基于NetFPGA+USRP的MIMO傳輸平臺設計

覃遠年，滕召宇,鄒 川，江 琪

(桂林電子科技大學 通信實驗中心，廣西 桂林 541004)

基于NetFPGA+USRP的MIMO傳輸平臺設計

覃遠年，滕召宇,鄒 川，江 琪

(桂林電子科技大學 通信實驗中心，廣西 桂林 541004)

介紹了大規模MIMO(Massive MIMO)測試臺研究現狀，提出了一種基于NetFPGA(Net Field-Programmable Gate Array)+USRP(Universal Software Radio Peripheral)的MIMO(Multiple Input Multiple Output)傳輸平臺構架，詳細介紹了該平臺各個模塊組成，并通過實驗驗證了利用NetFPGA+USRP搭建MIMO傳輸平臺的可行性和可靠性。該平臺具有較好的開放性和可拓展性，各模塊屬性可快速被定義，通過擴展前級NetFPGA板卡，還可以實現更大規模的MIMO傳輸平臺搭建。由于NetFPGA與USRP的可編程性，使實驗平臺還可做其他MIMO通信方面的實驗，方便對MIMO物理層處理、多路高速數據交換、流量控制及通信接入算法等研究。

NI USRP；NetFPGA；MIMO；大規模MIMO；平臺

0 引言

MIMO技術是未來無線移動通信最關鍵技術之一，它能夠實現高數據傳輸速率和高傳輸質量，廣泛地被國內外學者研究[1]。大規模MIMO作為MIMO技術的升級，通過在BTS端使用大量天線實現了更大的無線數據流量和連接可靠性[2]。目前，大規模MIMO研究大多集中在理論與仿真階段，為了讓研發者能夠證實對應理論，需要把理論工作轉移到實際的測試臺上，這就要求實驗平臺具有一定的開放性和可擴展性，方便研究者直觀快捷地獲取實驗數據，并能及時做出調整改進。

1 大規模MIMO測試臺研究現狀

目前，國內外都啟動了對大規模MIMO系統測試性研究。瑞典愛立信、韓國三星以及日本DoCoMo等公司也均在積極地組織對MassiveMIMO的研究與原型演示平臺開發[3]。國內華為、中興等知名的通信公司都階段性地完成了大規模MIMO系統的部分實驗驗證，例如華為與中國移動聯合推出了業界第一款支持MassiveMIMO特性的基站產品-AAU(有源天線射頻單元)平臺；中興通訊聯合中國移動在深圳完成了TD-LTE3D/MassiveMIMO基站的研發，并成功進行了預商用測試等[4]。

瑞典隆德大學的OveEdfors教授和FredrikTufvesson教授與NI一起合作，使用NI大規模MIMO應用程序框架開發出了一套世界上最大規模的MIMO系統[5]。該系統硬件方面采用50套NIUSRPRIO設備來配置100天線數，定時和同步模塊采用EttusResearch公司的OctoClock時鐘分配模塊，模塊間的接口連接采用PXIe-1085機箱，保證了模塊間數據傳輸的高吞吐量和低延遲性。軟件方面采用NILabVIEW(NILaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)軟件進行系統設計，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發效率。表1列舉了該大規模MIMO應用程序框架系統參數[5]。

表1 大規模MIMO應用程序框架系統參數

2 實驗平臺的構建思路

未來大規模MIMO的關鍵指標之一，是獲得吉比特以上的傳輸速率，勢必對實驗平臺的構建提出更高要求[6]。為此提出幾點設計思路：第一,平臺必須在信號收發和數據處理方面都具備相應的處理能力，前端靈活的軟件無線電，可用于接收和發送射頻信號，后端應具有高性能的數據處理能力，用以滿足PHY層(PhysicalLayer)和MAC層(MediaAccessControl)執行時所需的實時性能需求，設備間接口應具有高吞吐量和確定性的總線，可以實現吉比特量級的傳輸。第二，實驗平臺需要具有較高的靈活性，能夠及時做出調整和修改，能快速定義部分模塊屬性，各模塊間應該還具有良好的可擴展性，方便研究者搭建更大規模的MIMO系統。第三，實驗平臺所用設備應該與PC機(PersonalComputer)具有良好的數據交換能力。

