基于NetFPGA+USRP的MIMO传输平台设计

覃远年，滕召宇,邹 川，江 琪

(桂林电子科技大学 通信实验中心，广西 桂林 541004)

基于NetFPGA+USRP的MIMO传输平台设计

覃远年，滕召宇,邹 川，江 琪

(桂林电子科技大学 通信实验中心，广西 桂林 541004)

介绍了大规模MIMO(Massive MIMO)测试台研究现状，提出了一种基于NetFPGA(Net Field-Programmable Gate Array)+USRP(Universal Software Radio Peripheral)的MIMO(Multiple Input Multiple Output)传输平台构架，详细介绍了该平台各个模块组成，并通过实验验证了利用NetFPGA+USRP搭建MIMO传输平台的可行性和可靠性。该平台具有较好的开放性和可拓展性，各模块属性可快速被定义，通过扩展前级NetFPGA板卡，还可以实现更大规模的MIMO传输平台搭建。由于NetFPGA与USRP的可编程性，使实验平台还可做其他MIMO通信方面的实验，方便对MIMO物理层处理、多路高速数据交换、流量控制及通信接入算法等研究。

NI USRP；NetFPGA；MIMO；大规模MIMO；平台

0 引言

MIMO技术是未来无线移动通信最关键技术之一，它能够实现高数据传输速率和高传输质量，广泛地被国内外学者研究[1]。大规模MIMO作为MIMO技术的升级，通过在BTS端使用大量天线实现了更大的无线数据流量和连接可靠性[2]。目前，大规模MIMO研究大多集中在理论与仿真阶段，为了让研发者能够证实对应理论，需要把理论工作转移到实际的测试台上，这就要求实验平台具有一定的开放性和可扩展性，方便研究者直观快捷地获取实验数据，并能及时做出调整改进。

1 大规模MIMO测试台研究现状

目前，国内外都启动了对大规模MIMO系统测试性研究。瑞典爱立信、韩国三星以及日本DoCoMo等公司也均在积极地组织对MassiveMIMO的研究与原型演示平台开发[3]。国内华为、中兴等知名的通信公司都阶段性地完成了大规模MIMO系统的部分实验验证，例如华为与中国移动联合推出了业界第一款支持MassiveMIMO特性的基站产品-AAU(有源天线射频单元)平台；中兴通讯联合中国移动在深圳完成了TD-LTE3D/MassiveMIMO基站的研发，并成功进行了预商用测试等[4]。

瑞典隆德大学的OveEdfors教授和FredrikTufvesson教授与NI一起合作，使用NI大规模MIMO应用程序框架开发出了一套世界上最大规模的MIMO系统[5]。该系统硬件方面采用50套NIUSRPRIO设备来配置100天线数，定时和同步模块采用EttusResearch公司的OctoClock时钟分配模块，模块间的接口连接采用PXIe-1085机箱，保证了模块间数据传输的高吞吐量和低延迟性。软件方面采用NILabVIEW(NILaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)软件进行系统设计，其出色的软硬件管理能力和图形化的编程界面大大提高了开发效率。表1列举了该大规模MIMO应用程序框架系统参数[5]。

表1 大规模MIMO应用程序框架系统参数

2 实验平台的构建思路

未来大规模MIMO的关键指标之一，是获得吉比特以上的传输速率，势必对实验平台的构建提出更高要求[6]。为此提出几点设计思路：第一,平台必须在信号收发和数据处理方面都具备相应的处理能力，前端灵活的软件无线电，可用于接收和发送射频信号，后端应具有高性能的数据处理能力，用以满足PHY层(PhysicalLayer)和MAC层(MediaAccessControl)执行时所需的实时性能需求，设备间接口应具有高吞吐量和确定性的总线，可以实现吉比特量级的传输。第二，实验平台需要具有较高的灵活性，能够及时做出调整和修改，能快速定义部分模块属性，各模块间应该还具有良好的可扩展性，方便研究者搭建更大规模的MIMO系统。第三，实验平台所用设备应该与PC机(PersonalComputer)具有良好的数据交换能力。

3 平台硬件和软件组成

3.1NIUSRP设备

NIUSRP作为NI公司开发的一款优秀通信设备，它可以灵活地发送和接受无线信号，广泛地用于通信领域研究[7]。NI公司的USRP产品有多种，主要包括NIUSRP29XX系列和NIUSRPRIO系列，两者主要的区别在于NIUSRPRIO配置有用于提高基带处理速度的高性能可重配置FPGA，但成本比前者高一倍。本文平台主要利用NIUSRP2920作为无线信号收发器，在收发前端对信号进行相位修正、滤波、模数模数转换和上下变频的预处理。

