利用NI平台构建面向5G无线通信技术的Mini Massive MIMO原型验证系统
引言
随着物联网的兴起和移动互联网业务种类的日渐丰富，人们对蜂窝移动通信数据传输速率以及服务质量提出了更高的要求。由于能够充分挖掘空间维的自由度，在提高频谱效率的同时获得较好的功率利用率，大规模mimo系统引起了国内外的广泛关注，并成为下一代无线通信系统最有潜力的无线传输技术之一。大规模mimo系统配置的大规模天线阵列在带来性能增益的同时也带来了前所未有的挑战，如大规模天线阵列系统下传输方案的设计、急剧增加的系统硬件复杂度和计算复杂度等，如何实现大规模mimo的原型验证系统也是一个非常具有挑战性的问题。
本文首先对基于ni平台的大规模mimo应用程序框架进行简单介绍，接着本文将重点阐述采用ni的硬件平台成功搭建的mini massive mimo原型验证系统，包括系统的整体架构，系统时钟和触发信号的产生和分配，上下行链路的数据处理流程，以及系统的实际测试结果，最后本文将对全文进行总结。
一、基于ni平台的大规模mimo应用程序框架 基于ni平台的大规模mimo应用程序框架将软件无线电（software defined radio，sdr）节点（主要为usrp-rio系列）、时钟分配模块、高数据吞吐量pxi系统以及labview相结合，提供了一个具有鲁棒性和确定性的研发所使用的原型设计平台，图1给出了一个最多可支持128根天线的大规模mimo原型设计平台的示意框图。
图1 ni 基于pxi和usrp rio的可扩展大规模mimo系统框图
从图中可以看出，整个系统的框架由pxie-1085机箱搭建而成，采用层次化设计，数据由usrp-rio采集后经pxie-8262接口汇聚到各个子pxie-1085机箱，每个子pxie-1085机箱最多可连接16个usrp-rio即构成32×32的mimo，各个子pxie-1085机箱再通过pxie-8384和pxie-8381汇聚到主pxie-1085机箱，主pxie-1085机箱上除配置pxie-8135高性能嵌入式控制器外，还搭载了pxie-7976的fpga协处理器以用于提高数据的处理能力。
定时和同步对于任何一个需要部署大量无线电设备的系统来说都是至关重要的，对于大规模mimo系统来说也是如此，图2展示了ni 基于pxi和usrp rio的可扩展大规模mimo系统的时钟连接框图。图中所用到的octoclock模块为时钟模块，该模块既可使用内部集成的gps锁定晶体振荡器（gpsdo）作为时钟源，也可采用外部的10mhz参考时钟和每秒脉冲数（pps）信号作为时钟源和触发信号源。输入的时钟信号和触发信号可分别经由octoclock模块放大和分发为8路信号，从而可同时提供给8个octoclock模块或8台usrp设备在时钟和触发信号上的同步。
图2 系统时钟连接图
基于ni平台的可扩展大规模mimo系统的系统级同步原理可大致总结如下，pxie-6674t定时和同步模块具有一个恒温晶体振荡器（ocxo），位于主机箱的第10槽，可生成一个非常稳定且精确的10mhz参考时钟（50 ppb的精确度）和提供一个数字触发信号给octoclock-g时钟分配模块以用于时钟和触发信号的分发。之后，octoclock-g放大并分发这一10mhz参考时钟信号（mclk）和触发信号（mtrig）至8个octoclock模块，接着每个octoclock模块再以一对八的比例提供给usrp rio设备，从而确保64个usrp rio设备的所有天线共享10mhz的参考时钟和主触发信号。这样通过pxie-6674t定时和同步模块和octoclock时钟分配模块整个系统中的所有pxi机箱和无线电设备都共享一个通用10mhz参考时钟和一个数字触发信号，从而确保了整个系统的系统级同步，各个无线电设备可同步进行数据采集和生成。
二、mini massive mimo原型验证系统 本节将从系统的整体架构、系统时钟和触发信号的产生和分配、上下行链路的数据处理流程这三个方面对mini massive mimo原型验证系统进行详细介绍，系统的实际测试结果与现场成果展示将放在第三节进行单独介绍。
1．系统的整体架构
1）硬件部分
基于ni大规模mimo应用程序框架所构建的mini massive mimo原型验证系统的系统框图如下图所示
图3 mini massive mimo原型验证系统框图
