„A LabVIEW segítségével azonban mind Windows-, mind FPGA-alapú alkalmazásokat egyetlen fejlesztőkörnyezetben voltunk képesek létrehozni. Összetett hardverleíró nyelvek ismerete nélkül voltunk képesek FPGA-alkalmazásokat készíteni és módosítani." (Hamdi Joudeh, Imperial College London)
1. ábra. PXI Express-keret bemeneti RF-modullalÚj generációs, vezeték nélküli kommunikációs rendszerekhez kifejlesztett algoritmusok verifikációja és tesztelése valós átviteli körülmények között nem egyszerű, különösen a mobiltelefon-rendszerek valósidejű emulálása mellett, de az NI LabVIEW-alapú prototípus-tervezési környezet létrehozásával, az NI PXI-alapú rádiófrekvenciás és FPGA-modulok felhasználásával ez a feladat rövid fejlesztési idővel, magas fokú rugalmassággal és az újrakonfigurálhatóság lehetőségével biztosított.
A Londoni Imperial College-ban rádiófrekvenciás távközlési rendszerekkel kapcsolatos oktatást és kutatást végzünk. Tevékenységeink között szerepel mobiltelefonok adó-vevőinek optimalizálása, több-bemenetű—többkimenetű (MIMO-) rendszerek alkalmazása, harmadik és negyedik generációs rendszerek erőforrás-szervezése, valamint új generációs hálózatokhoz kapcsolódó kutatások. Vizsgálataink fókuszában az új generációs MIMO-rendszerek technológiája áll. Ezek a rendszerek az átvitel redundanciájának csökkentésével növelik az átviteli sebességet. Egy MIMO-rendszer elméleti adatsebessége így a hálózati architektúra függvényében meghatározható. A harmadik, illetve negyedik generációs rendszerek esetében a HSDPA- és az LTE-szabványok elvi kapacitása jelenti az adatátvitel felső határát.
A mobil távközlési rendszerek tervezésében fontos szerepet töltenek be az algoritmusok szimulációi és az elvi számítások, a visszaellenőrző tesztek ugyanakkor elképzelhetetlenek valódi jelek és fizikai berendezések nélkül. Térbeli multiplexálási eljárásaink működésének ellenőrzéséhez gyors prototipizáló rendszert hoztunk létre, hogy a működési sebességet valódi jelekkel vizsgálhassuk meg.
Rendszerünket NI LabVIEW szoftveres környezetben működő, NI PXI Express-alapú rádiófrekvenciás és FPGA-modulokkal hoztuk létre. Az NI eszközeinek köszönhetően rugalmas, valósidejű megoldást alkotunk rövid fejlesztési idő alatt.
Prototípus gyors létrehozása térbeli multiplexálás nyereségének vizsgálatához
A különféle módszerek és technológiák képességeinek valós átviteli csatornán történő vizsgálatához egy prototípus- és tesztelési környezet gyors összeállítására szolgáló platformot konfiguráltunk fel oly módon, hogy FPGA-alapú, valósidejű csatornaemulátorral működjön együtt. Ez utóbbi többutas visszaverődésekkel, csillapításokkal és zavarásokkal terheli a vevőoldalt, ezzel utánozva a rádiófrekvenciás készülékek viselkedését valós körülmények között.
A prototípusok gyors összeállítására szolgáló platform egy NI PXIe-7966R FlexRIO típusú FPGA-modult és egy NI 5791 típusú RF-egységet tartalmazott, NI PXIe 1062Q típusú keretbe építve.
Ezt a platformot két részre bontottuk:
- A központi feldolgozó PXI-vezérlőn futott Windows operációs rendszer alatt. Az összetett lebegőpontos számításokat és alapsávi műveleteket végezte — ilyen például a jelek előállítása, szimbólumok leképezése és dekódolása, illetve különféle mobiltelefon-szabványok szerinti modulálás és demodulálás. A forráskódot és a grafikus felhasználói kezelőfelületet LabVIEW alatt fejlesztettük ki, az NI Modulation Toolkit és a LabVIEW Digital Filter Design Toolkit segítségével.
