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