3 平臺硬件和軟件組成

3.1NIUSRP設備

NIUSRP作為NI公司開發的一款優秀通信設備，它可以靈活地發送和接受無線信號，廣泛地用于通信領域研究[7]。NI公司的USRP產品有多種，主要包括NIUSRP29XX系列和NIUSRPRIO系列，兩者主要的區別在于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。本文平臺主要利用NIUSRP2920作為無線信號收發器，在收發前端對信號進行相位修正、濾波、模數模數轉換和上下變頻的預處理。

3.2NetFPGA1G開發板

NetFPGA是由斯坦福大學開發的一個軟硬件兼可編程的開放平臺，它具有易用的軟硬件接口和驅動程序,使用者不用過多關注開發板上的MAC與PHY層接口、PCI接口驅動以及板卡與主機的信息交互等,從而可以更多地投入到對它的應用開發和設計[8]，具體硬件參數參見《NetFPGA用戶手冊》。目前，關于NetFPGA的研究主要是基于NetFPGA的高速路由器、高速交換機及高速信息流處理的研究[9]。

3.3 硬件接口

5G標志性能力指標為實現“Gbps用戶體驗速率”[10]，為了使平臺能夠滿足更多高速數據測試，實現吉比特量級的傳輸，對各模塊間接口的信息交互提出了較高的要求[11]。NIUSRP和NetFPGA都具有千兆以太網口，可以通過該端口進行數據交換。NetFPGA與PC通過PCI接口互連，保證了PC機能夠高速地對NetFPGA板卡進行通信，實現對前端數據流的監控和分析，PC機主板上配備的PCI(PeripheralComponentInterconnect)基本接口可以很方便地供用戶使用[12]。

3.4 操作系統及軟件

一款成功的通信傳輸平臺，穩定的操作系統和優秀的輔助分析軟件是必不可少的，平臺對網絡性能、穩定性等有較高的要求。Linux系統作為常用的項目開發系統之一，具有非常高的網絡穩定性和安全性[13]，且使用非常靈活，在前端作為輔助系統對數據進行分析。NILabVIEW作為一種圖形化編程語言的開發環境，在測量測試、仿真、控制及跨平臺處理方面有諸多的優勢，廣泛用于各類實驗平臺的開發[14]。NIUSRP2920的輔助分析軟件為NILabVIEW，在后端結合PC機完成數據采集、檢測和分析。

4 平臺架構及數據處理過程分析

參考瑞典隆德大學開發的大規模MIMO系統構架，結合實驗室設備情況，在前端把NIUSRP2920充當前端收發系統，后端采用NetFPGA板卡配合PC做數據處理，前后端通過千兆級的網線相連接。如圖1所示，列舉了一個簡單的2×2MIMO平臺框架圖。整個平臺構架硬件主要包括NIUSRP2920和NetFPGA板卡；操作系統主要包括Linux系統；輔助分析軟件主要為NILabVIEW軟件等。圖2為2×2MIMO實驗平臺端口連接圖。

圖1 2×2 MIMO實驗平臺框架

圖2 2×2 MIMO實驗平臺端口連接

NetFPGA板卡為前端核心模塊，MIMO平臺搭建初期可以利用NetFPGA板卡完成多臺USRP的連接及各數據通道數據流動情況監測。NetFPGA使用比較靈活，在整個NetFPGA的基本構架中，PHY層和MAC層等復雜接口已被定義，使用者不需要做過多修改。在所給的參考設計中，NetFPGA主要是在用戶數據路徑模塊中對數據流進行處理，使用者可以充分利用基本參考設計中定義的模塊頭的表示符來確定數據流流向來完所需要的工程設計[15]。

