一文详解NI MIMO原型验证系统硬件
由于以无线方式连接的设备越来越多，因此急切需要能够满足更高数据与容量需求的无线技术。 来势汹汹的物联网（iot）设备已对既有的无线网络造成极大负担，而随着视频流与虚拟实境技术的普及，对数据传输率的需求也非现有速率能满足的。 多输入/多输出（mimo）这项技术有望通过实现新一代无线技术来解决上述问题。 只要使用多根天线，便能在相同的时域与频域传输多个数据信号，可同时大幅提升容量、传输率或稳定性。 随着顶尖研究人员与无线网络公司迫切探索全新通信技术，mimo也将成为一个热门话题。
尤其是多用户mimo （mu-mimo）技术，更确保了第五代（5g）无线网络具有广阔的前景。 mu-mimo使得基站能够采用大量天线，通过高级信号处理技术，同时锁定多个用户，并重复使用相同的时间与频率空间。 mu-mimo与massive mimo（mu-mimo的其中一种）能够将无线网络容量提高10倍以上，同时提供更高的可靠性和网络密度。
mu-mimo与massive mimo的部分基本原理已经大致清楚，但研究人员必须建立真实原型，才能更快速进行创新。 通过ni mimo原型验证系统这款测试台，研究人员便能针对5g mimo系统进行原型验证，快速获得结果。
1. mimo原型验证系统硬件
mimo原型验证系统包含usrp rio无线电台、flexrio fpga协同处理器、时钟分配模块、pci express路由硬件，以及 pxi express机箱与控制器。 此系统可配置为多种不同的尺寸来满足客户的需求。 本文将详细介绍各种系统元件与配置。 如需进一步了解应用软件，请参阅 mimo应用程序框架技术白皮书。
usrp软件无线电
usrp rio软件无线电（sdr）通过集成式2x2 mimo收发器与高性能xilinx kintex-7 fpga来加速基带处理任务，这些组件均封装在半宽1u机架安装式机壳中。 此外，usrp rio通过一个连接至系统控制器的pci express x4电缆连接至主机控制器，并以高达800 mb/s的数据流速度传输数据至台式或pxi express上位机（或通过expresscard以200 mb/s的速度传输至笔记本电脑）。 图1为usrp rio硬件的简要程序框图。
图1. usrp rio 硬件 （a） 与系统程序框图 （b）
有线pci express开关盒
cps-8910有线式pci express开关盒（cps）将多个usrp rio pci express链路结合到单个数据流，不仅可以简化系统，同时也能有效地汇聚多个通道。 此开关盒通过有线pci express x4 gen 1链路，可支持最多8个独立下行设备。 在mimo配置中，这些数据流结合到单一pci express x8 gen 2链路，可实现高达3.2 gb/s的总数据传输率。 在其他配置中，则可使用pci express x4 gen 1上行链路。 除此之外，cps-8910也提供usrp设备之间的点对点数据流。 铜质与光纤pci express电缆均可支持。 图2为cps-8910硬件的简要程序框图。
图2. 开关盒（a）与系统框图（b）
pxi express机箱背板
此系统采用pxie-1085，pxie-1085是一款高级18槽pxi机箱，每个插槽皆搭载了pci express gen 3技术，适用于高传输率、低延迟应用。 此机箱可提供8 gb/s的每插槽带宽和24 gb/s的系统频宽。 图3为双开关背板架构。
图3. 18槽pxie-1085机箱（a）与系统框图（b）
高性能fpga协处理器
mimo原型验证系统集成了灵活的高性能flexrio fpga处理模块，可使用pxi机箱的labview fpga模块进行编程。 用于flexrio的pxie-7976r fpga模块可做为独立设备使用，能够为大型可自定义的xilinx kintex-7 410t提供与pxi express背板连接的pci express x8 gen 2链路。
图4. pxie-7976r flexrio模块（a）与系统框图（b）
精确时钟生成
pxie-6674t同步模块（图 5）具有高准确度的板载恒温槽控制石英震荡器（ocxo），能够产生10 mhz参考时钟。 该信号可以针对各个usrp rio无线电台建立参考时基，以确保精准的同步。 pxie-6674t也可对其中一个usrp rio sdr的同步触发信号进行处理后重新输出。
图5. pxie-6674t定时与同步模块
8通道时钟同步
cda-2990 8通道时钟分配模块能够通过长度匹配轨迹，以8种方式放大并分割10 mhz参考信号和秒脉冲信号，可为最多8个usrp设备提供频率与时间同步性能。 cda-2990通过集成式gps驯服振荡器（gpsdo）额外增加一个内部定时与频率参考。 图6显示的是使用gpsdo的cda-2990的系统简图。
图6. cda-2990（a）与系统框图（b）
