實(shí)惠的8x8 MIMO測試臺

1. 8x8 MIMO簡(jiǎn)介

現在Single-Link 單連結MIMO (多重輸入與多重輸出) 通信的概念可說(shuō)是非常普遍[1]，新的無(wú)線(xiàn)標準也陸續采用此技術(shù)。 比如說(shuō)LTE Advanced 標準，其中結合了高達4x4 MIMO 上行與8x8 MIMO 下行[2]。 隨著(zhù)各式標準持續提高數據傳輸率、用戶(hù)人數與穩定的鏈接數量，工程師也必須開(kāi)發(fā)新并仿真的算法，并且在實(shí)際情況下加以檢驗。 而且各機構也開(kāi)始大量投資MIMO 應用，包含多使用者的MIMO (MU-MIMO)、合作式MIMO 與協(xié)作多點(diǎn)(CoMP) 等項目。 研究基金的競爭狀況越來(lái)越激烈，同時(shí)因為原型制作決定了新算法的實(shí)用性，重要性更甚于仿真通道，因此讓整個(gè)情況更具挑戰性。 如要發(fā)表全新的研究結果，必須建置原型，而且研究結果還要具有充分的重復使用率。 可擴充的現成軟件定義無(wú)線(xiàn)電(Software Defined Radio，SDR) 解決方案可在研究員制作算法原型時(shí)提供關(guān)鍵優(yōu)勢，因其兼具了開(kāi)發(fā)客制化無(wú)線(xiàn)電的低成本彈性，以及高成本傳統儀器的可重復使用效能。

圖1.NI USRP-2920 設備

通用軟件無(wú)線(xiàn)電外圍設備(USRP，見(jiàn)圖1) 可說(shuō)是最方便好用也最經(jīng)濟實(shí)惠的現成軟件定義無(wú)線(xiàn)電系統，非常適合更高階次的MIMO 應用。 此技術(shù)文章說(shuō)明了LabVIEW (圖2) 與USRP 平臺的使用方式，進(jìn)而打造出相位同調(Phase Coherent) 的MIMO 測試臺，可以從2x2 擴充為8x8 天線(xiàn)設定，并且用來(lái)測試多種MIMO 與多用戶(hù)的通信研究項目。

圖2. 8x8 MIMO LabVIEW 人機界面

2. USRP硬件概述

USRP 平臺是一款RF 軟件設定的無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器，可用于無(wú)線(xiàn)通信研究。 將USRP 連接至主計算機后，即可做為軟件定義的無(wú)線(xiàn)電，提供主機架構的數字信號處理功能。 每個(gè)USRP 設備都會(huì )提供獨立的傳送與接收通道，可針對特定的硬件配置提供全雙工作業(yè)效能。

USRP 設備會(huì )通過(guò)GB ETHERNET 端口連接至主計算機，此端口需要Standard 1 Gigabit Ethernet (GbE) 連接功能。 同時(shí)以6 伏特DC 運作，最高耗電量為18 瓦特。 請參閱USRP 系統方塊圖(圖3)，傳送與接收鏈分別獨立運作，但會(huì )共享一個(gè)通用的內接10-MHz TCXO 參考頻率，局部震蕩器(LO) 便是來(lái)自此頻率。

圖3. NI USRP-2920 系統方塊圖

Rx信號路徑

就接收端而言(圖3 下方)，所接收的模擬RF 信號會(huì )通過(guò)RX 1 或RX 2 接頭進(jìn)入，這會(huì )由可設定的切換開(kāi)關(guān)來(lái)決定，并且經(jīng)過(guò)可調整的(0-30dB) 增益階段到達混合器，進(jìn)而將LO RF 頻率直接轉換為基帶IQ 組件。100MS/s、14 位的雙信道ADC 會(huì )過(guò)濾基帶I/Q 模擬信號并取得其樣本。 經(jīng)過(guò)數字化的I/Q 數據會(huì )經(jīng)過(guò)平行的內建信號處理(OSP) 程序，此程序會(huì )套用DC 偏移修正作業(yè)、采用CORDIC 執行數字降轉換以修正次要的頻率偏移并達到所需的RF 中央頻率，過(guò)濾并抽取100M S/sec 的輸入信號至用戶(hù)所指定的IQ 速率。 經(jīng)過(guò)降轉換的樣本接著(zhù)會(huì )通過(guò)標準的GbE 連接功能傳送至主計算機，如果是16 位模式的話(huà)基帶IQ 速率最高可達25 MS/s，如果是8 位模式的話(huà)則是50 MS/s。