更為復雜的功能則可以借由上位機進行處理，硬件內部的CPU(CentralProcessingUnit)隊列通過軟件控制執行發包與收包的功能，通過寄存器系統可以對硬件內部模塊進行狀態監測與功能配置等操作。由于其上FPGA芯片程序可以重配置，在開發后期，研發人員也可通過修改程序，在FPGA芯片上完成更多通信操作，諸如MIMO物理層處理、多路數據交換、流量控制以及通信接入算法等研究。由于NetFPGA板卡有4個千兆級網口可以與多臺NIUSRP2920相連,并且通過SATA接口，可以擴展多塊NetFPGA板卡同時工作，這就為后期搭建更大規模的MIMO系統提供了便利，圖3為利用SATA線擴展的8端口NetFPGA[16]。

圖3 8端口NetFPGA

結合圖2分析2×2MIMO平臺數據收發過程：

發送鏈，數據在PC2上實現MIMO數據發送預處理，通過NILabVIEW的圖形化編程完成如QAM等多種調制及MIMO編碼算法，經過端口1到NetFPGA板卡，完成數據交換及MIMO物理層的處理，通過端口2將數據發送到NIUSRP3和NIUSRP4設備,經過其發送預處理后通過天線發送出去。

接收鏈，NIUSRP1和NIUSRP2設備接收到信號，經過其接收預處理，基帶信號由端口0進入NetFPGA板卡，在NetFPGA板卡上完成多路高速數據交換，將各通道數據匯聚通過端口1轉發主機PC2，主機PC2的NILabVIEW完成更高層的介質訪問控制。研究人員可以在NILabVIEW調用接收波形圖與發送波形對比，分析接收信號的正確性。另外，數據收發的同時，可以借助PC1的Linux系統，完成各端口數據流的實時監控和分析。

5 平臺實現及測試

為了驗證平臺的可行性和數據接收的可靠性，需要對平臺進行初步的實驗測試。方案選用2臺USRP2920設備完成簡單數據的收發測試，驗證整個平臺的數據連通性及接收數據的可靠性。圖4為收發測試端口連接圖，其中USRP1和PC3構成發送端，USRP2、NetFPGA、PC1和PC2共同構成接收端。

在PC3上利用NILabVIEW搭建PacketTransmitter模型作為發送模塊，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作為發送數據，在PC2上驗證是否能完整接收，并且在NetFPGA板卡上對各通道數據接收、轉發及丟包情況進行分析。實驗結果表明，在PacketTransmitter中任意發送一段文字在PacketReceiver中能夠完整接收，未出現數據包丟失情況。

圖4 收發測試端口連接

圖5為NetFPGA上監測的各端口數據包流通情況，分析可知，數據進入端口2后打包成相應格式的數據包，然后將數據包發送到端口1，端口1完成數據處理后并將數據還原成相應格式，然后發送到PC2做進一步處理，端口1和端口2丟包率均接近為0，再次驗證了數據包收發可靠性。

圖5 收發端口數據包監測示意圖

在初步完成數據連通性及接收數據的可靠性測試后，便可搭建一個簡單的2×2MIMO收發系統，來驗證MIMO實驗平臺的可行性。如圖2所示，USRP1和USRP2做數據發送端，USRP2和USRP3做數據接收端，發送接收端的USRP設備各自通過MIMOCable相連，NetFPGA板卡連接多臺USRP做簡單的高速數據流轉發和數據流監控，PC2上利用NILabVIEW軟件做2×2MIMO發送和接收控制，測試發送的數據為連續產生的隨機數，采用QAM4調制和Alamouti空時分組編碼。圖6為2×2MIMO接收波形圖，分析可知，接收端各個通道的星座圖能夠將數據解析并顯示出來。圖7為NetFPGA板卡上各通道數據包接收、轉發及丟包情況，分析可知，端口0接收到來自端口1的數據包，然后將數據傳送到USRP1和USRP2設備，端口2接收到來自USRP3和USRP4的數據，然后將數據打包成相應的數據包格式發送到端口1。并進入到PC2做進一步處理，由于端口1負責發送和接收的公共接口，數據包流動情況明顯比端口0和端口2要高，3個端口丟包率均接近于0，說明MIMO實驗平臺具有較強的可靠性。

