Stanowisko testowe dla systemów Massive MIMO 5G - od teorii do praktyki

Wykładniczy wzrost liczby urządzeń mobilnych oraz ilości danych przesyłanych bezprzewodowo motywuje naukowców do badań nad nowymi technologiami i sposobami na zaspokojenie rosnących oczekiwań. Kolejna generacja technologii bezprzewodowej transmisji danych (nazywana piątą generacją lub 5G) musi nie tylko zapewnić odpowiednią pojemność sieci, ale również przewyższać starsze standardy niezawodnością, zasięgiem, sprawnością energetyczną i mieć mniejsze opóźnienia niż obecne systemy komunikacji.

Massive MIMO to rozwiązanie, które potencjalnie znajdzie zastosowanie w technologii 5G, gdyż oferuje znaczny wzrost prędkości transmisji danych i zapewnia wysoką niezawodność łącza, dzięki użyciu dużej liczby anten (więcej niż 64) w stacji przekaźnikowej BTS. Istotnie przekracza ono obecne standardy architektury BTS wykorzystującej maksymalnie osiem anten w topologii sektorowej.

Za pomocą systemu Massive MIMO ogranicza się też moc promieniowaną przy użyciu technik kodowania wstępnego. Kierowanie wiązki promieniowania w stronę konkretnych jednostek mobilnych obniża wymaganą moc sygnału radiowego i jednocześnie zmniejsza interferencję u innych użytkowników.

Może być to szczególnie pożądane, biorąc pod uwagę ograniczenia współczesnych sieci komórkowych wynikające właśnie z nadmiernej interferencji. Jeśli założenia stawiane systemom Massive MIMO okażą się spełnione, sieci przyszłości 5G będą szybsze i pomieszczą większą liczbę użytkowników, zapewniając wyższą niezawodność i sprawność energetyczną.

Będąc systemem wyposażonym w tak wiele anten, aplikacja Massive MIMO natrafia na kilka trudności niespotykanych we współczesnych sieciach. Przykładowo, dzisiejsze zaawansowane sieci bazujące na LTE bądź LTEAdvanced, wymagają narzutu sekwencji pilotujących w liczbie proporcjonalnej do liczby anten.

Rys. 1. Stanowisko testowe systemu Massive MIMO na Uniwersytecie w Lund w Szwecji zbudowane w oparciu o USRP RIO (a) ze stworzoną w tym celu macierzą spolaryzowanych skośnie pól antenowych (b)

Zarządzanie narzutem przy większej liczbie anten w Massive MIMO odbywa się przy wykorzystaniu podziału transmisji w dziedzinie czasu (Time Division Duplex) pomiędzy łączem odbiorczym i nadawczym, przy założeniu wzajemności kanałów. Wzajemność kanałów pozwala na wykorzystanie informacji (zdobytej z danych wychodzących) o stanie kanału w kodowaniu wstępnym pasma danych przychodzących. Kolejne wyzwania związane z realizacją Massive MIMO to: skalowanie magistrali danych i interfejsu, przynajmniej o rząd wielkości oraz synchronizacja dużej liczby niezależnych urządzeń nadawczo-odbiorczych.

Trudności związane z synchronizacją, przetwarzaniem i akwizycją danych sprawiają, że wzrosło znaczenie prototypowania i walidacji założeń w rzeczywistym środowisku. Pozwala to opracować prototypy w celu określenia możliwości komercyjnej implementacji i rentowności Massive MIMO. Prawidłowością związaną z każdym nowym standardem bezprzewodowym lub technologią jest to, że czas przejścia od fazy koncepcji do prototypu wpływa na termin stworzenia końcowego produktu i jego komercjalizacji. Im szybciej naukowcy będą w stanie zbudować prototyp, tym prędzej będzie można skorzystać z opracowanych innowacji.

