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_技术

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