2. 系统架构
上述硬件元件组合而成的测试台，天线数量可从几根扩展到128根同步天线。 为了简单起见，本文的每个范例皆使用128天线配置。
数据处理
高通道数mimo系统需要非常稳定的数据处理。 高达128个通道的i与q样本皆须实时处理，以便收发。 为了处理如此大量的数据，mimo原型验证系统使用了高吞吐量pci express总线。 数据通过pci express开关盒从usrp rio sdr传送至单个pxi express机箱。 机箱可汇聚数据，以便通过fpga协处理器与四核intel i7 pxi控制器集中处理这些数据。 如图7所示，pxie-1085机箱是主要的数据汇聚节点与实时信号处理引擎。 在机箱的插槽1内，pxie-8135 rt控制器可做为中央系统控制器使用。 pxie-8135 rt配备了2.3 ghz四核intel core i7-3610qe处理器 （单核turbo boost模式可达 3.3 ghz）。 此机箱额外装载了8个pxie-8384 （s1 到 s8）远端控制模块，可将pci express开关盒连接至主系统。 每个开关盒因而能够汇聚8 个usrp rio链路。 pxi机箱与开关盒之间的链路采用pci express x8 gen 2技术，可以在主机箱与其他开关盒之间提供高达3.2 gb/s的性能。
此系统还具有pxie-7976r flexrio fpga协处理器模块，可满足mimo原型验证系统的实时信号处理需求。 每个pxie-7976r皆采用强大的kintex-7 410t fpga。 每个flexrio模块都可以通过背板向彼此接收或传输数据，甚至还可以连接所有usrp rio sdr；每个fpga协同处理器的延迟均不到5微秒、传输率最高可达3.2 gb /s。 flexrio fpga协处理器的数量根据所使用的天线数量从1至4个不等。
图7.mimo原型验证系统的数据通道
定时与同步
正确的定时和同步对于任何mimo系统而言都非常重要。 mimo原型验证系统共用一个10 mhz参考时钟与数字触发器，用于触发每个无线电的采集或生成功能，以确保系统级的同步 （图 8）。 机箱内的pxie-6674t同步模块可通过ocxo生成极为稳定且准确的10 mhz参考时钟（准确度可达80 ppb）。 该模块也为与主机cda-2990时钟分配附件的设备同步提供数字触发。 而主机cda-2990则负责向另外8个cda-2990模块提供并缓存10 mhz参考（mclk）与触发（mtrig），然后再供应至usrp rio sdr，借此确保每根天线共用10 mhz参考时钟与主机触发器。 因此，上述的定时与同步架构可非常精确地控制每个无线电/天线元件。 这样便可实现相位相干运行，让各个通道与其他通道保持稳定的相位偏移。 这时您可使用软件校准技巧而妥善对齐通道。
图8.mimo原型验证系统的时钟通道
数据路径硬件与定时模块结合而成的强大测试台，能够实时处理庞大的数据流量，并且满足mimo研究人员的同步需求。 此外，此系统本身也具有扩展性。 只需稍微调整硬件架构，便能轻松新增天线。
用户端设备
在mu-mimo中，多天线基站能与用户端设备（ue）的数个单天线例程进行通信。 每个ue代表有无线功能的手机或其他无线设备。 每个ue可以使用通过有线pci express转expresscard链路连接至笔记本gpsdo的笔记本电脑。 gpsdo非常重要，不仅提供了更出色的频率准确度，还提供了同步与地理位置功能。 典型的mu-mimo测试台包含多个可做为ue的独立运行usrp rio sdr。 由于每个usrp rio sdr都有2个rf通道，每个usrp与笔记本电脑组合可代表 2个ue。
3. mu-mimo
mimo原型验证系统提供了固有的灵活性和可扩展性来满足您的需求。 此系统可处理4-128根天线 （图 9）。
图9. 128通道mu-mimo设置
如图10所示，最常见的基站配置包括16根天线、32根天线、64根天线与128根天线。 如果使用mimo应用程序框架，最多可支持12个ue。 不过，ue的数量不能超过基站天线的数量减去一。 基站天线与ue的比例等于8:1时，可实现最佳性能。
图10. 常见的mu-mimo配置
mu-mimo的实际配置可能会因研究需求而有所不同。 举例来说，可以使用ni提供的天线或自己设计的天线来衔接无线电台。 也可以选购已完成组装并经过机架测试的较大型 mimo 系统。
4. 软件界面
虽然mimo原型验证系统可使用labview完全从头设计，不过此系统专为搭配mimo应用程序框架使用而设计。 图 11所示的软件架构提供了开放式可重配置的参考设计，能够根据研究需求重新配置，也可用作全新mimo用的基础。
图 11. mimo应用程序框架的前面板
使用labview communications系统设计套件开发的mimo应用程序框架，能够支持立即可用的mu-mimo ip，例如mmse、mrc与zf波束成型。 mimo应用程序框架还提供了无线同步、信道互惠校准、可重配置的框架架构、mimo侦测、预编码与实时通信功能。 请参阅mimo应用程序框架白皮书，了解更多信息。
