覃遠(yuǎn)年，滕召宇,鄒 川，江 琪

(桂林電子科技大學(xué) 通信實(shí)驗(yàn)中心，廣西 桂林 541004)

基于NetFPGA+USRP的MIMO傳輸平臺(tái)設(shè)計(jì)

覃遠(yuǎn)年，滕召宇,鄒 川，江 琪

(桂林電子科技大學(xué) 通信實(shí)驗(yàn)中心，廣西 桂林 541004)

介紹了大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)測(cè)試臺(tái)研究現(xiàn)狀，提出了一種基于NetFPGA(Net Field-Programmable Gate Array)+USRP(Universal Software Radio Peripheral)的MIMO(Multiple Input Multiple Output)傳輸平臺(tái)構(gòu)架，詳細(xì)介紹了該平臺(tái)各個(gè)模塊組成，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用NetFPGA+USRP搭建MIMO傳輸平臺(tái)的可行性和可靠性。該平臺(tái)具有較好的開(kāi)放性和可拓展性，各模塊屬性可快速被定義，通過(guò)擴(kuò)展前級(jí)NetFPGA板卡，還可以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的MIMO傳輸平臺(tái)搭建。由于NetFPGA與USRP的可編程性，使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可做其他MIMO通信方面的實(shí)驗(yàn)，方便對(duì)MIMO物理層處理、多路高速數(shù)據(jù)交換、流量控制及通信接入算法等研究。

NI USRP；NetFPGA；MIMO；大規(guī)模MIMO；平臺(tái)

0 引言

MIMO技術(shù)是未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信最關(guān)鍵技術(shù)之一，它能夠?qū)崿F(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率和高傳輸質(zhì)量，廣泛地被國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究[1]。大規(guī)模MIMO作為MIMO技術(shù)的升級(jí)，通過(guò)在BTS端使用大量天線實(shí)現(xiàn)了更大的無(wú)線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性[2]。目前，大規(guī)模MIMO研究大多集中在理論與仿真階段，為了讓研發(fā)者能夠證實(shí)對(duì)應(yīng)理論，需要把理論工作轉(zhuǎn)移到實(shí)際的測(cè)試臺(tái)上，這就要求實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有一定的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，方便研究者直觀快捷地獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能及時(shí)做出調(diào)整改進(jìn)。

1 大規(guī)模MIMO測(cè)試臺(tái)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外都啟動(dòng)了對(duì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)測(cè)試性研究。瑞典愛(ài)立信、韓國(guó)三星以及日本DoCoMo等公司也均在積極地組織對(duì)MassiveMIMO的研究與原型演示平臺(tái)開(kāi)發(fā)[3]。國(guó)內(nèi)華為、中興等知名的通信公司都階段性地完成了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，例如華為與中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合推出了業(yè)界第一款支持MassiveMIMO特性的基站產(chǎn)品-AAU(有源天線射頻單元)平臺(tái)；中興通訊聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)在深圳完成了TD-LTE3D/MassiveMIMO基站的研發(fā)，并成功進(jìn)行了預(yù)商用測(cè)試等[4]。

瑞典隆德大學(xué)的OveEdfors教授和FredrikTufvesson教授與NI一起合作，使用NI大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架開(kāi)發(fā)出了一套世界上最大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)硬件方面采用50套NIUSRPRIO設(shè)備來(lái)配置100天線數(shù)，定時(shí)和同步模塊采用EttusResearch公司的OctoClock時(shí)鐘分配模塊，模塊間的接口連接采用PXIe-1085機(jī)箱，保證了模塊間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咄掏铝亢偷脱舆t性。軟件方面采用NILabVIEW(NILaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其出色的軟硬件管理能力和圖形化的編程界面大大提高了開(kāi)發(fā)效率。表1列舉了該大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架系統(tǒng)參數(shù)[5]。

表1 大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架系統(tǒng)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建思路

未來(lái)大規(guī)模MIMO的關(guān)鍵指標(biāo)之一，是獲得吉比特以上的傳輸速率，勢(shì)必對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建提出更高要求[6]。為此提出幾點(diǎn)設(shè)計(jì)思路：第一,平臺(tái)必須在信號(hào)收發(fā)和數(shù)據(jù)處理方面都具備相應(yīng)的處理能力，前端靈活的軟件無(wú)線電，可用于接收和發(fā)送射頻信號(hào)，后端應(yīng)具有高性能的數(shù)據(jù)處理能力，用以滿足PHY層(PhysicalLayer)和MAC層(MediaAccessControl)執(zhí)行時(shí)所需的實(shí)時(shí)性能需求，設(shè)備間接口應(yīng)具有高吞吐量和確定性的總線，可以實(shí)現(xiàn)吉比特量級(jí)的傳輸。第二，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要具有較高的靈活性，能夠及時(shí)做出調(diào)整和修改，能快速定義部分模塊屬性，各模塊間應(yīng)該還具有良好的可擴(kuò)展性，方便研究者搭建更大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)。第三，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用設(shè)備應(yīng)該與PC機(jī)(PersonalComputer)具有良好的數(shù)據(jù)交換能力。