- A csatornafeldolgozó egység a LabVIEW FPGA Module segítségével megvalósított, valósidejű, FPGA-alapú csatornaemulátor volt. Ez végezte a nagy erőforrás-igényű számításokat, például a digitális fel- és lekeveréseket. A többutas terjedés okozta elhalkulási (fading-) hatások szabványügyi szervezetek által előírt emulációját is ez az egység biztosította.
Különféle műszerek integrációjához jellemzően számos programozási nyelvet és eszközt kell ismerni. A LabVIEW segítségével azonban mind Windows-, mind FPGA-alapú alkalmazásokat egyetlen fejlesztőkörnyezetben voltunk képesek létrehozni. Összetett hardverleíró nyelvek ismerete nélkül tudtunk FPGA-alkalmazásokat készíteni és módosítani. Az NI moduljai és a LabVIEW közötti harmónia jól áttekinthető és könnyen kezelhető munkamenetet eredményezett.
Eredmények
A prototípusok gyors létrehozására szolgáló platform segítségével jelenleg a HSDPA és az LTE MIMO lejövőági átvitelének térbeli multiplexelési tulajdonságait teszteljük, egy felhasználó esetén. A multiplexálási nyereséget összesen 16 csatornamegosztó kódot használó, két térbeli jelfolyamot továbbító, 16-os feldolgozási nyereséggel rendelkező, 2×2-es térbeli MIMO-multiplexelést alkalmazó HSDPA-rendszeren vizsgáltuk. Az alcsatornák 6 bitet képeztek le szimbólumonként, másodpercenként összesen 240000 szimbólumot továbbítva, így 46 Mibit/s-os maximális adatsebesség adódott. Mindehhez 5 MHz-es átviteli sávszélesség kell. Egy lineáris, legkisebb négyzetes hibára optimalizáló (MMSE) kiegyenlítő segítségével vettük fel a HSDPA-rendszer adatsebességét a jel-zaj viszony függvényében, az interferencia-kioltó vevő be- és kiiktatott állapotában egyaránt.
Egy 2×2-es LTE MIMO-rendszer átviteli képességét is megvizsgáltuk, 25 erőforrásblokkot és 300 alvivőt használva. Az alvivők szimbólumonként 6 bitet továbbítottak egy 0,5 ms-os időrésben, és minden időrés 6, egymást követően kisugárzott szimbólumot tartalmazott, így az LTE-rendszer legnagyobb adatsebessége 43 Mibit/s-ra adódott. A prototípusrendszer 512 pontos inverz gyors Fourier-transzformációval (iFFT-művelettel) állította elő a kisugárzott szimbólumokat, másodpercenként 7,68 millió szimbólumot létrehozva. Az ehhez szükséges sávszélesség 5 MHz volt, a spektrum mindkét szélén 0,25 MHz-es védősávval. Az átviteli görbéket a jól ismert sajátérték-felbontással határoztuk meg, különféle jel-zaj viszonyok mellett.
3. ábra. A 2×2-es LTE- és HSDPA-átvitel kiterjesztett „A" mozgó vételi modell (EVA) esetén adódó eredményei, utólagos interferenciakioltással és nélküleRugalmas, hatékony rendszerfelépítés
Kutatásaink a mobiltelefon-felhasználók egyre növekvő adatsebesség-igényének kielégítésére alkalmas eljárások kidolgozására irányulnak, elősegítve a rendelkezésre álló sávszélesség hatékonyabb kihasználását. A PXI-alapú, prototípusok létrehozására szolgáló platform nem csupán a jelenlegi tevékenységünkhöz szükséges erőforrásokat képes biztosítani, hanem — szoftveralapú működéséből következően — a jövőbeni kutatásainkhoz szükséges rugalmassággal is rendelkezik.