Tx信號路徑

就傳送端而言(圖3 上方)，主計算機會(huì )合成基帶IQ 信號，接著(zhù)通過(guò)GbE 連接功能把合成過(guò)的I/Q 信號樣本傳送至USRP，如果是16 位模式的話(huà)最高可達25 MS/s，如果是8 位模式的話(huà)則是50 MS/s。USRP 硬件OSP 會(huì )采用數字升轉換程序來(lái)插入合成信號并且升轉換至400MS/s，根據所需的RF 中央頻率套用CORDIC 以便修正次要的頻率偏移，接著(zhù)通過(guò)16 位的雙信道DAC 將信號轉換為模擬信號。 再來(lái)會(huì )通過(guò)直接轉換架構來(lái)過(guò)濾并調變此模擬信號以達到指定的RF 頻率，進(jìn)一步混合LO 與模擬基帶IQ 信號。 可調整的(0-30dB) 增益階段會(huì )放大信號，以便通過(guò)外接的TX 1 端口來(lái)傳送信號。

時(shí)序與頻率

有了MIMO 擴充埠即可同步化2 個(gè)USRP 的時(shí)序與頻率，此外也可做為以太網(wǎng)絡(luò )開(kāi)關(guān)，一組USRP 就能夠共享單一GbE 連接。USRP 前端設備具有REF IN (10-MHz 參考頻率) 與PPS (每秒脈沖) SMA 連接，可提供外部頻率參考與時(shí)序的同步化功能，以便補足內接的TCXO 以提高頻率準確度，也可針對大量設備提供同步化功能。

NI-USRP驅動(dòng)程序

至于軟件方面，LabVIEW 開(kāi)發(fā)系統提供方便的強大接口，可搭配USRP 硬件，以便快速制作通信算法原型。NI-USRP 軟件驅動(dòng)程序提供直覺(jué)性的函式、VI (LabVIEW 虛擬儀器，可直接對應至硬件配置以便設定時(shí)序與同步狀態(tài))、開(kāi)啟/關(guān)閉階段，還能執行讀寫(xiě)作業(yè)。 通過(guò)簡(jiǎn)易的Rx 作業(yè)即可從LabVIEW 程序方塊圖呼叫驅動(dòng)函式(圖4)。 第一個(gè)Tx 或Rx 應用一定會(huì )包含下列6 個(gè)參數：

Device Names：受控USRP 的專(zhuān)屬I(mǎi)P 地址。 新的USRP 硬件默認的IP 地址是192.168.10.2
IQ Rate：基帶IQ 波形的取樣率決定了擷取或合成作業(yè)的實(shí)時(shí)帶寬
Carrier Frequency：重點(diǎn)頻譜的中點(diǎn)。 轉換至基帶IQ 后載波頻率就會(huì )成為中心或DC 組件
Gain：套用至模擬RF 信號的可調整增益(通常為0 ~ 30dB)
Active Antenna：切換設定，可決定以RX 或TX SMA 埠來(lái)進(jìn)行擷取或傳輸作業(yè)
Number of Samples：每次驅動(dòng)程序呼叫元從設備擷取或傳送到Fetch Rx 或Write Tx VI 的取樣數量

圖4.使用NI-USRP 驅動(dòng)程序的LabVIEW 程序方塊圖

3.可擴充的8x8 MIMO硬件系統架構

多個(gè)USRP 設備可整合為單一個(gè)相位同調天線(xiàn)數組，以便傳送/接收信號。 本文所探討的MIMO 測試臺可從2x2 擴充為8x8 天線(xiàn)設定(最多有8 個(gè)傳輸器和8 個(gè)接收器)。 建置測試臺時(shí)必須考慮到的硬件組件與優(yōu)缺點(diǎn)，包含了頻率與時(shí)序同步，以及數據總線(xiàn)帶寬。