系统主要由ni的pxi机箱和软件无线电节点usrp rio系列组成，以下是系统框图中所涉及的各组件的简要介绍：
1、pxie-1085机箱：18槽3u pxi express机箱，包含有16个混合插槽和1个pxi express系统定时插槽，每插槽可达4 gb/s的专用带宽，整个机箱可达12 gb/s的系统带宽。
2、pxie-8135：ni pxie-8135是基于intel core i7-3610qe处理器的高性能嵌入式控制器，配置了2.3 ghz基频、3.3 ghz（单核turbo boost模式）四核处理器和双通道1,600 mhz ddr3内存，可用于pxi系统。在外设方面，pxie-8135包含2个superspeed usb端口、4个高速usb端口、2个千兆以太网端口、gpib、串口和其他外设。
3、pxie-8374/ pxie-8262：mxie x4 cabled pcie接口板卡，可用于连接usrp rio与pxi机箱以进行数据交换，实时的数据传输带宽可达200mhz，最大传输速率可达800mb/s。
4、pxie-6674t：定时和多机箱同步模块，板载高稳定性10 mhz ocxo (50 ppb精度)和高精度dds时钟生成，分辨率可达0.3 hz至1 ghz，该模块可生成时钟和触发信号，生成的时钟或触发信号可在1个pxi express机箱中的多个设备之间进行路由，也可路由至其他pxi和pxi express机箱以及第三方仪器以实现整个系统的时钟和触发信号的精确同步。
5、ni 2953r：usrp rio系列软件无线电节点，其内部包含一个可编程（xilinx kintex-7）fpga和两个40mhz 带宽的rf收发器，中心频点可配置在1.2-6ghz的频段范围内，最大的信号发射功率为15dbm，表1给出了ni 2953r的一些详细硬件参数。
表 1 ni 2953r的详细硬件参数
图中，高性能嵌入式控制器pxie-8135插于pxie-1085机箱的第1个插槽，定时和多机箱同步模块pxie-6674t插于第10槽， 8个ni 2953r分别通过pxie-8374或pxie-8262接口板卡连接到pxie-1085机箱的其它8个插槽，从而每个ni 2953r能够以最大800mb/s的速率将数据汇集到pxi机箱并通过机箱背板进行板间数据交换以实现软件无线电节点间、软件无线电节点与pxie-8135控制器间的数据传递。
由于所搭建的mini massive mimo原型验证系统是tdd系统，且采用简化的lte无线帧格式和使用ofdm无线传输技术，考虑到系统的可扩展性和系统未来带宽的增加（如引入载波聚合等先进技术），同时为满足系统速率要求和有限资源限制，mini massive mimo在设计时考虑将整个系统划分为多个子系统（并保留相关数据接口），每个子系统由8个ni 2953r和其对应的1个pxie-1085机箱组成，负责处理分配给当前子系统的固定带宽的数据，因而图3所示的mini massive mimo系统框图实际仅为一个子系统的系统框图，需要注意的是，除了所处理的数据所在频带不同外，各个子系统的结构与各部分功能均完全一致。
本文主要对当前子系统（即16*2的mini massive mimo系统）进行介绍。根据实现功能的不同， 16*2的mini massive mimo系统中的8个ni 2953r被划分为不同的功能模块，如图4所示，它们分别是天线合并模块、带宽拆分模块、信道估计模块、mimo检测模块、射频通道校准模块、mimo预编码模块、带宽合并模块和天线拆分模块。其中，天线合并模块和天线拆分模块分别负责汇聚来自各个天线的数据和将数据分发至各个物理天线，带宽拆分模块负责将该子系统中整带宽的数据划分成不同子带并分配至其它子系统，带宽合并模块负责汇聚其它子系统传输过来的子带的数据，mimo检测模块和mimo预编码模块则是分别负责对该子系统所负责的子带数据进行检测译码和预编码。
图4 系统功能模块划分
对于上行链路，接收到的数据首先会汇聚到天线合并模块，然后由天线合并模块传递给带宽拆分模块进行数据的按带宽划分以分配给不同的子系统，各子系统的信道估计模块接收到来自带宽拆分模块的数据后进行信道估计，并将估计出的信道信息传递给mimo检测模块以用于用户数据的检测；同样的对于下行链路，要发送的数据首先由控制器传送给mimo预编码模块，mimo预编码模块根据信道估计模块和射频通道校准模块的信息对数据进行预编码后将已预编码的数据传递给带宽合并模块，以合并其它子系统所处理的带宽的数据从而形成整带宽数据，最后整带宽的数据将会被传送给天线拆分模块以实现所要发送的数据被分配至各个实际的物理天线进行发送。