5. 总结
mimo原型验证系统是个灵活的硬件测试台，能够提供4到128个相位相干收发器链，由多个强大的fpga支持来实现实时处理。 此系统是原型验证mimo算法与技术的必要工具。 mimo应用程序框架大幅减少了原型验证mu-mimo与大规模mimo系统的准备工作。 mimo应用程序框架的主要算法与ip为mu-mimo系统提供了经过充分验证且功能强大的结构，使得用户无需从头创建基础架构。 mimo原型验证系统结合了mimo应用程序框架的性能，是mimo研究的理想平台，有助于用户更快速创新。
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尤其是多用户mimo （mu-mimo）技术，更确保了第五代（5g）无线网络具有广阔的前景。 mu-mimo使得基站能够采用大量天线，通过高级信号处理技术，同时锁定多个用户，并重复使用相同的时间与频率空间。 mu-mimo与massive mimo（mu-mimo的其中一种）能够将无线网络容量提高10倍以上，同时提供更高的可靠性和网络密度。
mu-mimo与massive mimo的部分基本原理已经大致清楚，但研究人员必须建立真实原型，才能更快速进行创新。 通过ni mimo原型验证系统这款测试台，研究人员便能针对5g mimo系统进行原型验证，快速获得结果。
1. mimo原型验证系统硬件
mimo原型验证系统包含usrp rio无线电台、flexrio fpga协同处理器、时钟分配模块、pci express路由硬件，以及 pxi express机箱与控制器。 此系统可配置为多种不同的尺寸来满足客户的需求。 本文将详细介绍各种系统元件与配置。 如需进一步了解应用软件，请参阅 mimo应用程序框架技术白皮书。
usrp软件无线电
usrp rio软件无线电（sdr）通过集成式2x2 mimo收发器与高性能xilinx kintex-7 fpga来加速基带处理任务，这些组件均封装在半宽1u机架安装式机壳中。 此外，usrp rio通过一个连接至系统控制器的pci express x4电缆连接至主机控制器，并以高达800 mb/s的数据流速度传输数据至台式或pxi express上位机（或通过expresscard以200 mb/s的速度传输至笔记本电脑）。 图1为usrp rio硬件的简要程序框图。
图1. usrp rio 硬件 （a） 与系统程序框图 （b）
有线pci express开关盒
cps-8910有线式pci express开关盒（cps）将多个usrp rio pci express链路结合到单个数据流，不仅可以简化系统，同时也能有效地汇聚多个通道。 此开关盒通过有线pci express x4 gen 1链路，可支持最多8个独立下行设备。 在mimo配置中，这些数据流结合到单一pci express x8 gen 2链路，可实现高达3.2 gb/s的总数据传输率。 在其他配置中，则可使用pci express x4 gen 1上行链路。 除此之外，cps-8910也提供usrp设备之间的点对点数据流。 铜质与光纤pci express电缆均可支持。 图2为cps-8910硬件的简要程序框图。
图2. 开关盒（a）与系统框图（b）
pxi express机箱背板
此系统采用pxie-1085，pxie-1085是一款高级18槽pxi机箱，每个插槽皆搭载了pci express gen 3技术，适用于高传输率、低延迟应用。 此机箱可提供8 gb/s的每插槽带宽和24 gb/s的系统频宽。 图3为双开关背板架构。
图3. 18槽pxie-1085机箱（a）与系统框图（b）
高性能fpga协处理器
mimo原型验证系统集成了灵活的高性能flexrio fpga处理模块，可使用pxi机箱的labview fpga模块进行编程。 用于flexrio的pxie-7976r fpga模块可做为独立设备使用，能够为大型可自定义的xilinx kintex-7 410t提供与pxi express背板连接的pci express x8 gen 2链路。
图4. pxie-7976r flexrio模块（a）与系统框图（b）
精确时钟生成
pxie-6674t同步模块（图 5）具有高准确度的板载恒温槽控制石英震荡器（ocxo），能够产生10 mhz参考时钟。 该信号可以针对各个usrp rio无线电台建立参考时基，以确保精准的同步。 pxie-6674t也可对其中一个usrp rio sdr的同步触发信号进行处理后重新输出。
图5. pxie-6674t定时与同步模块
8通道时钟同步