3 平臺(tái)硬件和軟件組成

3.1NIUSRP設(shè)備

NIUSRP作為NI公司開(kāi)發(fā)的一款優(yōu)秀通信設(shè)備，它可以靈活地發(fā)送和接受無(wú)線信號(hào)，廣泛地用于通信領(lǐng)域研究[7]。NI公司的USRP產(chǎn)品有多種，主要包括NIUSRP29XX系列和NIUSRPRIO系列，兩者主要的區(qū)別在于NIUSRPRIO配置有用于提高基帶處理速度的高性能可重配置FPGA，但成本比前者高一倍。本文平臺(tái)主要利用NIUSRP2920作為無(wú)線信號(hào)收發(fā)器，在收發(fā)前端對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位修正、濾波、模數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換和上下變頻的預(yù)處理。

3.2NetFPGA1G開(kāi)發(fā)板

NetFPGA是由斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)軟硬件兼可編程的開(kāi)放平臺(tái)，它具有易用的軟硬件接口和驅(qū)動(dòng)程序,使用者不用過(guò)多關(guān)注開(kāi)發(fā)板上的MAC與PHY層接口、PCI接口驅(qū)動(dòng)以及板卡與主機(jī)的信息交互等,從而可以更多地投入到對(duì)它的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)[8]，具體硬件參數(shù)參見(jiàn)《NetFPGA用戶手冊(cè)》。目前，關(guān)于NetFPGA的研究主要是基于NetFPGA的高速路由器、高速交換機(jī)及高速信息流處理的研究[9]。

3.3 硬件接口

5G標(biāo)志性能力指標(biāo)為實(shí)現(xiàn)“Gbps用戶體驗(yàn)速率”[10]，為了使平臺(tái)能夠滿足更多高速數(shù)據(jù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)吉比特量級(jí)的傳輸，對(duì)各模塊間接口的信息交互提出了較高的要求[11]。NIUSRP和NetFPGA都具有千兆以太網(wǎng)口，可以通過(guò)該端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。NetFPGA與PC通過(guò)PCI接口互連，保證了PC機(jī)能夠高速地對(duì)NetFPGA板卡進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端數(shù)據(jù)流的監(jiān)控和分析，PC機(jī)主板上配備的PCI(PeripheralComponentInterconnect)基本接口可以很方便地供用戶使用[12]。

3.4 操作系統(tǒng)及軟件

一款成功的通信傳輸平臺(tái)，穩(wěn)定的操作系統(tǒng)和優(yōu)秀的輔助分析軟件是必不可少的，平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性等有較高的要求。Linux系統(tǒng)作為常用的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)系統(tǒng)之一，具有非常高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和安全性[13]，且使用非常靈活，在前端作為輔助系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。NILabVIEW作為一種圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，在測(cè)量測(cè)試、仿真、控制及跨平臺(tái)處理方面有諸多的優(yōu)勢(shì)，廣泛用于各類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)[14]。NIUSRP2920的輔助分析軟件為NILabVIEW，在后端結(jié)合PC機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)和分析。

4 平臺(tái)架構(gòu)及數(shù)據(jù)處理過(guò)程分析

參考瑞典隆德大學(xué)開(kāi)發(fā)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)構(gòu)架，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備情況，在前端把NIUSRP2920充當(dāng)前端收發(fā)系統(tǒng)，后端采用NetFPGA板卡配合PC做數(shù)據(jù)處理，前后端通過(guò)千兆級(jí)的網(wǎng)線相連接。如圖1所示，列舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的2×2MIMO平臺(tái)框架圖。整個(gè)平臺(tái)構(gòu)架硬件主要包括NIUSRP2920和NetFPGA板卡；操作系統(tǒng)主要包括Linux系統(tǒng)；輔助分析軟件主要為NILabVIEW軟件等。圖2為2×2MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)端口連接圖。