2）软件部分
系统的软件部分包括fpga程序与上位机程序，其中，fpga程序运行于ni 2953r上，主要完成接收信号或发射信号的下、上变频，模数、数模转换以及硬件部分所述的模块功能，信号处理流程见图10。
另一方面，上位机程序主要负责设置系统的相关参数、配置各ni 2953r、产生所需发送数据或显示系统接收到的数据以及启动或停止系统的运行，图5和图6给出了上位机程序的前面板。
图5 上位机程序前面板一
图中部的上行链路星座图上显示出当前有两个用户正在发送数据，且数据采用16qam调制，图左下角的簇控件中指示系统将usrp1配置为天线合并模块，usrp2配置为带宽拆分模块，usrp3配置为mimo检测模块，以此类推。
图6 上位机程序前面板二
上图给出了系统的相关参数的配置，包括系统的载波频率，发送功率，采样率，调制方式等等，如当前系统的载波频率为4.1ghz，采样率为15.36ms/s，调制方式为16qam。上位机对系统的配置流程图见图7。
图7 上位机对系统的配置流程
2. 系统时钟和触发信号的产生和分配
参考于ni 基于pxi和usrp rio的可扩展大规模mimo系统的时钟连接，mini massive mimo系统的时钟和触发信号分发网络如图8所示：
图8 mini massive mimo系统的时钟和触发信号分发网络
系统采用octoclock模块构建时钟和触发信号分发网络，系统的触发信号和源时钟信号从pxie 6674t引出后输入到octoclock模块进行路由和分发，而后octoclock模块输出端的8路时钟信号和8路触发信号分别通过等长的传输电缆输入到8个ni 2953r以确保系统各个ni 2953r的时钟与触发信号的同步。源触发信号的产生是通过设定主ni 2953r然后在主ni 2953r中以软件触发的方式发出一个启动脉冲来实现。该启动脉冲信号（源触发信号）在主设备的一个输出端口上被引出，并输入至pxie-6674t中放大，然后传递到octoclock模块，并沿着电缆向下分布到系统中的各个ni 2953r设备（包括主设备自己），它的主要作用为设置参考时钟边沿以用于各个ni 2953r发射和接收时同步启动采集。图9为系统时钟和触发信号分发网络的实物连接图。初步测试结果显示在此同步架构下，参考时钟偏移在100 ps以内，触发偏移在1.5 ns以内。
图9系统时钟和触发信号分发网络的实物连接图
3. 上下行链路的数据处理流程
对于上行链路，系统中的8个ni 2953r的16根天线采集到的射频信号经过射频通道的低噪声放大、下变频和adc采样量化后被分别送入到各个ni 2953r的fpga中进行下采样、频率偏移校正、iq信号校正和fft，之后压入p2p fifo或本地fifo中以用于传递到相应模块进行后续处理，如信道估计，信号检测等。
图10上下行链路的数据处理流程
对于下行链路，数据首先由控制器传递到mimo预编码模块进行预编码，然后通过带宽合并和天线拆分模块分发到8个ni 2953r，在各个ni 2953r的fpga中进行ofdm调制、频率偏移校正和iq信号校正，校正过后的数据再被送入到各个射频通道进行数模转换和上变频最后通过天线发送出去。
三、 系统的实测结果与现场成果展示 系统的实测结果如图11所示。图中展示的是在labview communication下的程序前面板框图，从图中可以看出，当前有一个用户在发送上行数据，数据调制方式为16qam，由于没有其它用户干扰，星座图的星座点较细系统性能较好。
图11 labview communication下系统实测结果
图12 labview communication下的system designer所显示系统逻辑连接图
mini massive mimo系统的实物图见图13和图14，其中，图13给出的是系统整体外观，从上至下依次为系统host端显示器用于显示接收信号星座图，由两个ni 2953r构成的两个单天线用户，由10个ni 2953r（其中2个为模拟其它子系统的存在）和pxie-1085机箱构成的massive mimo系统的基站，以及8*2的upa天线阵列。