cda-2990 8通道时钟分配模块能够通过长度匹配轨迹，以8种方式放大并分割10 mhz参考信号和秒脉冲信号，可为最多8个usrp设备提供频率与时间同步性能。 cda-2990通过集成式gps驯服振荡器（gpsdo）额外增加一个内部定时与频率参考。 图6显示的是使用gpsdo的cda-2990的系统简图。
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此系统还具有pxie-7976r flexrio fpga协处理器模块，可满足mimo原型验证系统的实时信号处理需求。 每个pxie-7976r皆采用强大的kintex-7 410t fpga。 每个flexrio模块都可以通过背板向彼此接收或传输数据，甚至还可以连接所有usrp rio sdr；每个fpga协同处理器的延迟均不到5微秒、传输率最高可达3.2 gb /s。 flexrio fpga协处理器的数量根据所使用的天线数量从1至4个不等。
图7.mimo原型验证系统的数据通道
定时与同步
正确的定时和同步对于任何mimo系统而言都非常重要。 mimo原型验证系统共用一个10 mhz参考时钟与数字触发器，用于触发每个无线电的采集或生成功能，以确保系统级的同步 （图 8）。 机箱内的pxie-6674t同步模块可通过ocxo生成极为稳定且准确的10 mhz参考时钟（准确度可达80 ppb）。 该模块也为与主机cda-2990时钟分配附件的设备同步提供数字触发。 而主机cda-2990则负责向另外8个cda-2990模块提供并缓存10 mhz参考（mclk）与触发（mtrig），然后再供应至usrp rio sdr，借此确保每根天线共用10 mhz参考时钟与主机触发器。 因此，上述的定时与同步架构可非常精确地控制每个无线电/天线元件。 这样便可实现相位相干运行，让各个通道与其他通道保持稳定的相位偏移。 这时您可使用软件校准技巧而妥善对齐通道。
图8.mimo原型验证系统的时钟通道
数据路径硬件与定时模块结合而成的强大测试台，能够实时处理庞大的数据流量，并且满足mimo研究人员的同步需求。 此外，此系统本身也具有扩展性。 只需稍微调整硬件架构，便能轻松新增天线。
用户端设备
在mu-mimo中，多天线基站能与用户端设备（ue）的数个单天线例程进行通信。 每个ue代表有无线功能的手机或其他无线设备。 每个ue可以使用通过有线pci express转expresscard链路连接至笔记本gpsdo的笔记本电脑。 gpsdo非常重要，不仅提供了更出色的频率准确度，还提供了同步与地理位置功能。 典型的mu-mimo测试台包含多个可做为ue的独立运行usrp rio sdr。 由于每个usrp rio sdr都有2个rf通道，每个usrp与笔记本电脑组合可代表 2个ue。
3. mu-mimo
mimo原型验证系统提供了固有的灵活性和可扩展性来满足您的需求。 此系统可处理4-128根天线 （图 9）。
图9. 128通道mu-mimo设置
如图10所示，最常见的基站配置包括16根天线、32根天线、64根天线与128根天线。 如果使用mimo应用程序框架，最多可支持12个ue。 不过，ue的数量不能超过基站天线的数量减去一。 基站天线与ue的比例等于8:1时，可实现最佳性能。
图10. 常见的mu-mimo配置
mu-mimo的实际配置可能会因研究需求而有所不同。 举例来说，可以使用ni提供的天线或自己设计的天线来衔接无线电台。 也可以选购已完成组装并经过机架测试的较大型 mimo 系统。
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虽然mimo原型验证系统可使用labview完全从头设计，不过此系统专为搭配mimo应用程序框架使用而设计。 图 11所示的软件架构提供了开放式可重配置的参考设计，能够根据研究需求重新配置，也可用作全新mimo用的基础。
图 11. mimo应用程序框架的前面板
使用labview communications系统设计套件开发的mimo应用程序框架，能够支持立即可用的mu-mimo ip，例如mmse、mrc与zf波束成型。 mimo应用程序框架还提供了无线同步、信道互惠校准、可重配置的框架架构、mimo侦测、预编码与实时通信功能。 请参阅mimo应用程序框架白皮书，了解更多信息。
5. 总结
mimo原型验证系统是个灵活的硬件测试台，能够提供4到128个相位相干收发器链，由多个强大的fpga支持来实现实时处理。 此系统是原型验证mimo算法与技术的必要工具。 mimo应用程序框架大幅减少了原型验证mu-mimo与大规模mimo系统的准备工作。 mimo应用程序框架的主要算法与ip为mu-mimo系统提供了经过充分验证且功能强大的结构，使得用户无需从头创建基础架构。 mimo原型验证系统结合了mimo应用程序框架的性能，是mimo研究的理想平台，有助于用户更快速创新。
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