利用NI USRP打造出经济实惠的8x8 MIMO与多用户的通信研究项目说明

1. 8x8 MIMO 简介
现在Single-Link 单连结MIMO (多重输入与多重输出) 通信的概念可说是非常普遍[1]，新的无线标准也陆续采用此技术。 比如说LTE Advanced 标准，其中结合了高达4x4 MIMO 上行与8x8 MIMO 下行[2]。 随着各式标准持续提高数据传输率、用户人数与稳定的链接数量，工程师也必须开发新并仿真的算法，并且在实际情况下加以检验。 而且各机构也开始大量投资MIMO 应用，包含多使用者的MIMO (MU-MIMO)、合作式MIMO 与协作多点(CoMP) 等项目。 研究基金的竞争状况越来越激烈，同时因为原型制作决定了新算法的实用性，重要性更甚于仿真通道，因此让整个情况更具挑战性。 如要发表全新的研究结果，必须建置原型，而且研究结果还要具有充分的重复使用率。 可扩充的现成软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR) 解决方案可在研究员制作算法原型时提供关键优势，因其兼具了开发客制化无线电的低成本弹性，以及高成本传统仪器的可重复使用效能。

图1. NI USRP-2920 设备
通用软件无线电外围设备(USRP，见图1) 可说是最方便好用也最经济实惠的现成软件定义无线电系统，非常适合更高阶次的MIMO 应用。 此技术文章说明了LabVIEW (图2) 与USRP 平台的使用方式，进而打造出相位同调(Phase Coherent) 的MIMO 测试台，可以从2x2 扩充为8x8 天线设定，并且用来测试多种MIMO 与多用户的通信研究项目。

图2. 8x8 MIMO LabVIEW 人机界面

2. USRP 硬件概述
USRP 平台是一款RF 软件设定的无线电收发器，可用于无线通信研究。 将USRP 连接至主计算机后，即可做为软件定义的无线电，提供主机架构的数字信号处理功能。 每个USRP 设备都会提供独立的传送与接收通道，可针对特定的硬件配置提供全双工作业效能。
USRP 设备会通过GB ETHERNET 端口连接至主计算机，此端口需要Standard 1 Gigabit Ethernet (GbE) 连接功能。 同时以6 伏特DC 运作，最高耗电量为18 瓦特。 请参阅USRP 系统方块图(图3)，传送与接收链分别独立运作，但会共享一个通用的内接10-MHz TCXO 参考频率，局部震荡器(LO) 便是来自此频率。