圖1 2×2 MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架

圖2 2×2 MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)端口連接

NetFPGA板卡為前端核心模塊，MIMO平臺(tái)搭建初期可以利用NetFPGA板卡完成多臺(tái)USRP的連接及各數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)流動(dòng)情況監(jiān)測(cè)。NetFPGA使用比較靈活，在整個(gè)NetFPGA的基本構(gòu)架中，PHY層和MAC層等復(fù)雜接口已被定義，使用者不需要做過(guò)多修改。在所給的參考設(shè)計(jì)中，NetFPGA主要是在用戶數(shù)據(jù)路徑模塊中對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，使用者可以充分利用基本參考設(shè)計(jì)中定義的模塊頭的表示符來(lái)確定數(shù)據(jù)流流向來(lái)完所需要的工程設(shè)計(jì)[15]。

更為復(fù)雜的功能則可以借由上位機(jī)進(jìn)行處理，硬件內(nèi)部的CPU(CentralProcessingUnit)隊(duì)列通過(guò)軟件控制執(zhí)行發(fā)包與收包的功能，通過(guò)寄存器系統(tǒng)可以對(duì)硬件內(nèi)部模塊進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與功能配置等操作。由于其上FPGA芯片程序可以重配置，在開(kāi)發(fā)后期，研發(fā)人員也可通過(guò)修改程序，在FPGA芯片上完成更多通信操作，諸如MIMO物理層處理、多路數(shù)據(jù)交換、流量控制以及通信接入算法等研究。由于NetFPGA板卡有4個(gè)千兆級(jí)網(wǎng)口可以與多臺(tái)NIUSRP2920相連,并且通過(guò)SATA接口，可以擴(kuò)展多塊NetFPGA板卡同時(shí)工作，這就為后期搭建更大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)提供了便利，圖3為利用SATA線擴(kuò)展的8端口NetFPGA[16]。

圖3 8端口NetFPGA

結(jié)合圖2分析2×2MIMO平臺(tái)數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程：

發(fā)送鏈，數(shù)據(jù)在PC2上實(shí)現(xiàn)MIMO數(shù)據(jù)發(fā)送預(yù)處理，通過(guò)NILabVIEW的圖形化編程完成如QAM等多種調(diào)制及MIMO編碼算法，經(jīng)過(guò)端口1到NetFPGA板卡，完成數(shù)據(jù)交換及MIMO物理層的處理，通過(guò)端口2將數(shù)據(jù)發(fā)送到NIUSRP3和NIUSRP4設(shè)備,經(jīng)過(guò)其發(fā)送預(yù)處理后通過(guò)天線發(fā)送出去。

接收鏈，NIUSRP1和NIUSRP2設(shè)備接收到信號(hào)，經(jīng)過(guò)其接收預(yù)處理，基帶信號(hào)由端口0進(jìn)入NetFPGA板卡，在NetFPGA板卡上完成多路高速數(shù)據(jù)交換，將各通道數(shù)據(jù)匯聚通過(guò)端口1轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)PC2，主機(jī)PC2的NILabVIEW完成更高層的介質(zhì)訪問(wèn)控制。研究人員可以在NILabVIEW調(diào)用接收波形圖與發(fā)送波形對(duì)比，分析接收信號(hào)的正確性。另外，數(shù)據(jù)收發(fā)的同時(shí)，可以借助PC1的Linux系統(tǒng)，完成各端口數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析。

5 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

為了驗(yàn)證平臺(tái)的可行性和數(shù)據(jù)接收的可靠性，需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。方案選用2臺(tái)USRP2920設(shè)備完成簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)的收發(fā)測(cè)試，驗(yàn)證整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)連通性及接收數(shù)據(jù)的可靠性。圖4為收發(fā)測(cè)試端口連接圖，其中USRP1和PC3構(gòu)成發(fā)送端，USRP2、NetFPGA、PC1和PC2共同構(gòu)成接收端。

在PC3上利用NILabVIEW搭建PacketTransmitter模型作為發(fā)送模塊，在PC2上利用NILabVIEW搭建PacketReceiver模型作為接收模塊。在PC3上選用任意一段文字來(lái)作為發(fā)送數(shù)據(jù)，在PC2上驗(yàn)證是否能完整接收，并且在NetFPGA板卡上對(duì)各通道數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)發(fā)及丟包情況進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在PacketTransmitter中任意發(fā)送一段文字在PacketReceiver中能夠完整接收，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失情況。

圖4 收發(fā)測(cè)試端口連接

圖5為NetFPGA上監(jiān)測(cè)的各端口數(shù)據(jù)包流通情況，分析可知，數(shù)據(jù)進(jìn)入端口2后打包成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)包，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到端口1，端口1完成數(shù)據(jù)處理后并將數(shù)據(jù)還原成相應(yīng)格式，然后發(fā)送到PC2做進(jìn)一步處理，端口1和端口2丟包率均接近為0，再次驗(yàn)證了數(shù)據(jù)包收發(fā)可靠性。

