Construcción de un Sistema de Pruebas para la Próxima Generación para Comunicaciones Inalámbricas con PXI Express y LabVIEW

Autor(es):

Mustafa K. Gurcan - Imperial College London
Irina Ma - Imperial College London
Hamdi Joudeh - Imperial College London
Qinxin Liu - Imperial College London

En la Escuela Imperial de Londres, realizamos investigaciones y actividades educativas de comunicaciones inalámbricas, incluyendo optimización de transceptor celular; la aplicación de sistemas de entrada múltiple, salida múltiple (MIMO) y asignación de recursos para redes 3G, 4G y de la próxima generación. El enfoque de nuestro trabajo está en métodos y tecnologías para sistemas MIMO de la próxima generación, las cuales intercambian la diversidad para mejorar el multiplexado espacial. Esto permite una medida del rendimiento de los datos que puede ser transmitido por el sistema MIMO. La capacidad teórica para los sistemas High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) y Long Term Evolution (LTE) para 3G y 4G definen los límites superiores para el procesamiento de datos.

Las simulaciones algorítmicas y los cálculos teóricos son una parte efectiva del diseño del sistema de radio móvil. Sin embargo, la transición a señales reales y hardware físico es una parte crucial de la verificación del sistema. Para probar correctamente el rendimiento de muestras técnicas multiplexado espacial, desarrollamos un sistema de rápida generación de prototipos para capturar el rendimiento con señales reales.

Nuestra implementación se basó en nuestro sistema PXI Express e instrumentos modulares FPGA en el entorno de software LabVIEW. Al usar las herramientas de NI, combinamos funcionalidad en tiempo real con flexibilidad y tiempo de desarrollo más corto.

Rápida Generación de Prototipos para Medidas de Ganancia de Multiplexado Espacial

Para evaluar el rendimiento de los métodos y tecnologías bajo condiciones del canal de transmisión realista, configuramos un sistema de rápida generación de prototipos y banco de pruebas para operar con un emulador de canal en tiempo real basado en FPGA. El emulador de canales imita las operaciones de transceptor inalámbrico bajo condiciones de operación real al aplicar reflexiones de múltiples trayectorias, atenuación e interferencia en las señales de transmisión de radio en el receptor.

El hardware de la plataforma de rápida generación de prototipos incluido en el módulo FlexRIO FPGA PXIe-7966R con un módulo RF NI 5791 RF instalado en el chasis PXIe-1062Q. Dividimos el banco de prueba y el sistema de generación rápida de prototipos en dos partes:

• La unidad de procesamiento del servidor estaba en un controlador y se ejecutó en un SO Windows. Manejó operaciones de punto flotante de alta complejidad y operaciones de banda base como generación de señales, mapeo de símbolos y modulación/demodulación para diferentes estándares inalámbricos. Desarrollamos el código fuente e interfaz de usuario gráfica en LabVIEW con la ayuda del Modulation Toolkit y el LabVIEW Digital Filter Design Toolkit.
• La unidad de procesamiento del canal operada en modo de emulador de canal FPGA en tiempo real se desarrolló usando el Módulo LabVIEW FPGA. La unidad de procesamiento del canal manejó ampliamente los cálculos de procesamiento de señal como conversión ascendente digital y conversión descendente digital. La unidad de procesamiento del canal también manejó emulaciones de canal de múltiples trayectorias especificadas por las organizaciones de normalización.

El enfoque tradicional para integrar numerosos equipos de hardware requirió experiencia en varios lenguajes y herramientas de programación. Sin embargo, LabVIEW nos permitió crear aplicaciones basadas en Windows y FPGA en un solo entorno de desarrollo unificado. Creamos y modificamos aplicaciones FPGA sin requerir experiencia en lenguajes de descripción de hardware altamente complejos. La estrecha integración entre hardware y LabVIEW fue fácil de comprender y usar.

Resultados del Sistema

El sistema de rápida generación de prototipos actualmente se utiliza para probar el rendimiento de multiplexado espacial de transmisiones de enlace MIMO HSDPA y LTE para aplicaciones de un solo usuario. Reutilizamos un sistema MIMO HSDPA de multiplexado espacial con un total de 16 secuencias de canalización con una ganancia de procesamiento de 16 en dos escrituras espaciales para evaluaciones de ganancia de multiplexado. Cada secuencia que lleva hasta 6 bits por símbolo y se transmitió un total de 240 por 10³ símbolos por segundos, proporcionando una razón máxima total de 46 Mbit/s. El ancho de banda de transmisión requerido fue de 5 Mhz. Un ecualizador lineal Minimum Mean Square Error (MMSE) con y sin receptores de cancelación de interferencia, produjo el radio de señal de ruido contra las curvas de rendimiento para el sistema HSDPA.

También evaluamos el rendimiento de un sistema 2x2 LTE MIMO con 25 bloques de recursos y 300 bins de frecuencia. Cada bin de frecuencia portaba hasta 6 bins por símbolo en una ranura de tiempo de 0.5 ms, en la cual cada ranura de tiempo contenía 6 símbolos transmitidos en secuencia. Este resultó en rendimiento máximo para el sistema LTE de aproximadamente 43 Mbit/s. El sistema prototipo usó una Transformada Rápida de Fourier inversa (iFFT) de 512 puntos para generar el símbolo transmitido con velocidad de muestreo de 7.68 MS/s. El ancho de banda de transmisión fue de 5 MHz con una banda de protección de 0.25 MHz a cada lado. Las curvas de rendimiento fueron producidas para el método de descomposición de valor singular para diferentes radios de señal a ruido.

Diseño Flexible y Eficiente

Nuestra investigación es importante para identificar métodos adecuados para cumplir con las crecientes excepciones de razón de datos de usuarios móviles al usar de manera más eficiente el ancho de banda disponible. El sistema de generación de prototipos basado en PXI Express no solamente ofrece la potencia requerida para nuestra investigación actual, sin embargo, debido a que es definida por software, es lo suficiente flexible para poder evolucionar y cumplir con nuestros futuros requerimientos de investigación.

Información del Autor:

Mustafa K. Gurcan
Imperial College London
Imperial College London, Exhibition Road, South Kensington
London SW7 2BT
United Kingdom
Tel: 02075 946264
m.gurcan@imperial.ac.uk