图3. NI USRP-2920 系统方块图
Rx 信号路径
就接收端而言(图3 下方)，所接收的模拟RF 信号会通过RX 1 或RX 2 接头进入，这会由可设定的切换开关来决定，并且经过可调整的(0-30dB) 增益阶段到达混合器，进而将LO RF 频率直接转换为基带IQ 组件。100MS/s、14 位的双信道ADC 会过滤基带I/Q 模拟信号并取得其样本。 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 偏移修正作业、采用CORDIC 执行数字降转换以修正次要的频率偏移并达到所需的RF 中央频率，过滤并抽取100M S/sec 的输入信号至用户所指定的IQ 速率。 经过降转换的样本接着会通过标准的GbE 连接功能传送至主计算机，如果是16 位模式的话基带IQ 速率最高可达25 MS/s，如果是8 位模式的话则是50 MS/s。
Tx 信号路径
就传送端而言(图3 上方)，主计算机会合成基带IQ 信号，接着通过GbE 连接功能把合成过的I/Q 信号样本传送至USRP，如果是16 位模式的话最高可达25 MS/s，如果是8 位模式的话则是50 MS/s。USRP 硬件OSP 会采用数字升转换程序来插入合成信号并且升转换至400MS/s，根据所需的RF 中央频率套用CORDIC 以便修正次要的频率偏移，接着通过16 位的双信道DAC 将信号转换为模拟信号。 再来会通过直接转换架构来过滤并调变此模拟信号以达到指定的RF 频率，进一步混合LO 与模拟基带IQ 信号。 可调整的(0-30dB) 增益阶段会放大信号，以便通过外接的TX 1 端口来传送信号。
时序与频率
有了MIMO 扩充埠即可同步化2 个USRP 的时序与频率，此外也可做为以太网络开关，一组USRP 就能够共享单一GbE 连接。USRP 前端设备具有REF IN (10-MHz 参考频率) 与PPS (每秒脉冲) SMA 连接，可提供外部频率参考与时序的同步化功能，以便补足内接的TCXO 以提高频率准确度，也可针对大量设备提供同步化功能。
NI-USRP 驱动程序
至于软件方面，LabVIEW 开发系统提供方便的强大接口，可搭配USRP 硬件，以便快速制作通信算法原型。NI-USRP 软件驱动程序提供直觉性的函式、VI (LabVIEW 虚拟仪器，可直接对应至硬件配置以便设定时序与同步状态)、开启/关闭阶段，还能执行读写作业。 通过简易的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 应用一定会包含下列6 个参数：
Device Names：受控USRP 的专属IP 地址。 新的USRP 硬件默认的IP 地址是192.168.10.2
IQ Rate：基带IQ 波形的取样率决定了撷取或合成作业的实时带宽
Carrier Frequency：重点频谱的中点。 转换至基带IQ 后载波频率就会成为中心或DC 组件
Gain：套用至模拟RF 信号的可调整增益(通常为0 ~ 30dB)
Active Antenna：切换设定，可决定以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. 使用NI-USRP 驱动程序的LabVIEW 程序方块图

3. 可扩充的8x8 MIMO 硬件系统架构
多个USRP 设备可整合为单一个相位同调天线数组，以便传送/接收信号。 本文所探讨的MIMO 测试台可从2x2 扩充为8x8 天线设定(最多有8 个传输器和8 个接收器)。 建置测试台时必须考虑到的硬件组件与优缺点，包含了频率与时序同步，以及数据总线带宽。
频率与时序同步化
就标准的MIMO 通信测试台而言，所有的Rx 或Tx 通道必须做为单一接收器或传输器运作，同时搭配频率与时序同步化功能以及一个相位同调的局部震荡器(LO)。8x8 MIMO 测试台的8 个USRP 设备都会采用相同的10MHz 参考频率与PPS 时序基础，借此达到同步化效能。 根据8x8 MIMO 系统方块图(图5)，4 个USRP 设备会直接连接至每个参考信号，接着另外4 个USRP 设备会通过MIMO Data 与Synchronization 接线共享此信号。 这样一来即可同步化所有8 个USRP 设备的频率与时序，同时单一10-MHz 参考频率还会衍生出相位同调的LO。 用来产生频率的硬件则是OCXO (Oven Controlled Oscillator 恒温震荡器)，此硬件采用Trimble 公司的Thunderbolt® GPS 授时频率，可提供10 MHz 的参考频率输出与数字PPS 输出[4]。OCXO 的频率来源非常准确，不必安装GPS 天线即可运作。 安装GPS 天线则可以改善GPS 授时的同步化效能，提供一致的时序概念。

图5. 8x8 MIMO 系统方块图
此外10 MHz 与PPS 参考信号的功率准位也是相当重要的考虑，因为频率信号会分配至所有的无线电。 在此应用中，通用的同轴BNC「T」连接会划分信号两次，以便同步化前4 个USRP 设备。Tunderbolt 可提供大约7dBm 的10MHz 参考，以及2.4 V 的数字PPS 信号。 二度划分信号(也就是以伞状分散至4 个设备) 就会变成1dBm 与0.6V 参考，接近推荐的USRP Ref In 与PPS 输入准位(0dBm 与3.3V LVTTL 相容)。 如果必须进一步划分参考信号以确保适当的同步化效能，NI 建议将10MHz 与PPS 信号放大至建议的功率准位。
8x8 MIMO 零件列表(表1) 包含了用来建置8x8 MIMO 测试台的组件。 所有组件都是标准的现成零件。

好东西啊，要好好学习学习