利用NI平臺構(gòu)建面向5G無線通信技術(shù)的Mini Massive MIMO原型驗證系統(tǒng)

利用NI平臺構(gòu)建面向5G無線通信技術(shù)的MiniMassiveMIMO原型驗證系統(tǒng)引言隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類的日漸豐富，人們對蜂窩移動通信數(shù)據(jù)傳輸速率以及服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求。由于能夠充分挖掘空間維的自由度，在提高頻譜效率的同時獲得較好的功率利用率，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，并成為下一代無線通信系統(tǒng)最有潛力的無線傳輸技術(shù)之一。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)配置的大規(guī)模天線陣列在帶來性能增益的同時也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，如大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)下傳輸方案的設(shè)計、急劇增加的系統(tǒng)硬件復(fù)雜度和計算復(fù)雜度等，如何實現(xiàn)大規(guī)模MIMO的原型驗證系統(tǒng)也是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。本文首先對基于NI平臺的大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架進行簡單介紹，接著本文將重點闡述采用NI的硬件平臺成功搭建的MiniMassiveMIMO原型驗證系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的整體架構(gòu)，系統(tǒng)時鐘和觸發(fā)信號的產(chǎn)生和分配，上下行鏈路的數(shù)據(jù)處理流程，以及系統(tǒng)的實際測試結(jié)果，最后本文將對全文進行總結(jié)。一、基于NI平臺的大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架基于NI平臺的大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架將軟件無線電（SoftwareDefinedRadio，SDR）節(jié)點（主要為USRP-RIO系列）、時鐘分配模塊、高數(shù)據(jù)吞吐量PXI系統(tǒng)以及LabVIEW相結(jié)合，提供了一個具有魯棒性和確定性的研發(fā)所使用的原型設(shè)計平臺，圖1給出了一個最多可支持128根天線的大規(guī)模MIMO原型設(shè)計平臺的示意框圖。

圖1NI基于PXI和USRPRIO的可擴展大規(guī)模MIMO系統(tǒng)框圖從圖中可以看出，整個系統(tǒng)的框架由PXIe-1085機箱搭建而成，采用層次化設(shè)計，數(shù)據(jù)由USRP-RIO采集后經(jīng)PXIe-8262接口匯聚到各個子PXIe-1085機箱，每個子PXIe-1085機箱最多可連接16個USRP-RIO即構(gòu)成32×32的MIMO，各個子PXIe-1085機箱再通過PXIe-8384和PXIe-8381匯聚到主PXIe-1085機箱，主PXIe-1085機箱上除配置PXIe-8135高性能嵌入式控制器外，還搭載了PXIe-7976的FPGA協(xié)處理器以用于提高數(shù)據(jù)的處理能力。定時和同步對于任何一個需要部署大量無線電設(shè)備的系統(tǒng)來說都是至關(guān)重要的，對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)來說也是如此，圖2展示了NI基于PXI和USRPRIO的可擴展大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的時鐘連接框圖。圖中所用到的OctoClock模塊為時鐘模塊，該模塊既可使用內(nèi)部集成的GPS鎖定晶體振蕩器（GPSDO）作為時鐘源，也可采用外部的10MHz參考時鐘和每秒脈沖數(shù)（PPS）信號作為時鐘源和觸發(fā)信號源。輸入的時鐘信號和觸發(fā)信號可分別經(jīng)由OctoClock模塊放大和分發(fā)為8路信號，從而可同時提供給8個OctoClock模塊或8臺USRP設(shè)備在時鐘和觸發(fā)信號上的同步。

圖2系統(tǒng)時鐘連接圖基于NI平臺的可擴展大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的系統(tǒng)級同步原理可大致總結(jié)如下，PXIe-6674T定時和同步模塊具有一個恒溫晶體振蕩器（OCXO），位于主機箱的第10槽，可生成一個非常穩(wěn)定且精確的10MHz參考時鐘（50ppb的精確度）和提供一個數(shù)字觸發(fā)信號給OctoClock-G時鐘分配模塊以用于時鐘和觸發(fā)信號的分發(fā)。之后，OctoClock-G放大并分發(fā)這一10MHz參考時鐘信號（MCLK）和觸發(fā)信號（MTrig）至8個OctoClock模塊，接著每個OctoClock模塊再以一對八的比例提供給USRPRIO設(shè)備，從而確保64個USRPRIO設(shè)備的所有天線共享10MHz的參考時鐘和主觸發(fā)信號。這樣通過PXIe-6674T定時和同步模塊和OctoClock時鐘分配模塊整個系統(tǒng)中的所有PXI機箱和無線電設(shè)備都共享一個通用10MHz參考時鐘和一個數(shù)字觸發(fā)信號，從而確保了整個系統(tǒng)的系統(tǒng)級同步，各個無線電設(shè)備可同步進行數(shù)據(jù)采集和生成。二、MiniMassiveMIMO原型驗證系統(tǒng)本節(jié)將從系統(tǒng)的整體架構(gòu)、系統(tǒng)時鐘和觸發(fā)信號的產(chǎn)生和分配、上下行鏈路的數(shù)據(jù)處理流程這三個方面對MiniMassiveMIMO原型驗證系統(tǒng)進行詳細介紹，系統(tǒng)的實際測試結(jié)果與現(xiàn)場成果展示將放在第三節(jié)進行單獨介紹。1．系統(tǒng)的整體架構(gòu)1）硬件部分基于NI大規(guī)模MIMO應(yīng)用程序框架所構(gòu)建的MiniMassiveMIMO原型驗