图13 系统实物图
图14 系统host端显示器
四、结论 本应用利用ni usrp rio与pxi平台，采用ni labview和labview communication作为开发软件，构建了面向5g无线通信技术的mini massive mimo原型验证系统。系统采取层次化设计，各部分功能模块相对独立，具有较强的可扩展性，系统的核心算法如ofdm调制解调、信道估计与mimo检测等均在高性能的fpga端完成，满足系统的实时性的要求，mini massive mimo原型验证系统非常适用于验证和测试面向大规模mimo无线通信系统的多种关键技术和算法性能。
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本文首先对基于ni平台的大规模mimo应用程序框架进行简单介绍，接着本文将重点阐述采用ni的硬件平台成功搭建的mini massive mimo原型验证系统，包括系统的整体架构，系统时钟和触发信号的产生和分配，上下行链路的数据处理流程，以及系统的实际测试结果，最后本文将对全文进行总结。
一、基于ni平台的大规模mimo应用程序框架 基于ni平台的大规模mimo应用程序框架将软件无线电（software defined radio，sdr）节点（主要为usrp-rio系列）、时钟分配模块、高数据吞吐量pxi系统以及labview相结合，提供了一个具有鲁棒性和确定性的研发所使用的原型设计平台，图1给出了一个最多可支持128根天线的大规模mimo原型设计平台的示意框图。
图1 ni 基于pxi和usrp rio的可扩展大规模mimo系统框图
从图中可以看出，整个系统的框架由pxie-1085机箱搭建而成，采用层次化设计，数据由usrp-rio采集后经pxie-8262接口汇聚到各个子pxie-1085机箱，每个子pxie-1085机箱最多可连接16个usrp-rio即构成32×32的mimo，各个子pxie-1085机箱再通过pxie-8384和pxie-8381汇聚到主pxie-1085机箱，主pxie-1085机箱上除配置pxie-8135高性能嵌入式控制器外，还搭载了pxie-7976的fpga协处理器以用于提高数据的处理能力。
定时和同步对于任何一个需要部署大量无线电设备的系统来说都是至关重要的，对于大规模mimo系统来说也是如此，图2展示了ni 基于pxi和usrp rio的可扩展大规模mimo系统的时钟连接框图。图中所用到的octoclock模块为时钟模块，该模块既可使用内部集成的gps锁定晶体振荡器（gpsdo）作为时钟源，也可采用外部的10mhz参考时钟和每秒脉冲数（pps）信号作为时钟源和触发信号源。输入的时钟信号和触发信号可分别经由octoclock模块放大和分发为8路信号，从而可同时提供给8个octoclock模块或8台usrp设备在时钟和触发信号上的同步。
图2 系统时钟连接图
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1．系统的整体架构
1）硬件部分
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图3 mini massive mimo原型验证系统框图
系统主要由ni的pxi机箱和软件无线电节点usrp rio系列组成，以下是系统框图中所涉及的各组件的简要介绍：
1、pxie-1085机箱：18槽3u pxi express机箱，包含有16个混合插槽和1个pxi express系统定时插槽，每插槽可达4 gb/s的专用带宽，整个机箱可达12 gb/s的系统带宽。
2、pxie-8135：ni pxie-8135是基于intel core i7-3610qe处理器的高性能嵌入式控制器，配置了2.3 ghz基频、3.3 ghz（单核turbo boost模式）四核处理器和双通道1,600 mhz ddr3内存，可用于pxi系统。在外设方面，pxie-8135包含2个superspeed usb端口、4个高速usb端口、2个千兆以太网端口、gpib、串口和其他外设。
3、pxie-8374/ pxie-8262：mxie x4 cabled pcie接口板卡，可用于连接usrp rio与pxi机箱以进行数据交换，实时的数据传输带宽可达200mhz，最大传输速率可达800mb/s。
