运用NI USRP打造出经济实惠的8x8 MIMO测试台

呼叫驱动函式(图4)。 第一个Tx 或Rx 应用一定会包含下列6 个参数：

Device Names：受控USRP 的专属IP 地址。 新的USRP 硬件默认的IP 地址是192.168.10.2
IQ Rate：基带IQ 波形的取样率决定了撷取或合成作业的实时带宽
Carrier Frequency：重点频谱的中点。 转换至基带IQ 后载波频率就会成为中心或DC 组件
Gain：套用至模拟RF 信号的可调整增益(通常为0 ~ 30dB)
Active Antenna：切换设定，可决定以RX 或TX SMA 埠来进行撷取或传输作业
Number of Samples：每次驱动程序呼叫元从设备撷取或传送到Fetch Rx 或Write Tx VI 的取样数量

图4. 使用NI-USRP 驱动程序的LabVIEW 程序方块图

3. 可扩充的8x8 MIMO 硬件系统架构

多个USRP 设备可整合为单一个相位同调天线数组，以便传送/接收信号。 本文所探讨的MIMO 测试台可从2x2 扩充为8x8 天线设定(最多有8 个传输器和8 个接收器)。 建置测试台时必须考虑到的硬件组件与优缺点，包含了频率与时序同步，以及数据总线带宽。

频率与时序同步化

就标准的MIMO 通信测试台而言，所有的Rx 或Tx 通道必须做为单一接收器或传输器运作，同时搭配频率与时序同步化功能以及一个相位同调的局部震荡器(LO)。8x8 MIMO 测试台的8 个USRP 设备都会采用相同的10MHz 参考频率与PPS 时序基础，借此达到同步化效能。 根据8x8 MIMO 系统方块图(图5)，4 个USRP 设备会直接连接至每个参考信号，接着另外4 个USRP 设备会通过MIMO Data 与Synchronization 接线共享此信号。 这样一来即可同步化所有8 个USRP 设备的频率与时序，同时单一10-MHz 参考频率还会衍生出相位同调的LO。 用来产生频率的硬件则是OCXO (Oven Controlled Oscillator 恒温震荡器)，此硬件采用Trimble 公司的Thunderbolt® GPS 授时频率，可提供10 MHz 的参考频率输出与数字PPS 输出[4]。OCXO 的频率来源非常准确，不必安装GPS 天线即可运作。 安装GPS 天线则可以改善GPS 授时的同步化效能，提供一致的时序概念。

图5. 8x8 MIMO 系统方块图 

此外10 MHz 与PPS 参考信号的功率准位也是相当重要的考虑，因为频率信号会分配至所有的无线电。 在此应用中，通用的同轴BNC「T」连接会划分信号两次，以便同步化前4 个USRP 设备。Tunderbolt 可提供大约7dBm 的10MHz 参考，以及2.4 V 的数字PPS 信号。 二度划分信号(也就是以伞状分散至4 个设备) 就会变成1dBm 与0.6V 参考，接近推荐的USRP Ref In 与PPS 输入准位(0dBm 与3.3V LVTTL 相容)。 如果必须进一步划分参考信号以确保适当的同步化效能，NI 建议将10MHz 与PPS 信号放大至建议的功率准位。

8x8 MIMO 零件列表(表1) 包含了用来建置8x8 MIMO 测试台的组件。 所有组件都是标准的现成零件。

表1. 8x8 MIMO 零件列表

数据总线带宽

GbE 连接功能可在USRP 设备与主计算机之间提供专属连结，让USRP 以高达25MS/s 的全双工模式运作。 就MIMO 测试台而言，16 个USRP 能有效共享同一个以太网络链接，并且在所有通道间有效分配带宽。 首先，计算单一USRP 全速运作的数据传输率为何(等式1)，我们发现在不考虑任何通信处理时间的前提下，会用到80% 的1Gb 以太网络带宽。

等式1：1 GbE 的单一信道IQ 速率最大理想值

文字框： 图5。8 通道同步化Rx 方块图(Part I)。测试台内的整个Tx 与Rx 系统会共享单一1 GbE 连接，并且回传至主计算机(已连接未受管理的标准1 GbE 切换器)。IQ 速率最大值会除以共享相同以太网络链接的USRP 设备数量，此外还有额外的处理时间可用来同时管理多个设备。至于8x8 MIMO，IQ 速率的最大理想值为25MS/s IQ 速率除以8 (等式2)，因此每个传送器与接收器的3MHz 基带频宽皆可分配到3MS/s 左右。只要在同一个主计算机内加入专属的1 GbE 控制器，即可提高最大理想值；不过内存与处理器瓶颈仍可能影响效能。

等式2：共享l GbE 连接的8 个天线IQ 速率最大理想值

就目前的测试台状态而言，每个不同的天线(共8 个) 都有1MS/s 的IQ 速率。

4. MIMO 系统软件架构

就LabVIEW 来说，MIMO 系统软件架构可分为2 个部分：

1.NI-USRP 硬件驱动程序
2.主机架构的通信程序代码

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