頻率與時(shí)序同步化

就標準的MIMO 通信測試臺而言，所有的Rx 或Tx 通道必須做為單一接收器或傳輸器運作，同時(shí)搭配頻率與時(shí)序同步化功能以及一個(gè)相位同調的局部震蕩器(LO)。8x8 MIMO 測試臺的8 個(gè)USRP 設備都會(huì )采用相同的10MHz 參考頻率與PPS 時(shí)序基礎，借此達到同步化效能。 根據8x8 MIMO 系統方塊圖(圖5)，4 個(gè)USRP 設備會(huì )直接連接至每個(gè)參考信號，接著(zhù)另外4 個(gè)USRP 設備會(huì )通過(guò)MIMO Data 與Synchronization 接線(xiàn)共享此信號。 這樣一來(lái)即可同步化所有8 個(gè)USRP 設備的頻率與時(shí)序，同時(shí)單一10-MHz 參考頻率還會(huì )衍生出相位同調的LO。 用來(lái)產(chǎn)生頻率的硬件則是OCXO (Oven Controlled Oscillator 恒溫震蕩器)，此硬件采用Trimble 公司的Thunderbolt® GPS 授時(shí)頻率，可提供10 MHz 的參考頻率輸出與數字PPS 輸出[4]。OCXO 的頻率來(lái)源非常準確，不必安裝GPS 天線(xiàn)即可運作。 安裝GPS 天線(xiàn)則可以改善GPS 授時(shí)的同步化效能，提供一致的時(shí)序概念。

圖5. 8x8 MIMO 系統方塊圖

此外10 MHz 與PPS 參考信號的功率準位也是相當重要的考慮，因為頻率信號會(huì )分配至所有的無(wú)線(xiàn)電。 在此應用中，通用的同軸BNC「T」連接會(huì )劃分信號兩次，以便同步化前4 個(gè)USRP 設備。Tunderbolt 可提供大約7dBm 的10MHz 參考，以及2.4 V 的數字PPS 信號。 二度劃分信號(也就是以傘狀分散至4 個(gè)設備) 就會(huì )變成1dBm 與0.6V 參考，接近推薦的USRP Ref In 與PPS 輸入準位(0dBm 與3.3V LVTTL 相容)。 如果必須進(jìn)一步劃分參考信號以確保適當的同步化效能，NI 建議將10MHz 與PPS 信號放大至建議的功率準位。

8x8 MIMO 零件列表(表1) 包含了用來(lái)建置8x8 MIMO 測試臺的組件。 所有組件都是標準的現成零件。

表1. 8x8 MIMO 零件列表

數據總線(xiàn)帶寬

GbE 連接功能可在USRP 設備與主計算機之間提供專(zhuān)屬連結，讓USRP 以高達25MS/s 的全雙工模式運作。 就MIMO 測試臺而言，16 個(gè)USRP 能有效共享同一個(gè)以太網(wǎng)絡(luò )鏈接，并且在所有通道間有效分配帶寬。 首先，計算單一USRP 全速運作的數據傳輸率為何(等式1)，我們發(fā)現在不考慮任何通信處理時(shí)間的前提下，會(huì )用到80% 的1Gb 以太網(wǎng)絡(luò )帶寬。

等式1：1 GbE 的單一信道IQ 速率最大理想值

文字框： 圖5。8 通道同步化Rx 方塊圖(Part I)。測試臺內的整個(gè)Tx 與Rx 系統會(huì )共享單一1 GbE 連接，并且回傳至主計算機(已連接未受管理的標準1 GbE 切換器)。IQ 速率最大值會(huì )除以共享相同以太網(wǎng)絡(luò )鏈接的USRP 設備數量，此外還有額外的處理時(shí)間可用來(lái)同時(shí)管理多個(gè)設備。至于8x8 MIMO，IQ 速率的最大理想值為25MS/s IQ 速率除以8 (等式2)，因此每個(gè)傳送器與接收器的3MHz 基帶頻寬皆可分配到3MS/s 左右。只要在同一個(gè)主計算機內加入專(zhuān)屬的1 GbE 控制器，即可提高最大理想值；不過(guò)內存與處理器瓶頸仍可能影響效能。

等式2：共享l GbE 連接的8 個(gè)天線(xiàn)IQ 速率最大理想值

就目前的測試臺狀態(tài)而言，每個(gè)不同的天線(xiàn)(共8 個(gè)) 都有1MS/s 的IQ 速率。

4. MIMO系統軟件架構

就LabVIEW 來(lái)說(shuō)，MIMO 系統軟件架構可分為2 個(gè)部分：

1.NI-USRP 硬件驅動(dòng)程序
2.主機架構的通信程序代碼

NI-USRP 硬件驅動(dòng)程序可讓所有的USRP 設備執行傳送或接收作業(yè)，而且只要通過(guò)一組驅動(dòng)程序呼叫組件即可加以設定并控制。硬件驅動(dòng)程序與主機之間的接口采用主機架構的通信程序代碼，屬于基帶IQ 數據的二維數組，每一列(row) 都代表了單一天線(xiàn)的復雜時(shí)域IQ 數據。 接著(zhù)可藉由LabVIEW 環(huán)境內多個(gè)運算模型來(lái)執行主機架構的信號處理功能，其中包含圖形化LabVIEW 架構的算法、LabVIEW MathScript RT 內的.m 檔案腳本，或是可通過(guò)LabVIEW Call Library Node 存取的C 函式。

