活用NI LabVIEW與RF模組,建構多用戶MIMO實驗系統

村田 英一氏, 京都大学 大学院情報学研究科 通信情報システム専攻 准教授

"多用戶MIMO系統的建構上,除尺寸大小、價格外,加上彈性方面的考量,過去除NI產品外沒有其他選項。"

- 村田 英一氏, 京都大学 大学院情報学研究科 通信情報システム専攻 准教授

挑戰:

為達成向總務省戰略性情報通信研究開發推動制度(SCOPE)申請的排程進度,必須於短期內建構多用戶MIMO高規格系統。該系統須具備可用於室外實驗的可搬運性,且必須能符合低成本的需求。不僅如此,必須選擇對於開發硬體不具備高度技能的學生亦可進行作業的開發手法。

解決方案:

於終端機上使用USRP,並在基地台上採用搭載NI RF模組的PXI底板,即可建構小型且低成本的系統。此外,建構系統的主要作業為利用LabVIEW進行軟體開發,因此即使學生未具備高度開發技能,仍可在短期內完成開發作業。

【背景】


目前,多用戶MIMO(以下稱MU-MIMO)作為最有力的新世代通信技術,備受矚目。此技術係以1對多的關係使用基地台與終端機,藉以提升頻率使用效率(圖1)。雖然此方式會造成基地台端更大的負擔,卻可減輕終端機端的負擔(可將終端機的負擔降低至與傳統方式同等的水準)。因此眾人對MU-MIMO寄予厚望,並已展開多項研究。其基礎理論以及為解決實際使用時所產生之課題而形成的各種理論,皆幾近確立。

 

然而要將MU-MIMO系統具體呈現在現實世界中,仍存在著待解決的課題。首先,MU-MIMO所在的基地台必須對應數台的終端機。因此,隨著傳遞路徑的變動輸出最佳化訊號的預編碼,亦必須比過去精度更高。且使各終端機同步尤其重要。換言之,頻率與時機點兩方面皆必須具備更高度的操控性,且須實施更準確的同步作業。此外還必須以毫秒(ms)為單位,從簡易終端機迅速回傳反饋。而接收反饋的基地台須高速進行處理,在傳遞路徑變化前,對終端機輸出正確的訊號。

 

在2009年當時,還未曾有任何案例透過室外傳輸實驗證實MU-MIMO理論。於是,當時建構了在5 GHz頻帶動作的實機系統,並在室外利用無線終端機進行驗證實驗。此驗證實驗專案獲總務省2010年戰略性情報通信研究開發推動制度(SCOPE)所採納,於2010年開始實施。預計於2012年內完成整項專案。

 

 

【課題】


MU-MIMO的驗證實驗專案大致上而言預計實施以下事項。

● 2×2的MU-MIMO系統建構/特性評估
● 4×4的MU-MIMO系統建構/特性評估
● 2×2的MU-MIMO之間干擾控制相關研究

 

該實驗的課題為以下所列事項。

(1)完成短期開發
此驗證實驗專案必須於SCOPE規定的3年以內,完成從系統建構乃至實驗、研究、報告等所有作業,並取得所有實驗項目的結果。

 

(2)完成小型系統
此專案於室外進行實驗。因此除終端機外,基地台端亦必須具備某種程度的可搬運性。

 

(3)成本控制
以4×4的MIMO為例,基地台端必須使用4台發送裝置及4台收訊裝置。假設終端機端亦採相同手法,則同樣須裝設4台發送裝置與4台收訊裝置。即總計需多達16台裝置。若各使用一般的測量用裝置(1台日幣數百萬),將是筆龐大的成本。

 

(4)開發手法相關限制
本專案係由學生實際進行作業。因此在技能方面,無法處理唯有FPGA及DSP等硬體開發專業人員才能解決的難題,須以較簡易的作業進行開發。

 

 