4、pxie-6674t：定时和多机箱同步模块，板载高稳定性10 mhz ocxo (50 ppb精度)和高精度dds时钟生成，分辨率可达0.3 hz至1 ghz，该模块可生成时钟和触发信号，生成的时钟或触发信号可在1个pxi express机箱中的多个设备之间进行路由，也可路由至其他pxi和pxi express机箱以及第三方仪器以实现整个系统的时钟和触发信号的精确同步。
5、ni 2953r：usrp rio系列软件无线电节点，其内部包含一个可编程（xilinx kintex-7）fpga和两个40mhz 带宽的rf收发器，中心频点可配置在1.2-6ghz的频段范围内，最大的信号发射功率为15dbm，表1给出了ni 2953r的一些详细硬件参数。
表 1 ni 2953r的详细硬件参数
图中，高性能嵌入式控制器pxie-8135插于pxie-1085机箱的第1个插槽，定时和多机箱同步模块pxie-6674t插于第10槽， 8个ni 2953r分别通过pxie-8374或pxie-8262接口板卡连接到pxie-1085机箱的其它8个插槽，从而每个ni 2953r能够以最大800mb/s的速率将数据汇集到pxi机箱并通过机箱背板进行板间数据交换以实现软件无线电节点间、软件无线电节点与pxie-8135控制器间的数据传递。
由于所搭建的mini massive mimo原型验证系统是tdd系统，且采用简化的lte无线帧格式和使用ofdm无线传输技术，考虑到系统的可扩展性和系统未来带宽的增加（如引入载波聚合等先进技术），同时为满足系统速率要求和有限资源限制，mini massive mimo在设计时考虑将整个系统划分为多个子系统（并保留相关数据接口），每个子系统由8个ni 2953r和其对应的1个pxie-1085机箱组成，负责处理分配给当前子系统的固定带宽的数据，因而图3所示的mini massive mimo系统框图实际仅为一个子系统的系统框图，需要注意的是，除了所处理的数据所在频带不同外，各个子系统的结构与各部分功能均完全一致。
本文主要对当前子系统（即16*2的mini massive mimo系统）进行介绍。根据实现功能的不同， 16*2的mini massive mimo系统中的8个ni 2953r被划分为不同的功能模块，如图4所示，它们分别是天线合并模块、带宽拆分模块、信道估计模块、mimo检测模块、射频通道校准模块、mimo预编码模块、带宽合并模块和天线拆分模块。其中，天线合并模块和天线拆分模块分别负责汇聚来自各个天线的数据和将数据分发至各个物理天线，带宽拆分模块负责将该子系统中整带宽的数据划分成不同子带并分配至其它子系统，带宽合并模块负责汇聚其它子系统传输过来的子带的数据，mimo检测模块和mimo预编码模块则是分别负责对该子系统所负责的子带数据进行检测译码和预编码。
图4 系统功能模块划分
对于上行链路，接收到的数据首先会汇聚到天线合并模块，然后由天线合并模块传递给带宽拆分模块进行数据的按带宽划分以分配给不同的子系统，各子系统的信道估计模块接收到来自带宽拆分模块的数据后进行信道估计，并将估计出的信道信息传递给mimo检测模块以用于用户数据的检测；同样的对于下行链路，要发送的数据首先由控制器传送给mimo预编码模块，mimo预编码模块根据信道估计模块和射频通道校准模块的信息对数据进行预编码后将已预编码的数据传递给带宽合并模块，以合并其它子系统所处理的带宽的数据从而形成整带宽数据，最后整带宽的数据将会被传送给天线拆分模块以实现所要发送的数据被分配至各个实际的物理天线进行发送。
2）软件部分
系统的软件部分包括fpga程序与上位机程序，其中，fpga程序运行于ni 2953r上，主要完成接收信号或发射信号的下、上变频，模数、数模转换以及硬件部分所述的模块功能，信号处理流程见图10。
另一方面，上位机程序主要负责设置系统的相关参数、配置各ni 2953r、产生所需发送数据或显示系统接收到的数据以及启动或停止系统的运行，图5和图6给出了上位机程序的前面板。
图5 上位机程序前面板一
图中部的上行链路星座图上显示出当前有两个用户正在发送数据，且数据采用16qam调制，图左下角的簇控件中指示系统将usrp1配置为天线合并模块，usrp2配置为带宽拆分模块，usrp3配置为mimo检测模块，以此类推。