3.2NetFPGA1G开发板

NetFPGA是由斯坦福大学开发的一个软硬件兼可编程的开放平台，它具有易用的软硬件接口和驱动程序,使用者不用过多关注开发板上的MAC与PHY层接口、PCI接口驱动以及板卡与主机的信息交互等,从而可以更多地投入到对它的应用开发和设计[8]，具体硬件参数参见《NetFPGA用户手册》。目前，关于NetFPGA的研究主要是基于NetFPGA的高速路由器、高速交换机及高速信息流处理的研究[9]。

3.3 硬件接口

5G标志性能力指标为实现“Gbps用户体验速率”[10]，为了使平台能够满足更多高速数据测试，实现吉比特量级的传输，对各模块间接口的信息交互提出了较高的要求[11]。NIUSRP和NetFPGA都具有千兆以太网口，可以通过该端口进行数据交换。NetFPGA与PC通过PCI接口互连，保证了PC机能够高速地对NetFPGA板卡进行通信，实现对前端数据流的监控和分析，PC机主板上配备的PCI(PeripheralComponentInterconnect)基本接口可以很方便地供用户使用[12]。

3.4 操作系统及软件

一款成功的通信传输平台，稳定的操作系统和优秀的辅助分析软件是必不可少的，平台对网络性能、稳定性等有较高的要求。Linux系统作为常用的项目开发系统之一，具有非常高的网络稳定性和安全性[13]，且使用非常灵活，在前端作为辅助系统对数据进行分析。NILabVIEW作为一种图形化编程语言的开发环境，在测量测试、仿真、控制及跨平台处理方面有诸多的优势，广泛用于各类实验平台的开发[14]。NIUSRP2920的辅助分析软件为NILabVIEW，在后端结合PC机完成数据采集、检测和分析。

4 平台架构及数据处理过程分析

参考瑞典隆德大学开发的大规模MIMO系统构架，结合实验室设备情况，在前端把NIUSRP2920充当前端收发系统，后端采用NetFPGA板卡配合PC做数据处理，前后端通过千兆级的网线相连接。如图1所示，列举了一个简单的2×2MIMO平台框架图。整个平台构架硬件主要包括NIUSRP2920和NetFPGA板卡；操作系统主要包括Linux系统；辅助分析软件主要为NILabVIEW软件等。图2为2×2MIMO实验平台端口连接图。

图1 2×2 MIMO实验平台框架

图2 2×2 MIMO实验平台端口连接

NetFPGA板卡为前端核心模块，MIMO平台搭建初期可以利用NetFPGA板卡完成多台USRP的连接及各数据通道数据流动情况监测。NetFPGA使用比较灵活，在整个NetFPGA的基本构架中，PHY层和MAC层等复杂接口已被定义，使用者不需要做过多修改。在所给的参考设计中，NetFPGA主要是在用户数据路径模块中对数据流进行处理，使用者可以充分利用基本参考设计中定义的模块头的表示符来确定数据流流向来完所需要的工程设计[15]。

更为复杂的功能则可以借由上位机进行处理，硬件内部的CPU(CentralProcessingUnit)队列通过软件控制执行发包与收包的功能，通过寄存器系统可以对硬件内部模块进行状态监测与功能配置等操作。由于其上FPGA芯片程序可以重配置，在开发后期，研发人员也可通过修改程序，在FPGA芯片上完成更多通信操作，诸如MIMO物理层处理、多路数据交换、流量控制以及通信接入算法等研究。由于NetFPGA板卡有4个千兆级网口可以与多台NIUSRP2920相连,并且通过SATA接口，可以扩展多块NetFPGA板卡同时工作，这就为后期搭建更大规模的MIMO系统提供了便利，图3为利用SATA线扩展的8端口NetFPGA[16]。

图3 8端口NetFPGA

结合图2分析2×2MIMO平台数据收发过程：

发送链，数据在PC2上实现MIMO数据发送预处理，通过NILabVIEW的图形化编程完成如QAM等多种调制及MIMO编码算法，经过端口1到NetFPGA板卡，完成数据交换及MIMO物理层的处理，通过端口2将数据发送到NIUSRP3和NIUSRP4设备,经过其发送预处理后通过天线发送出去。