MIMO搭配N(xiāo)I-USRP驅動(dòng)程序

所有8 個(gè)傳送器都會(huì )在單一傳送階段內進(jìn)行設定，而所有8 個(gè)接收器都會(huì )在單一接收階段內進(jìn)行設定(圖6)。

圖6.8 信道同步化的Rx LabVIEW 程序方塊圖(Part I)

以MIMO 系統的Rx 端為例，設定與同步化流程包含6 個(gè)步驟：

1.在逗點(diǎn)分隔表中指定每個(gè)USRP 的IP 地址，以便開(kāi)啟Rx Session。
2.設定Start Trigger Time (單位為整數秒或分數秒)，代表所有USRP 設備開(kāi)始擷取數據的時(shí)間。
3.設定所有8 個(gè)設備共享的參數。
4.指定哪些設備會(huì )使用外接參考或MIMO 接線(xiàn)。
5.將時(shí)基設為0 (僅限于PPS 頻率信號下個(gè)升緣具有外部PPS 連接的USRP 設備)。注意： 信道表說(shuō)明了需要此設定的設備。
6.使用單一驅動(dòng)呼叫元來(lái)擷取數據，并以復雜樣本的二維數組送回，其中每一列都包含了單一天線(xiàn)的復雜IQ 波形。

一旦啟動(dòng)會(huì )話(huà)之后，系統就會(huì )開(kāi)始從所有的USRP 設備擷取時(shí)序同步化的連續樣本，并且做為二維數組通過(guò)NI-USRP Fetch 指令回傳至LabVIEW，數組中的每一列都是一個(gè)獨立通道。 接著(zhù)樣本輸入數量會(huì )指定每次Fetch 操作需要擷取的樣本數量。 在此情況下(圖6)，我們會(huì )記錄每一列，再將每個(gè)信道的I/Q 信號配置到各自的圖形中。
8x8 MIMO 主機架構的通信作業(yè)

圖6.8 信道同步化的Rx LabVIEW 程序方塊圖(Part II)

位于美國奧斯汀的德州大學(xué)設有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與通信團體(Wireless Networking and Communications Group，WNCG)，Robert Heath 教授與研究生Jackson Massey 采用此硬件與驅動(dòng)軟件框架，打造出使用QPSK 符號的LabVIEW 架構MIMO-ODFM 鏈接(圖2)。 這種可擴充的程序代碼可讓MIMO 設定從2x2 擴充至8x8，只要開(kāi)啟或關(guān)閉USRP 設備就行了。 隨機數據位會(huì )對應至QPSK 符號，接著(zhù)這些符號會(huì )通過(guò)62.5-kHz 帶寬對應至128 OFDM 子載波(其中有些通道無(wú)效，有些則是用于培訓)。 循環(huán)式的前置區段(Cyclic Prefix) 會(huì )插入內含20 個(gè)OFDM 符號的組合，并且建立Preamble。 最終的IQ 波形會(huì )分為平行串流，接著(zhù)以系數16 進(jìn)行升取樣。最后會(huì )以1 MS/s 的速度產(chǎn)生IQ 樣本的二維數組，而且每個(gè)USRP 設備(共8 個(gè)) 都會(huì )采用NI-USRP Write 函式來(lái)傳送特殊符號。

至于接收端，來(lái)自NI USRP 驅動(dòng)器的數據擷取率為1MS/s，接著(zhù)進(jìn)行分析以偵測OFDM 框架位置。 抽出框架后，LabVIEW 架構的軟件就會(huì )估計頻率偏移并加以修正。 接著(zhù)信號會(huì )區分為與FFT 尺寸相同的區塊，同時(shí)加上循環(huán)式前置區段，FFT 再套用至每個(gè)區塊。 無(wú)效音調(Null Tone) 會(huì )遭到移除，通信培訓信息可用來(lái)估計并修正多路徑干擾現象， 而引導音調(Pilot Tone) 則是用來(lái)估計并修正每個(gè)子載波的增益與相位移轉。 最終的QPSK 星座圖則會(huì )針對每個(gè)通道(共8 個(gè)) 進(jìn)行配置。