【解決方案】


為解決上述課題,決定採用NI產品來建構系統。首先使用「USRP(Universal Software Radio Peripheral)」作為終端機。2×2 MIMO基地台以圖2所示的結構完成建構,其中心部分為NI的PXI底板,使用時已外接市售的放大器模組等。接著在PXI底板上搭載訊號產生器(SG)與訊號分析儀(SA)兩個RF模組,各配以2個頻道,加上FPGA板及組裝PC。2個SG作為發送裝置,2個SA作為收訊裝置進行運作。實施同步的方法採用將PXI底板與USRP兩者接上GPS接收器,再使用來自GPS的1 PPS(Pulse Per Second)脈衝取得絕對時間同步的手法。此外,10 MHz的標準訊號亦由GPS接收器提供。FPGA板接收來自GPS接收器的脈衝,扮演控制收發訊號時機點(產生觸發訊號)的角色。而收發訊號的基頻帶訊號處理及控制處理則由組裝PC上的軟體進行。上述軟體係使用圖形系統開發平台「NI LabVIEW」進行開發。如照片1、照片2所示,終端機與基地台雙方皆已縮小至具備可搬運性的精巧形態。且比起使用其他公司的測量用裝置,已成功將壓低成本。    

 

利用此類結構,首先已於2011年中,確認2×2 MIMO系統的動作與特性。接著於2012年初,確認了4×4 MIMO系統的動作與特性。負責基地台端開發工作的主要人員為1名學生,從學習開始約花了1年的時間,終於完成4×4 MIMO系統的建構。

 

完成後的系統功能一切皆如預期般正常動作。且就處理速度而言,更呈現出超乎預期的高速性。2×2的MIMO系統則以數ms的速度完成反饋,PXI底板的處理/訊號發送均在數ms內完成。4×4的MIMO亦將處理時間的增量壓低至約1ms。

 

得在短期內完成高規格系統的首要理由在於,系統的基本結構可在非常短的時間內架設而成。雖然基地台端係以NI的RF模組為主要結構元素,但SG/SA皆採用通用型的測量裝置。著手建構MU-MIMO之前,首先架設了以USRP為對象的純收發訊號系統,但實際的作業與其說是建構通信系統,不如說是使用測量儀器進行簡易的訊號測量。因此,沒有理由會產生問題,且實際亦未浪費任何時間。

 

MU-MIMO系統建構作業的開發過程即是以上述方法架設的純收發訊號系統,再嘗試逐漸附加控制處理及訊號處理的方式進行。上述處理完全由軟體實施,藉由LabVIEW,以GUI(圖形使用者介面)為基礎完成了開發作業。換言之無須具備高度的硬體開發技能及軟體編碼技能。此外,基本上已備有實施MIMO收發訊號的範例程式,該部分亦大幅縮減了許多工時。因此負責開發作業的學生可完全集中在必須投注心力的部分。再加上採用LabVIEW,輕鬆完成系統GUI的建構與訊號可視化等,對於縮短開發時間亦有相當大的助益。LabVIEW已備有眾多顯示用的GUI元件,在系統動作時幾乎可即時顯示任一處的波形。因此亦可迅速進行除錯作業等。不僅如此,由於採用了極具優勢的NI RF模組產品,比其他公司的測量裝置更易與PC進行連結,可直接將接收波的數據匯入PC,即時處理。依上述方式採用了NI的硬體產品與LabVIEW後,繁瑣的作業便大幅減少了。

 

 

【後續發展】

今後的驗證實驗專案活動將啟用2個2×2 MIMO系統進行干擾控制的研究。加上推算頻率與時機點並引進校正機制,預計將完成不使用GPS亦可進行同步的研究。不僅如此,今後亦將著手引進預測傳遞路徑變化的技術。預計將以軟體處理進行上述研究,目前正為此開發演算法。

 

此外,除要追求開發更接近實用水準的系統,提升系統的反應速率亦為一項重要課題。關於這一點,目前正思考以低於豪秒的水準,在傳遞路徑改變前能確實完成發送。為此我們想繼續活用FPGA。總而言之,目前的方針是將組裝PC進行的處理程序移管至FPGA板,以期藉此提升速度。

 

作者資訊:
村田 英一先生
京都大學 研究所情報學研究科 通信情報系統專攻 副教授 

 

作者資訊:

村田 英一氏
京都大学 大学院情報学研究科 通信情報システム専攻 准教授

圖2. 基地台的基本結構
圖1. MU-MIMO概念圖
照片1. 終端裝置的外觀
照片2. 基地台裝置的外觀