Zadání:
Verifikace a testování algoritmů vyvinutých pro bezdrátové komunikační systémy nové generace v reálných přenosových podmínkách.
Řešení:
Vytvoření platformy pro rapid prototyping s pomocí softwaru NI LabVIEW a s VF moduly NI PXI a FPGA, kvůli flexibilitě a možnostem rekonfigurace spolu s emulací mobilního rádiového systému v reálném čase.
Obr. 1: Šasi PXI Express s VF rozhraním
Na Imperial College London se zabýváme výzkumnými a vzdělávacími aktivitami v oblasti bezdrátových komunikací, včetně optimalizace mobilních transceiverů, aplikace systémů typu MIMO (multiple input, multiple output) a alokace zdrojů pro sítě 3G, 4G a sítě nových generací. Naše práce se soustředí na metody a technologie pro MIMO systémy nové generace, které činí kompromis mezi diverzitním zesílením a zlepšením prostorového multiplexingu. Získáme tak měřítko datové propustnosti dosahované MIMO systémem. Teoretická kapacita pro systémy HSDPA a LTE pro 3G a 4G definuje horní hranice datové propustnosti.
Algoritmické simulace a teoretické výpočty jsou efektivní součástí návrhového procesu mobilního rádiového systému. Nicméně přechod k reálným signálům a fyzickému hardwaru je zásadní částí ověření systému. Pro otestování skutečného výkonu námi navržených technik pro prostorový multiplexing jsme postavili systém pro rapid prototyping, který dokáže změřit propustnost s reálnými signály.
Implementaci svého systému jsme založili na modulárních VF přístrojích NI PXI Express a FPGA se softwarovým prostředím NI LabVIEW. S pomocí nástrojů od NI jsme dokázali spojit funkcionalitu v oblasti reálného času a kratší čas potřebný pro vývoj.
Rapid Prototyping pro Spatial Multiplexing Gain (SMG) měření
Pro posouzení metod a technologií při realistických podmínkách na přenosovém kanále jsme nakonfigurovali systém pro testování a rapid prototyping tak, aby pracoval s kanálovým emulátorem na bázi FPGA v reálném čase. Tento kanálový emulátor napodobuje provoz bezdrátových transceiverů v reálných provozních podmínkách tím, že aplikuje vícecestné odrazy, útlum a rušení na radiové signály na straně přijímače.
Hardware naší platformy pro rapid prototyping zahrnuje FlexRIO FPGA modul NI PXIe-7966R a VF modul NI 5791, které jsou nainstalovány v šasi NI PXIe 1062Q. Testovací systém jsme rozdělili na dvě části:
- Hostitelská jednotka pro zpracování dat byla tvořena PXI kontrolérem a pracovala s operačním systémem Windows. Měla na starosti složité výpočty s čísly s plovoucí desetinnou čárkou a operace v základním pásmu, jako je generování signálu, kódování/dekódování symbolů a modulaci/demodulaci pro různé bezdrátové standardy. Zdrojový kód i grafické uživatelské prostředí jsme vyvinuli v LabVIEW s pomocí NI Modulation Toolkit a LabVIEW Digital Filter Design Toolkit.
- Jednotka pro zpracování kanálů pracovala v režimu FPGA kanálového emulátoru v reálném čase, který byl vytvořen s pomocí LabVIEW FPGA Module. Tato jednotka měla na starosti výpočetně náročné operace při zpracování signálu, jako je digitální konverze do nosného pásma a digitální konverze do základního pásma. Jednotka se také starala o emulaci vícecestného útlumu na kanálu podle specifikací standardizačních organizací.
Tradiční přístup k integraci různých hardwarových zařízení by vyžadoval dobrou znalost několika programovacích jazyků a nástrojů. Jedinečnost LabVIEW spočívá v tom, že nám umožnilo vytvořit aplikace pro OS Windows i pro obvody FPGA v jednotném vývojovém prostředí. Aplikace pro obvody FPGA jsme vytvářeli a upravovali, aniž bychom potřebovali znalosti složitých jazyků pro popis hardwaru. Integrace mezi hardwarem NI a LabVIEW byla zcela bezproblémová a snadno použitelná.
Výsledky systému
Systém pro rapid prototyping je aktuálně používán pro testování prostorového multiplexingu sítí HSDPA a LTE MIMO pro jednouživatelské aplikace. Pro měření zisku multiplexingu jsme použili HSDPA systém v konfiguraci 2x2 MIMO s 16 signaturními sekvencemi se ziskem 16 napříč dvěma prostorovými proudy. Byly přeneseny všechny signaturní sekvence obsahující až 6 bitů na symbol a s celkovým počtem 240 na 10³ symbolů za sekundu, čímž jsme dosáhli celkové přenosové rychlosti 46 Mbit/s. Požadovaná šířka přenosového pásma byla 5 MHz. Lineární ekvalizér MMSE (Minimum Mean Square Error), s přijímači s odrušováním i bez odrušování, vytvářel pro systém HSDPA křivky ukazující vztah odstupu signálu od šumu a propustnosti.
Měřili jsme také propustnost systému 2x2 LTE MIMO s 25 zdrojovými bloky a 300 frekvenčními biny. Každý frekvenční bin přenášel až 6 bitů na symbol v časovém okně o délce 0,5 ms, přičemž každé časové okno obsahovalo 6 symbolů přenášených v sekvenci. Tím jsme získali maximální propustnost LTE systému přibližně 43 Mbit/s. Testovací systém používal inverzní rychlou Fourierovu transformaci (IFFT) s 512 body pro generování přenášených symbolů s vzorkovací frekvencí 7,68 MS/s. Požadovaná šířka přenosového pásma byla 5 MHz s ochrannými pásmy 0,25 MHz po obou stranách. Křivky propustnosti byly vytvořeny pro dobře známý rozklad na singulární hodnoty pro různé hodnoty odstupu signálu a šumu.
Obr. 2: Výsledky pro extended vehicular A (EVA) model pro systém s 2x2 LTE a HSDPA ve variantách s potlačením souvislého rušení a bez potlačení
Flexibilní a efektivní design
Náš výzkum je důležitý pro identifikaci metod vhodných pro uspokojení rostoucích požadavků uživatelů mobilních zařízení, z hlediska rychlosti datových přenosů, prostřednictvím efektivnějšího využití dostupné šířky pásma. Testovací systém na bázi PXI Express nabízí nejen výkon potřebný pro náš aktuální výzkum, ale protože je definovaný softwarově, je také dostatečně flexibilní aby se mohl vyvíjet s tím, jak se budou měnit naše požadavky na výzkum v budoucnosti.
Autoři řešení:
Mustafa K. Gurcan, Irina Ma, Hamdi Joudeh, Qinxin Liu – Imperial College London
National Instruments (Czech Republic), s.r.o.
Sokolovská 136D
186 00 Praha 8
Česká republika
Tel: +420 224 235 774
Fax: +420 224 235 749
E-mail: ni.czech@ni.com
http://czech.ni.com
CZ: 800 267 267
SK: 00 800 182 362
