Platforma PXI oraz NI LabVIEW w roli systemu komunikacji bezprzewodowej MIMO

Systemy łączności, bazujące na technologii MIMO, wykorzystują w odbiorniku i nadajniku macierze anten zamiast pojedynczego elementu. Zapewniają one efektywną komunikację w środowiskach wielkomiejskich, gdzie na skutek zakłóceń związanych z wielotorową propagacją, poziom odbieranego sygnału podlega znacznym wahaniom.

Zaniki oraz wielokrotne odbicia przeszkadzają w realizacji wydajnej transmisji danych, dlatego technologia MIMO jest postrzegana jako remedium na takie problemy oraz sposób na zapewnienie niezawodnej komunikacji w kolejnych generacjach sieci bezprzewodowych, w szerokopasmowych terminalach łączących sieć stacjonarną i bezprzewodową oraz w telefonii komórkowej czwartej generacji.

Jest niezwykle ważne, aby systemy komunikacji bezprzewodowej obsługujące technologię MIMO były badane na prototypach w trakcie projektowania, co zapewnia weryfikację teoretycznych rozważań i założeń projektu. Tradycyjne podejście do takiej weryfikacji wymaga wykorzystania drogiego i specjalistycznego sprzętu, który dodatkowo jest niełatwy w obsłudze w warunkach, jakie panują w laboratorium działającym na uczelni.

Niemniej, wiele z tych problemów daje się uniknąć wykorzystując zintegrowaną platformę sprzętowo-programową National Instruments, pozwalającą na zbudowanie radiowego połączenia bezprzewodowego zawierającego wszystkie elementy funkcjonalne związane z modulacją, synchronizacją oraz stabilizacją działania toru radiowego. Co więcej, zbudowany w ten sposób system jest w pełni programowalny, pozwala to w prosty sposób tworzyć i, w następnej kolejności, weryfikować nowe koncepcje.

Projekt realizowany wspólnie przez uniwersytety Drexel i Texas podzielony został na dwie fazy. Pierwsza objęła budowę prototypu systemu łączności z wykorzystaniem MIMO, działającego pomiędzy dwoma stałymi lokalizacjami. W drugiej fazie komunikacja realizowana była bez ustalonej z góry drogi propagacji sygnału, przy wykorzystaniu sieci ad-hoc.

Sieci o strukturze ad-hoc nie zawierają centralnego sterownika a ich topologia zmienia się w zależności od okoliczności. Dzięki temu oferują one dużą elastyczność konfiguracji i pozwalają na szybkie tworzenie toru łączności. Z naturalnych względów taka funkcjonalność jest interesująca dla twórców wielu nowoczesnych produktów konsumenckich oraz wojskowych.

Prototypowanie bezprzewodowego łącza komunikacyjnego MIMO

Jednym z najważniejszych zadań stojących przed zespołem projektantów było opracowanie symulacji systemu komunikacji MIMO z wykorzystaniem NI LabVIEW Modulation Toolkit. Oprogramowanie to pozwala kontrolować parametry systemowe sygnału (szybkość transferu danych, typ korekcji błędów) oraz umożliwia dodawanie funkcjonalności takiej, jak symulacja zaników oraz interferencji wynikających z wielotorowości transmisji, które pojawiają się przy rzeczywistej transmisji radiowej.

Podczas implementacji sprzętowej symulację zamieniono na działające łącze bezprzewodowe. Aby to było możliwe zostały stworzone za pomocą LabVIEW pakiety danych, które następnie poddano modulacji. W dalszej kolejności, za pomocą generatora AWG, zamieniono sygnał cyfrowy na przebieg analogowy, którym zmodulowano nośną o częstotliwości 2.5GHz przy użyciu urządzenia NI PXI-5610. Sygnał w.cz. został następnie wyemitowany przez antenę.

Po stronie odbiornika sygnał odebrany przez drugą antenę jest przesuwany na częstotliwość pośrednią za pomocą urządzenia NI PXI-5600, a następnie szybki digitizer NI PXI-5620 zamienia go na postać cyfrową, przetwarzaną w programie LabVIEW, przy wykorzystaniu narzędzi do demodulacji oraz analizy. Implementacja technologii MIMO oraz topologii ad-hoc Wykonane urządzenia prototypowe zapewniają możliwość studiowania zagadnień związanych z MIMO i sieciami o topologii ad-hoc.

Aktualnie naukowcy zajmują się projektowaniem macierzy antenowej, opracowują metody charakteryzacji jakości kanału łączności oraz sposoby rozpoznawania zakłóceń elektromagnetycznych uniemożliwiających komunikację. Trwają też prace nad efektywnymi algorytmami demodulacji w odbiorniku. Aby zapewnić maksymalną elastyczność każdy zestaw urządzeń docelowo będzie wyposażony w sieć ad-hoc składającą się z pięciu węzłów.

Każdy węzeł tej sieci zostanie skonfigurowany tak, by współpracować z czterema antenami odbiorczymi i czterema nadawczymi. Pozwoli to na testowanie wielu scenariuszy łączności. Nadajniki w.cz. charakteryzują się pasmem pracy rzędu 20MHz i zdolnością do pracy w całym paśmie ISM/UNII, co powinno być wystarczające dla tego zadania. Fizyczna warstwa protokołu została obsłużona programowo za pomocą NI LabVIEW, urządzenia modułowe umieszczono w obudowie NI PXI-1045. Obudowę następnie podłączono, za pomocą karty gigabitowego Ethernetu NI PXI-8231, do oddzielnego komputera zapewniającego sterowanie oraz realizującego obsługę protokołów wyższych rzędów.

Prof. Robert W. Heath, Jr. – University of Texas
Prof. Kapil R. Dandekar – Drexel University
Prof. Scott M. Nettles – University of Texas
National Instruments Poland Sp. z o.o.
www.ni.com/poland