圖6 2×2 MIMO 接收波形示意圖

圖7 2×2 MIMO端口數據包監測示意圖

通過以上的實驗，初步完成了數據連通性及接收數據的可靠性測試，實現了簡單的2×2MIMO平臺的收發驗證。由于NetFPGA具有強大的高速數據流處理能力，借助Linux系統，后期可以在上面做更多的高速數據處理實驗，如MIMO物理層處理、多路數據交換、流量控制及通信接入算法等研究。另外，NetFPGA具有良好的擴展性，通過SATA線可實現多塊板卡的連接，在前端實現更多USRP的連接，實現更大規模的MIMO實驗平臺的搭建。

6 結束語

介紹了大規模MIMO測試臺的研究現狀，重點分析了瑞典隆德大學開發的大規模MIMO實驗平臺構架，在此基礎上提出一種基于NetFPGA+USRP的MIMO的傳輸平臺，并詳細分析了其構架，然后通過實驗驗證其可行性及可靠性。該平臺借助于NetFPGA和USRP的可編程性，將兩者結合實現收發前后端皆可編程，數據流實時監控和分析等處理。

[1] 周 恩,張 興,呂召彪.下一代寬帶無線通信OFDM與MIMO技術(現代移動通信技術叢書)[M].北京：人民郵電出版社,2008.

[2]LuL,LiGY,SwindlehurstAL,etal.AnOverviewofMassiveMIMO：BenefitsandChallenges[J].IEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessing,2014,8(5)：742-758.[3] 劉 寧,袁宏偉.5G大規模天線系統研究現狀及發展趨勢[J].電子科技,2015,28(4)：182-185.

[4] 國家林業局信息化管理辦公室.中興通訊聯合中國移動測試5G技術[J].移動通信,2014(22)：39-39.

[5]ErikL.5G大規模多入多出(MIMO)測試臺：從理論到實現[J].國外電子測量技術,2014(11)：6-10.

[6] 尤 力,高西奇.大規模MIMO無線通信關鍵技術[J].中興通訊技術,2014,20(2)：26-28.

[7]WelchTB,ShearmanS.TeachingSoftwareDefinedRadioUsingtheUSRPandLabVIEW[J].2012,22(10)：2789-2792.

[8]LockwoodJW,MckeownN,WatsonG,etal.NetFPGA-AnOpenPlatformforGigabit-RateNetworkSwitchingandRouting[C]∥IEEEInternationalConferenceonMicroelectronicSystemsEducation.IEEE,2007：160-161.

[9] 王可可,楊 波,孫 濤,等.NetFPGA應用技術研究[J].山東科學,2011,24(5)：93-98.

[10] 本刊訊.IMT-2020(5G) 推進組發布 5G技術白皮書[J].中國無線電,2015(5)：6.

[11] 覃遠年,鄒 川,滕召宇.60GHz無線收發實驗平臺的探究[J].電信科學,2016,32(3)：75-80.

[12] 哈馬徹.計算機組成[M].北京：機械工業出版社,2004.

[13] 邵國金.Linux操作系統[M].北京：電子工業出版社,2012.

[14]TurleyP,WrightM.DevelopingEngineTestSoftwareinLabVIEW[C]∥AUTOTESTCON,97.1997IEEEAutotestconProceedings.IEEE,1997：575-579.

[15] 陸佳華.零存整取NetFPGA開發指南[M].北京：北京航空航天大學出版社,2010.

[16]ThamarakuzhiA,ChandyJA.ScalingtheNetFPGASwitchUsingAuroraoverSATA[C]∥ProceedingsofNetFPGADevelopersWorkshop.2010:153-158.

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

覃遠年，滕召宇，鄒 川，等.基于NetFPGA+USRP的MIMO傳輸平臺設計[J].無線電通信技術，2017，43(2)：33-37.

2016-11-04

國家自然科學基金項目(61162008)；廣西科技開發項目(桂科攻12118017-5)

覃遠年(1971—)，男，學士，高級實驗師，主要研究方向：無線通信系統和移動通信系統。滕召宇(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線通信技術。

TN914

A

1003-3114(2017)02-33-5