LabVIEW 可混合不同的運算模型，以便快速制作OFDM 系統原型。OFDM 連結有許多面向都已在客制化的.m 檔案腳本中實(shí)作。 模擬環(huán)境內的.m 檔案腳本可通過(guò)MathScript RT Node (圖7) 直接整合至LabVIEW 以便立即執行，只需要小幅度的修改即可。

圖7. 使用LabVIEW MathScript RT Node整合.m 檔案腳本

5.評估系統

使用USRP 來(lái)設計專(zhuān)屬的MIMO 測試臺時(shí)，請務(wù)必考慮到實(shí)時(shí)執行、相位校正vs. 相位同調、運用以太網(wǎng)絡(luò )卡達到最高的數據傳輸率等事項。

實(shí)時(shí)執行與延遲時(shí)間

系統與NI-USRP 驅動(dòng)程序可納入共8 個(gè)傳送器與8 個(gè)接收器，以超過(guò)2MS/s 的速度串流復雜的基帶IQ 信號，并且實(shí)時(shí)處理信號。 但因為處理時(shí)間的關(guān)系，傳輸率會(huì )降低為每200 毫秒(ms) 1 個(gè)OFDM 框架，才能確保在Windows 系統內實(shí)時(shí)執行。OFDM 范例程序代碼的約略數據傳輸率計算方式如下：

等式3： 攜帶數據的OFDM 子信道

等式4：OFDM 測試臺數據傳輸率

最終的數據傳輸率為122.8Kb/s (62.5Khz 帶寬的通道)。 此設定可達到1.9648 位/秒/Hz 的數據傳輸率，這是相當可觀(guān)的數字。

請注意，此配置尚未經(jīng)過(guò)效能優(yōu)化處理，而是直接采用之前僅用于仿真的算法。 如果再進(jìn)一步優(yōu)化可能會(huì )大幅提高效能。

相位校正vs.相位同調

所有USRP 皆共享通用的10-MHz 參考后，相位同調局部震蕩器(LO) 即可通過(guò)分數N 頻率的方式來(lái)處理合成作業(yè)。 在合成過(guò)程中，參考頻率會(huì )被劃分，此外升緣與降緣的相位可能會(huì )鎖定，針對每個(gè)通道產(chǎn)生固定的任意相位偏移。 就MIMO 通信而言，負責執行多路徑評估與修正的算法也會(huì )一并修正這些固定的任意相位偏移現象。

不過(guò)波束賦形應用則需要LO 的相位校正，所以會(huì )通過(guò)基帶I/Q 來(lái)控制并擷取此相位。此外也有更有效的方式，那就是使用已知的參考信號來(lái)偵測USRP 的相位偏移，并且針對方向尋找與波束賦形等研究將修正項目套用至接收到的信號。

達到完整的1 Gigabit以太網(wǎng)絡(luò )數據傳輸率

如要達到完整的1 Gigibit 以太網(wǎng)絡(luò )數據傳輸率，就會(huì )需要最佳設定的網(wǎng)絡(luò )卡，以及順暢整合網(wǎng)絡(luò )卡/內存/處理器的計算機。 一般來(lái)說(shuō)最理想的組合就是桌面計算機搭配Intel 的以太網(wǎng)絡(luò )控制器芯片組，同時(shí)還具備較新的驅動(dòng)功能，例如要關(guān)閉「Energy Efficient Ethernet」，計算機的「Power Options」則得設為「High Performance」。

6.結論

隨著(zhù)MIMO 通信研究日漸普遍，NI USRP 硬件與LabVIEW 軟件則提供了理想的平臺，可快速制作新的算法原型并加以檢驗。 這樣的組合可提供優(yōu)異的彈性與效能，有助于建置簡(jiǎn)便的2x2 MIMO 系統，而且還可擴充為進(jìn)階的8x8 MIMO OFDM 測試臺。 有了現成的NI USRP SDR 硬件，研究人員即可迅速建立測試臺，評估算法，分享可復制的研究結果。 如果將LabVIEW 用于開(kāi)發(fā)作業(yè)，就可以整合現有的IP (例如.m 檔案腳本)，同時(shí)根據個(gè)人需求輕松運用各種SDR 硬件平臺，無(wú)論是主機架構的USRP 原型制作流程，還是PXI 架構的儀器質(zhì)量MIMO 都沒(méi)問(wèn)題。 如要開(kāi)始準備這類(lèi)應用，請先前往ni.com/usrp/zht/取得更多USRP 軟件定義無(wú)線(xiàn)電的相關(guān)信息。