图6 上位机程序前面板二
上图给出了系统的相关参数的配置，包括系统的载波频率，发送功率，采样率，调制方式等等，如当前系统的载波频率为4.1ghz，采样率为15.36ms/s，调制方式为16qam。上位机对系统的配置流程图见图7。
图7 上位机对系统的配置流程
2. 系统时钟和触发信号的产生和分配
参考于ni 基于pxi和usrp rio的可扩展大规模mimo系统的时钟连接，mini massive mimo系统的时钟和触发信号分发网络如图8所示：
图8 mini massive mimo系统的时钟和触发信号分发网络
系统采用octoclock模块构建时钟和触发信号分发网络，系统的触发信号和源时钟信号从pxie 6674t引出后输入到octoclock模块进行路由和分发，而后octoclock模块输出端的8路时钟信号和8路触发信号分别通过等长的传输电缆输入到8个ni 2953r以确保系统各个ni 2953r的时钟与触发信号的同步。源触发信号的产生是通过设定主ni 2953r然后在主ni 2953r中以软件触发的方式发出一个启动脉冲来实现。该启动脉冲信号（源触发信号）在主设备的一个输出端口上被引出，并输入至pxie-6674t中放大，然后传递到octoclock模块，并沿着电缆向下分布到系统中的各个ni 2953r设备（包括主设备自己），它的主要作用为设置参考时钟边沿以用于各个ni 2953r发射和接收时同步启动采集。图9为系统时钟和触发信号分发网络的实物连接图。初步测试结果显示在此同步架构下，参考时钟偏移在100 ps以内，触发偏移在1.5 ns以内。
图9系统时钟和触发信号分发网络的实物连接图
3. 上下行链路的数据处理流程
对于上行链路，系统中的8个ni 2953r的16根天线采集到的射频信号经过射频通道的低噪声放大、下变频和adc采样量化后被分别送入到各个ni 2953r的fpga中进行下采样、频率偏移校正、iq信号校正和fft，之后压入p2p fifo或本地fifo中以用于传递到相应模块进行后续处理，如信道估计，信号检测等。
图10上下行链路的数据处理流程
对于下行链路，数据首先由控制器传递到mimo预编码模块进行预编码，然后通过带宽合并和天线拆分模块分发到8个ni 2953r，在各个ni 2953r的fpga中进行ofdm调制、频率偏移校正和iq信号校正，校正过后的数据再被送入到各个射频通道进行数模转换和上变频最后通过天线发送出去。
三、 系统的实测结果与现场成果展示 系统的实测结果如图11所示。图中展示的是在labview communication下的程序前面板框图，从图中可以看出，当前有一个用户在发送上行数据，数据调制方式为16qam，由于没有其它用户干扰，星座图的星座点较细系统性能较好。
图11 labview communication下系统实测结果
图12 labview communication下的system designer所显示系统逻辑连接图
mini massive mimo系统的实物图见图13和图14，其中，图13给出的是系统整体外观，从上至下依次为系统host端显示器用于显示接收信号星座图，由两个ni 2953r构成的两个单天线用户，由10个ni 2953r（其中2个为模拟其它子系统的存在）和pxie-1085机箱构成的massive mimo系统的基站，以及8*2的upa天线阵列。
图13 系统实物图
图14 系统host端显示器
四、结论 本应用利用ni usrp rio与pxi平台，采用ni labview和labview communication作为开发软件，构建了面向5g无线通信技术的mini massive mimo原型验证系统。系统采取层次化设计，各部分功能模块相对独立，具有较强的可扩展性，系统的核心算法如ofdm调制解调、信道估计与mimo检测等均在高性能的fpga端完成，满足系统的实时性的要求，mini massive mimo原型验证系统非常适用于验证和测试面向大规模mimo无线通信系统的多种关键技术和算法性能。
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基于MC33937A混合和电动汽车逆变器参考设计
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