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NI助力钱学森实验室空间无线网络测试验证技术的研究

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【摘要】:
为了探索前沿技术领域,实现科研成果快速转换,钱学森空间技术实验室在验证与测试系统保证成熟可靠地基础上,搭建了一套支持多终端访问的信道仿真系统,同时需要系统支持用户最大程度的自定义开发,实现系统功能和技术性能的快速迭代。来自钱学森空间技术实验室的张晓莹对此进行了深入解析。

 

 

为了探索前沿技术领域,实现科研成果快速转换,钱学森空间技术实验室在验证与测试系统保证成熟可靠地基础上,搭建了一套支持多终端访问的信道仿真系统,同时需要系统支持用户最大程度的自定义开发,实现系统功能和技术性能的快速迭代。来自钱学森空间技术实验室的张晓莹对此进行了深入解析。

➤ 应用挑战

•现有的无线技术变得日益复杂,如新型物理层波形, NOMA, MIMO,TX diversity (STBC, SFBC) ,RX diversity (MRC) 等,需要无线信道仿真/电磁环境模拟做相关的性能测试。但是,目前市场上现有的方案存在价格过于昂贵、系统开放性不足、无法自定义场景和实现用户特定需求的问题。

•本研究针对卫星互联网通信,需要搭建大规模的信道模型仿真通信环境,支持自定义信道模型部署及射频链路实现

 

➤ 解决方案
•本方案基于 ATCA 和 USRP ,利用开源语言构建无线通信网络的信道模拟器,该平台兼备SDR所需的RF灵活性及实时高性能并行运算能力;不仅可实现16通道信道仿真,并支持扩展为更高通道数的信道仿真,如256通道等。
•本系统使用 16个USRP、2个ATCA-3671和服务器等组成信道模拟器,16个USRP用于用户访问信道模拟器,实现32路信道仿真。

 

➤ 使用的产品
•USRP-2954
•ATCA-3671 

 

“NI在钱学森实验室的建设过程中提供了很大的助力,如2017年我们致力于研究下一代星间、星地通信网络,基于NI成熟的硬件设备、搭建了关键的无线电通信网络信道模拟器。这一无线电通信网络信道模拟器,具有软件定义、易定制、可拓展的特点,其采用了大规模的FPGA并行计算可实现超大吞吐量以及稳定延时。得益于NI公司的大力支持,整个模拟器项目的研究,包括测试工作,足足提升了50%的效率!”

——项目团队反馈

项目背景介绍


 

钱学森空间技术实验室致力于研究未来空间系统,专注前沿技术和应用科学,主要领域包括空间应用与空间科学,建成了先进激光技术、通信与网络实验室等十多个专业实验室。

 

为了探索前沿技术领域,实现科研成果快速转换,实验室在验证与测试系统保证成熟可靠地基础上,搭建一套支持多终端访问的信道仿真系统,同时需要系统支持用户最大程度的自定义开发,实现系统功能和技术性能的快速迭代。

项目目标与原则


 

项目旨在利用软件无线电技术,搭建多射频前端结合大规模FPGA的自定义信道仿真系统,用以验证开发人员在空间通信质量改善、算法优化方面的研究成果。

 

系统开发遵循开放、灵活可扩展的原则,除使用COTS的硬件产品外,需要系统具有以下特性:
  • 扩展性强,系统需要根据实际研究需求,在扩展仿真规模的过程中,能实现软件、硬件系统的无缝升级;

  • 运算能力强,需要提供大规模FPGA资源用于支持复杂算法的部署;

  • 开放性强,系统需要能够最大限度的兼容现有信道建模软件,同时为用户开放自定义接口;

项目实施与应用情况详细介绍


 

在项目实施过程中,实验室研究人员基于原有PXI平台使用与开发经验,基于LabVIEW环境针对软件无线电终端进行设计开发。

 

同时,为保证信道模拟器系统最大程度的开放性,提高研究人员通过上位机对FPGA部署的便捷性,研究人员重点攻关并成功实现了基于GNU Radio 的USRP端通信框架搭建及验证,GNU Radio是一个设计框架,一个开源的无线电架构平台,帮助研究人员更加便捷的设计、模拟和部署的真实高效无线电系统。

 

针对大规模FPGA矩阵ATCA-3671,实验室采用软硬件协同设计的系统级开发环境BEEcube Platform Studio(BPS)实现,BPS工具基于Matlab的Simulink 框架,可以自动的生成所有特定硬件平台的内部接口和相应的软件驱动程序,可以大幅降低复杂算法的实现。

项目第一阶段实施过程中,为保证项目顺利实施,实验室与NI公司就联合招聘实习生、远程支持专项组、现场联调等方式进行了探索,在就开发要求、实施效果不断落实、迭代的过程中,双方不断加深合作,并成立了空间技术研究与应用联合实验室。

随着系统效果的逐步体现,以及研究内容不断深化对系统规模扩大和性能提高的要求日益突出,实验室对该系统进行了第二阶段的升级扩展,从原来的16个USRP模拟16个通道,扩展到当前的32个USRP,2个ATCA-3671,实现了32路信道模拟。

 

目前实验室已经完全具备整套系统的搭建与扩建能力,培养并强化了队伍基于开源语言GNU Radio、图形化语言LabVIEW以及FPGA系统级设计平台BPS的设计能力,为后续进一步的系统优化打下了良好基础。

效益分析


 

项目成功完成了多通道复杂信道模拟器的设计,同时开源架构对后续系统扩展打下了良好基础。联合实验室的成立,使得双方资源得到进一步优化利用,使得先进测控仪器与科学探索有了更紧密的结合。

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