Opis prototypu systemu Massive MIMO

Tabela 1. Parametry systemu Massive MIMO Application Framework

Prototypowa aplikacja Massive MIMO składa się ze sprzętu pomiarowego oraz oprogramowania potrzebnego do zbudowania uniwersalnego, konfigurowalnego i skalowalnego stanowiska testowego Massive MIMO, zdolnego do dwukierunkowej komunikacji w czasie rzeczywistym. Dzięki definiowanym programowo transceiverom radiowym NI (SDR) i środowisku LabVIEW, modułowa architektura systemów MIMO pozwala na rozwinięcie systemu zbudowanego z kilku węzłów do postaci Massive MIMO, składającego się ze 128 anten. Elastyczny sprzęt daje ponadto możliwość zmiany konfiguracji, co może okazać się przydatną funkcją w przypadku rosnących potrzeb stawianych przez badania nad komunikacją bezprzewodową. Przykładami są rozproszone węzły w sieci ad-hoc oraz wielokomórkowe sieci skoordynowane.

Dzięki współpracy z NI, profesorowie Ove Edfors oraz Fredrik Tufvesson z uniwersytetu w Lund w Szwecji opracowali największy na świecie system MIMO (rys. 1), składający się z 50 urządzeń USRP RIO i 100 anten. Zespoły badawcze NI oraz uniwersytetu w Lund stworzyły oprogramowanie systemu i warstwę fizyczną (PHY) dla transceiverów SDR w oparciu o standardy LTE i TDD dla dostępu mobilnego. Oprogramowanie stworzone w ramach tej współpracy jest dostępne jako jeden z komponentów Massive MIMO Application Framework. Tabela 1 przedstawia parametry systemu oraz protokołu wspierane przez tę platformę.

Architektura systemu Massive MIMO

Stworzony z myślą o rozwiązaniach komórkowych, system Massive MIMO składa się ze stacji bazowej oraz terminali lub użytkowników mobilnych. Stacja bazowa BTS działa w oparciu o współczynnik określający, że na jeden terminal przypada 10 anten stacji bazowej - daje to dziesięciu użytkownikom możliwość jednoczesnej komunikacji ze stacją bazową zbudowaną ze 100 anten z pełną przepustowością. Współczynnik o tej właśnie wartości umożliwił osiągnięcie największej wydajności.

W systemie Massive MIMO zestaw terminali przesyła jednocześnie ortogonalną sekwencję sterującą do BTS. Otrzymany przez nią komunikat może zostać wykorzystany do określenia macierzy kanałów. W szczelinie czasowej danych przychodzących wspomniane oszacowanie kanałów jest używane do obliczenia kodowania wstępnego sygnałów przychodzących.

Oczekiwanym rezultatem jest sytuacja, w której każdemu użytkownikowi zostaje przydzielony kanał wolny od interferencji. Koncepcja kodowania wstępnego jest otwartym obszarem badań i jej implementacja może być dopasowana do różnych zastosowań. Przykładowo, kodowanie wstępne może być zaprojektowane do tłumienia interferencji występującej u pozostałych użytkowników, minimalizacji całkowitej mocy wydzielanej lub redukowania współczynnika szczytu transmitowanych sygnałów radiowych.

Mimo że istnieje wiele konfiguracji kompatybilnych z opisaną architekturą, Massive MIMO Application Framework pracuje w paśmie do 20 MHz, może działać w oparciu o 64-128 anten i może pracować z wieloma niezależnymi terminalami. Podobny do LTE protokół korzysta z 2048-punktowej szybkiej transformaty Fouriera (FFT) i szczeliny czasowej o szerokości 0,5 ms (tabela 1). Szczelina czasowa zapewnia odpowiednią koherencję kanałów oraz ułatwia osiągnięcie wzajemności kanałów podczas testów mobilnych (innymi słowy, gdy użytkownik z terminalem jest w ruchu).