圖5 收發(fā)端口數(shù)據(jù)包監(jiān)測(cè)示意圖

在初步完成數(shù)據(jù)連通性及接收數(shù)據(jù)的可靠性測(cè)試后，便可搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的2×2MIMO收發(fā)系統(tǒng)，來(lái)驗(yàn)證MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可行性。如圖2所示，USRP1和USRP2做數(shù)據(jù)發(fā)送端，USRP2和USRP3做數(shù)據(jù)接收端，發(fā)送接收端的USRP設(shè)備各自通過(guò)MIMOCable相連，NetFPGA板卡連接多臺(tái)USRP做簡(jiǎn)單的高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)流監(jiān)控，PC2上利用NILabVIEW軟件做2×2MIMO發(fā)送和接收控制，測(cè)試發(fā)送的數(shù)據(jù)為連續(xù)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，采用QAM4調(diào)制和Alamouti空時(shí)分組編碼。圖6為2×2MIMO接收波形圖，分析可知，接收端各個(gè)通道的星座圖能夠?qū)?shù)據(jù)解析并顯示出來(lái)。圖7為NetFPGA板卡上各通道數(shù)據(jù)包接收、轉(zhuǎn)發(fā)及丟包情況，分析可知，端口0接收到來(lái)自端口1的數(shù)據(jù)包，然后將數(shù)據(jù)傳送到USRP1和USRP2設(shè)備，端口2接收到來(lái)自USRP3和USRP4的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包成相應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送到端口1。并進(jìn)入到PC2做進(jìn)一步處理，由于端口1負(fù)責(zé)發(fā)送和接收的公共接口，數(shù)據(jù)包流動(dòng)情況明顯比端口0和端口2要高，3個(gè)端口丟包率均接近于0，說(shuō)明MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較強(qiáng)的可靠性。

圖6 2×2 MIMO 接收波形示意圖

圖7 2×2 MIMO端口數(shù)據(jù)包監(jiān)測(cè)示意圖

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)，初步完成了數(shù)據(jù)連通性及接收數(shù)據(jù)的可靠性測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的2×2MIMO平臺(tái)的收發(fā)驗(yàn)證。由于NetFPGA具有強(qiáng)大的高速數(shù)據(jù)流處理能力，借助Linux系統(tǒng)，后期可以在上面做更多的高速數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)，如MIMO物理層處理、多路數(shù)據(jù)交換、流量控制及通信接入算法等研究。另外，NetFPGA具有良好的擴(kuò)展性，通過(guò)SATA線可實(shí)現(xiàn)多塊板卡的連接，在前端實(shí)現(xiàn)更多USRP的連接，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。

6 結(jié)束語(yǔ)

介紹了大規(guī)模MIMO測(cè)試臺(tái)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了瑞典隆德大學(xué)開(kāi)發(fā)的大規(guī)模MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上提出一種基于NetFPGA+USRP的MIMO的傳輸平臺(tái)，并詳細(xì)分析了其構(gòu)架，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性及可靠性。該平臺(tái)借助于NetFPGA和USRP的可編程性，將兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)收發(fā)前后端皆可編程，數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析等處理。

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Design of MIMO Transmission Platform Based on NetFPGA+USRP

QIN Yuan-nian,TENG Zhao-yu，ZOU Chuan，JIANG Qi

(Experimental Center of Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

In this paper,the research status of Massive MIMO test bench is introduced.A MIMO(Multiple Input Multiple Output)transmission platform architecture based on NetFPGA(Net Field-Programmable Gate Array) + USRP(Universal Software Radio Peripheral) is proposed.The feasibility and reliability of constructing MIMO transmission platform with NetFPGA + USRP are verified by experiments.The platform has better openness and extensibility,and the module attributes can be defined quickly.The expansion of the front-end NetFPGA board can also realize the construction of a Massive MIMO transmission platform.Because of the programmability of NetFPGA and USRP,the experimental platform can be used for other MIMO communication experiments.It is convenient for MIMO physical processing,multi-channel high speed data exchange,traffic control and communication access algorithm research.

NI USRP;NetFPGA;MIMO;massive MIMO;platform

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.08

覃遠(yuǎn)年，滕召宇，鄒 川，等.基于NetFPGA+USRP的MIMO傳輸平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2017，43(2)：33-37.

2016-11-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61162008)；廣西科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(桂科攻12118017-5)

覃遠(yuǎn)年(1971—)，男，學(xué)士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：無(wú)線通信系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)。滕召宇(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線通信技術(shù)。

TN914

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1003-3114(2017)02-33-5