运用NI USRP打造出经济实惠的8x8 MIMO测试台

I-USRP 硬件驱动程序可让所有的USRP 设备执行传送或接收作业，而且只要通过一组驱动程序呼叫组件即可加以设定并控制。硬件驱动程序与主机之间的接口采用主机架构的通信程序代码，属于基带IQ 数据的二维数组，每一列(row) 都代表了单一天线的复杂时域IQ 数据。 接着可藉由LabVIEW 环境内多个运算模型来执行主机架构的信号处理功能，其中包含图形化LabVIEW 架构的算法、LabVIEW MathScript RT 内的.m 档案脚本，或是可通过LabVIEW Call Library ode 存取的C 函式。

MIMO 搭配NI-USRP 驱动程序

所有8 个传送器都会在单一传送阶段内进行设定，而所有8 个接收器都会在单一接收阶段内进行设定(图6)。

图6. 8 信道同步化的Rx LabVIEW 程序方块图(Part I)

以MIMO 系统的Rx 端为例，设定与同步化流程包含6 个步骤：

1.在逗点分隔表中指定每个USRP 的IP 地址，以便开启Rx Session。
2.设定Start Trigger Time (单位为整数秒或分数秒)，代表所有USRP 设备开始撷取数据的时间。
3.设定所有8 个设备共享的参数。
4.指定哪些设备会使用外接参考或MIMO 接线。
5.将时基设为0 (仅限于PPS 频率信号下个升缘具有外部PPS 连接的USRP 设备)。 注意： 信道表说明了需要此设定的设备。
6.使用单一驱动呼叫元来撷取数据，并以复杂样本的二维数组送回，其中每一列都包含了单一天线的复杂IQ 波形。

一旦启动会话之后，系统就会开始从所有的USRP 设备撷取时序同步化的连续样本，并且做为二维数组通过NI-USRP Fetch 指令回传至LabVIEW，数组中的每一列都是一个独立通道。 接着样本输入数量会指定每次Fetch 操作需要撷取的样本数量。 在此情况下(图6)，我们会记录每一列，再将每个信道的I/Q 信号配置到各自的图形中。
8x8 MIMO 主机架构的通信作业

图6. 8 信道同步化的Rx LabVIEW 程序方块图(Part II) 

位于美国奥斯汀的德州大学设有无线网络与通信团体(Wireless Networking and Communications Group，WNCG)，Robert Heath 教授与研究生Jackson Massey 采用此硬件与驱动软件框架，打造出使用QPSK 符号的LabVIEW 架构MIMO-ODFM 链接 (图2)。 这种可扩充的程序代码可让MIMO 设定从2x2 扩充至8x8，只要开启或关闭USRP 设备就行了。 随机数据位会对应至QPSK 符号，接着这些符号会通过62.5-kHz 带宽对应至128 OFDM 子载波(其中有些通道无效，有些则是用于培训)。 循环式的前置区段(Cyclic Prefix) 会插入内含20 个OFDM 符号的组合，并且建立Preamble。 最终的IQ 波形会分为平行串流，接着以系数16 进行升取样。最后会以1 MS/s 的速度产生IQ 样本的二维数组，而且每个USRP 设备(共8 个) 都会采用NI-USRP Write 函式来传送特殊符号。

至于接收端，来自NI USRP 驱动器的数据撷取率为1MS/s，接着进行分析以侦测OFDM 框架位置。 抽出框架后，LabVIEW 架构的软件就会估计频率偏移并加以修正。 接着信号会区分为与FFT 尺寸相同的区块，同时加上循环式前置区段，FFT 再套用至每个区块。 无效音调(Null Tone) 会遭到移除，通信培训信息可用来估计并修正多路径干扰现象， 而引导音调(Pilot Tone) 则是用来估计并修正每个子载波的增益与相位移转。 最终的QPSK 星座图则会针对每个通道(共8 个) 进行配置。

LabVIEW 可混合不同的运算模型，以便快速制作OFDM 系统原型。OFDM 连结有许多面向都已在客制化的.m 档案脚本中实作。 模拟环境内的.m 档案脚本可通过MathScript RT Node (图7) 直接整合至LabVIEW 以便立即执行，只需要小幅度的修改即可。

图7. 使用 LabVIEW MathScript RT Node 整合.m 档案脚本

5. 评估系统

使用USRP 来设计专属的MIMO 测试台时，请务必考虑到实时执行、相位校正vs. 相位同调、运用以太网络卡达到最高的数据传输率等事项。

实时执行与延迟时间

系统与NI-USRP 驱动程序可纳入共8 个传送器与8 个接收器，以超过2MS/s 的速度串流复杂的基带IQ 信号，并且实时处理信号。 但因为处理时间的关系，传输率会降低为每200 毫秒(ms) 1 个OFDM 框架，才能确保在Windows 系统内实时执行。OFDM 范例程序代码的约略数据传输率计算方式如下：

等式3： 携带数据的OFDM 子信道 

等式4：OFDM 测试台数据传输率

最终的数据传输率为122.8Kb/s (62.5Khz 带宽的通道)。 此设定可达到1.9648 位/秒/Hz 的数据传输率，这是相当可观的数字。

请注意，此配置尚未经过效能优化处理，而是直接采用之前仅用于仿真的算法。 如果再进一步优化可能会大幅提高效能。

相位校正vs. 相位同调

所有USRP 皆共享通用的10-MHz