Sprzęt oraz oprogramowanie dla Massive MIMO

Rys. 2. Transceiver USRP RIO (a) oraz diagram blokowy systemu (b)

System Massive MIMO wymaga przede wszystkim konfigurowalnego transceivera SDR, będącego w stanie odebrać oraz nadać sygnały w.cz., zapewnić dokładną synchronizację w czasie i częstotliwości dla wszystkich głowic radiowych. Wymagana jest ponadto wysokoprzepustowa, deterministyczna magistrala zdolna przesyłać duże ilości danych oraz wydajny system przetwarzania danych w warstwie fizycznej oraz kontroli dostępu do medium transmisyjnego (MAC) - niezbędne do zapewnienia efektywności działania w czasie rzeczywistym. Oparty na produktach firmy National Instruments projekt sytemu Massive MIMO jest więc kombinacją transceiverów SDR, modułów dystrybucji sygnału zegarowego, wysokoprzepustowych systemów PXI oraz środowiska programistycznego LabVIEW.

Wykorzystany transceiver SDR USRP RIO zawiera zintegrowany transceiver MIMO 2×2 oraz układ FPGA Xilinx Kintex-7 służący do szybkiego przetwarzania danych w paśmie podstawowym - całość umieszczona jest w obudowie o wysokości 1U i połowie standardowej szerokości elementów montowanych w szafach rack.

Urządzenie łączy się z kontrolerem poprzez przewodowy interfejs PCI Express x4, przesyłając dane strumieniowo z prędkością do 800 MB/s. Rysunek 2 przedstawia schemat blokowy USRP RIO. Urządzenie jest zbudowane w architekturze rekonfigurowalnych wejść i wyjść (RIO) i jest zarządzany z poziomu programu LabVIEW. Mimo że oprogramowanie platformy programistycznej jest w całości pisane w języku LabVIEW, jednak wspomniane środowisko jest w stanie wykorzystać istniejący już kod stworzony w innych językach - takich jak skrypty Matlaba .m, ANSI C/C++ oraz HDL.

Rys. 3. 18-gniazdowa obudowa PXIe-1085 (a) oraz diagram systemowy (b)

Massive MIMO Application Framework korzysta z PXIe-1085-18-slotowej obudowy PXI zbudowanej w technologii PCI Express trzeciej generacji. Umożliwia to uzyskanie wysokiej przepustowości na poziomie 8 GB/s na slot oraz 24 GB/s na cały system i niskich opóźnień transmisji. Rysunek 3 przedstawia dwuczęściową płytę interfejsu magistrali. W przypadku budowy systemów o większej liczbie kanałów istnieje możliwość połączenia ze sobą wielu obudów PXI w konfiguracji łańcuchowej lub gwiazdowej.

Massive MIMO Application Framework wykorzystuje moduły przetwarzania FlexRIO z układami FPGA - są one programowane przez moduł LabVIEW FPGA i mogą też działać samodzielnie. Dodatkowo istnieje wiele modułów rozszerzeń mogących zwiększyć funkcjonalność platformy: mogą to być nadajniki i odbiorniki w.cz., przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC) oraz cyfrowe porty I/O. Dopełnieniem platformy sprzętowej jest urządzenie OctoClock firmy Ettus Research - moduł dystrybucji sygnału zegarowego na ośmiu kanałach - zapewnia synchronizację w czasie i częstotliwości ośmiu urządzeń USRP.

Środowisko programistyczne LabVIEW

Rys. 4. Moduł PXIe-7976R FlexRIO (a) oraz diagram systemowy (b)

Środowisko LabVIEW zapewnia zintegrowany komplet narzędzi programowych służący do zarządzania szczegółową konfiguracją oprogramowania i sprzętu na poziomie systemu. Umożliwia ono przedstawienie danych na interfejsie użytkownika w postaci graficznej, stworzenie kodu pracującego zarówno na procesorach ogólnego przeznaczenia, kontrolerach czasu rzeczywistego, jak i FPGA oraz ostatecznie zastosowanie go w stanowisku testowym.