接收链，NIUSRP1和NIUSRP2设备接收到信号，经过其接收预处理，基带信号由端口0进入NetFPGA板卡，在NetFPGA板卡上完成多路高速数据交换，将各通道数据汇聚通过端口1转发主机PC2，主机PC2的NILabVIEW完成更高层的介质访问控制。研究人员可以在NILabVIEW调用接收波形图与发送波形对比，分析接收信号的正确性。另外，数据收发的同时，可以借助PC1的Linux系统，完成各端口数据流的实时监控和分析。

5 平台实现及测试

为了验证平台的可行性和数据接收的可靠性，需要对平台进行初步的实验测试。方案选用2台USRP2920设备完成简单数据的收发测试，验证整个平台的数据连通性及接收数据的可靠性。图4为收发测试端口连接图，其中USRP1和PC3构成发送端，USRP2、NetFPGA、PC1和PC2共同构成接收端。

在PC3上利用NILabVIEW搭建PacketTransmitter模型作为发送模块，在PC2上利用NILabVIEW搭建PacketReceiver模型作为接收模块。在PC3上选用任意一段文字来作为发送数据，在PC2上验证是否能完整接收，并且在NetFPGA板卡上对各通道数据接收、转发及丢包情况进行分析。实验结果表明，在PacketTransmitter中任意发送一段文字在PacketReceiver中能够完整接收，未出现数据包丢失情况。

图4 收发测试端口连接

图5为NetFPGA上监测的各端口数据包流通情况，分析可知，数据进入端口2后打包成相应格式的数据包，然后将数据包发送到端口1，端口1完成数据处理后并将数据还原成相应格式，然后发送到PC2做进一步处理，端口1和端口2丢包率均接近为0，再次验证了数据包收发可靠性。

图5 收发端口数据包监测示意图

在初步完成数据连通性及接收数据的可靠性测试后，便可搭建一个简单的2×2MIMO收发系统，来验证MIMO实验平台的可行性。如图2所示，USRP1和USRP2做数据发送端，USRP2和USRP3做数据接收端，发送接收端的USRP设备各自通过MIMOCable相连，NetFPGA板卡连接多台USRP做简单的高速数据流转发和数据流监控，PC2上利用NILabVIEW软件做2×2MIMO发送和接收控制，测试发送的数据为连续产生的随机数，采用QAM4调制和Alamouti空时分组编码。图6为2×2MIMO接收波形图，分析可知，接收端各个通道的星座图能够将数据解析并显示出来。图7为NetFPGA板卡上各通道数据包接收、转发及丢包情况，分析可知，端口0接收到来自端口1的数据包，然后将数据传送到USRP1和USRP2设备，端口2接收到来自USRP3和USRP4的数据，然后将数据打包成相应的数据包格式发送到端口1。并进入到PC2做进一步处理，由于端口1负责发送和接收的公共接口，数据包流动情况明显比端口0和端口2要高，3个端口丢包率均接近于0，说明MIMO实验平台具有较强的可靠性。

图6 2×2 MIMO 接收波形示意图

图7 2×2 MIMO端口数据包监测示意图

通过以上的实验，初步完成了数据连通性及接收数据的可靠性测试，实现了简单的2×2MIMO平台的收发验证。由于NetFPGA具有强大的高速数据流处理能力，借助Linux系统，后期可以在上面做更多的高速数据处理实验，如MIMO物理层处理、多路数据交换、流量控制及通信接入算法等研究。另外，NetFPGA具有良好的扩展性，通过SATA线可实现多块板卡的连接，在前端实现更多USRP的连接，实现更大规模的MIMO实验平台的搭建。

6 结束语

介绍了大规模MIMO测试台的研究现状，重点分析了瑞典隆德大学开发的大规模MIMO实验平台构架，在此基础上提出一种基于NetFPGA+USRP的MIMO的传输平台，并详细分析了其构架，然后通过实验验证其可行性及可靠性。该平台借助于NetFPGA和USRP的可编程性，将两者结合实现收发前后端皆可编程，数据流实时监控和分析等处理。

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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

覃远年，滕召宇，邹 川，等.基于NetFPGA+USRP的MIMO传输平台设计[J].无线电通信技术，2017，43(2)：33-37.

2016-11-04

国家自然科学基金项目(61162008)；广西科技开发项目(桂科攻12118017-5)

覃远年(1971—)，男，学士，高级实验师，主要研究方向：无线通信系统和移动通信系统。滕召宇(1988—)，男，硕士研究生，主要研究方向：无线通信技术。

TN914

A

1003-3114(2017)02-33-5