Takie podejście pozwala na stworzenie wydajnych i elastycznych aplikacji, zachowując ich czytelność. Wszelkie oprzyrządowanie i oprogramowanie jest zarządzane w jednym projekcie LabVIEW, pozwalając na uruchamianie różnych scenariuszy testowych w zakresie jednego środowiska. Massive MIMO Application Framework korzysta z LabVIEW ze względu na jego wysoką produktywność oraz zdolność do programistycznego zdefiniowania poszczególnych wejść i wyjść oraz ich kontroli poprzez moduł LabVIEW FPGA.

Architektura prototypowej aplikacji stacji bazowej Massive MIMO

Rys. 5. Projekt oraz aplikacja FPGA stworzone w LabVIEW

Opisane powyżej elementy oprogramowania i sprzętu współtworzą skalowalne stanowisko testowe obsługujące od kilku do ponad 128 zsynchronizowanych anten. Dla uproszczenia, niniejszy artykuł opisuje konfiguracje 64-, 96- oraz 128-antenowe. Ostatnia z nich jest stworzona z 64 dwukanałowych urządzeń USRP RIO powiązanych z czterema obudowami PXI skonfigurowanymi w topologię gwiazdy.

Główny kontroler zbiera wszystkie dane w jednym miejscu w celu przetwarzania oraz dalszej analizy przy użyciu układów FPGA oraz kontrolera PXI z procesorem Intel i7. Został umieszczony w obudowie PXIe-1085 i pełni funkcję węzła zbierającego dane i przetwarzającego je w czasie rzeczywistym. Obudowa ma 17 slotów na urządzenia IO, moduły synchronizacji, jednostki przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym (oparte na FlexRIO FPGA) oraz moduły pozwalające na podłączenie innych obudów.

Obsługa 128 anten wymaga bardzo wysokiej przepustowości systemu akwizycji i przetwarzania sygnałów modulowanych kwadraturowo przy jednoczesnym wysyłaniu i odbieraniu w czasie rzeczywistym - urządzenie PXIe-1085 jest do tego dostosowane dzięki zastosowaniu połączeń PCI Express x8 trzeciej generacji, oferujących przepustowość na poziomie 3,2 GB/s.

W pierwszym slocie obudowy znajduje się kontroler PXIe-8135 RT pełniący funkcję centralnej jednostki systemu. Moduł ten jest wyposażony w procesor Intel Core i7-3610QE taktowany 2,3 GHz. Znajdują się tam również cztery moduły interfejsu PXIe-8384 (S1-S4) służące do podłączenia obudów podrzędnych. W tego typu połączeniach stosowany jest interfejs MXI i PCI Express x8 drugiej generacji, zapewniający prędkość wymiany danych na poziomie 3,2 GB/s.

W skład stworzonego systemu wchodzi również do ośmiu modułów PXIe-7976R FlexRIO FPGA spełniających wymagania stawiane systemom Massive MIMO w zakresie przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym. Układy FPGA są połączone kaskadowo i wspierają przetwarzanie danych pochodzących z każdej z obudów podrzędnych. Każdy moduł FlexFRIO jest w stanie odbierać lub przesyłać dane po magistrali PXI do innych urządzeń z opóźnieniem poniżej 5 µs i przepustowością do 3 GB/s.

Synchronizacja

Synchronizacja jest istotnym czynnikiem wchodzącym w skład każdego systemu obsługującego dużą liczbę urządzeń radiowych - w przypadku systemów Massive MIMO ma ona znaczenie krytyczne. Stacja bazowa jest wyposażona w standardowy zegar referencyjny 10 MHz oraz cyfrowy wyzwalacz rozpoczynający proces akwizycji lub nadawania na każdym urządzeniu radiowym, zapewniając tym samym synchronizację na poziomie całego systemu. Moduł synchronizacji PXIe-6674T jest wyposażony w oscylator OCXO o dokładności 50 ppb i dostarcza sygnał do modułu dystrybucji sygnału zegarowego OctoClock-G w celu synchronizacji wszystkich urządzeń.

Architektura oprogramowania stacji bazowej

Rys. 6. Diagram skalowalnego systemu Massive MIMO wykorzystującego urządzenia PXI oraz USRP RIO

Aplikacja stacji bazowej została zaprojektowana tak, aby osiągnąć parametry pracy systemu przedstawione w tabeli 1. Jednym z tych założeń jest przetwarzanie warstwy fizycznej sygnału OFDM przez USRP, a kodowanie w układach FPGA. Umożliwia to przetwarzanie dużej ilości danych przy niskich opóźnieniach, co jest niezbędne do utrzymania spójności i niskich opóźnień w kanałach transmisyjnych. Co więcej, parametry kodowania wstępnego są przesyłane bezpośrednio z odbiornika do nadajnika, by zmaksymalizować wydajność systemu.

Proces przetwarzania OFDM ma miejsce w układach FPGA, dzięki czemu te najbardziej skomplikowane obliczenia są realizowane sprzętowo. Wyniki obliczeń są następnie łączone w oprogramowaniu odbiornika MIMO, gdzie informacje o kanałach są rozdzielane dla każdego użytkownika i każdej z podnośnych.

Obliczone parametry kanału są przesyłane do bloku MIMO TX, gdzie stosowane jest kodowanie wstępne, kształtujące wiązkę sygnału na pojedynczym użytkowniku podczas drogi powrotnej. Mimo, że pewna funkcjonalność MAC jest implementowana w układach FPGA, przeważająca jej większość wraz z przetwarzaniem zachodzącym w warstwach wyższych implementowana jest w kontrolerze. W przypadku poszczególnych etapów działania systemu stosowane algorytmy są nadal aktywnym obszarem badawczym. Kompletny system jest rekonfigurowalny, a dzięki implementacji w LabVIEW oraz LabVIEW FPGA - zoptymalizowany pod kątem prędkości działania bez utraty czytelności.

Terminal po stronie użytkownika

Rys. 7. Diagram dystrybucji sygnału zerowego w systemie Massive MIMO

Po stronie użytkownika każdy terminal reprezentuje telefon komórkowy bądź inne bezprzewodowe urządzenie będące systemem z jednym wejściem i jednym wyjściem (SISO) lub 2×2 MIMO. Prototyp terminalu zbudowany został na bazie USRP RIO ze zintegrowanym oscylatorem sterowanym GPS-em (GPSDO), podłączony do laptopa poprzez kabel PCI Express i kartę ExpressCard.

GPSDO jest tu istotny, gdyż zapewnia dokładność generowanej częstotliwości oraz daje możliwość synchronizacji i geolokalizacji - funkcji przydatnych w przyszłych wersjach systemu. Oprogramowanie terminalu jest podobne do tego opracowanego na potrzeby stacji bazowej. Wykorzystywana jest jednak jedna antena, zatem warstwa fizyczna jest osadzona w układzie FPGA urządzenia USRP RIO, natomiast warstwa MAC działa na komputerze.

Podsumowanie

Niniejszy artykuł demonstruje jedną z wykonalnych propozycji zbudowania systemu Massive MIMO, który pozwala na prowadzenie badań nad technologią 5G. Wykonany system prototypowy umożliwia synchronizację w czasie i częstotliwości dużej liczby urządzeń radiowych, a infrastruktura oparta na PCI Express spełnia wymagania przepustowościowe konieczne do transmisji i akwizycji sygnału z prędkością ponad 15,7 GB/s. Oparcie przetwarzania sygnału cyfrowego na FPGA upraszcza proces tworzenia wydajnej jednostki przetwarzania na warstwach PHY oraz MAC i pozwala na spełnienie wymagań pracy systemu w czasie rzeczywistym.

Erik Luther
Senior Product Marketing Manager, RF and SDR
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com