為了探索前沿技術(shù)領(lǐng)域，實現(xiàn)科研成果快速轉(zhuǎn)換，錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室在驗證與測試系統(tǒng)保證成熟可靠地基礎(chǔ)上，搭建了一套支持多終端訪問的信道仿真系統(tǒng)，同時需要系統(tǒng)支持用戶最大程度的自定義開發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能和技術(shù)性能的快速迭代。來自錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室的張曉瑩對此進(jìn)行了深入解析。
應(yīng)用挑戰(zhàn)
●現(xiàn)有的無線技術(shù)變得日益復(fù)雜，如新型物理層波形, NOMA， MIMO，TX diversity (STBC, SFBC) ，RX diversity (MRC) 等，需要無線信道仿真/電磁環(huán)境模擬做相關(guān)的性能測試。但是，目前市場上現(xiàn)有的方案存在價格過于昂貴、系統(tǒng)開放性不足、無法自定義場景和實現(xiàn)用戶特定需求的問題。
●本研究針對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信，需要搭建大規(guī)模的信道模型仿真通信環(huán)境，支持自定義信道模型部署及射頻鏈路實現(xiàn)
解決方案
●本方案基于 ATCA 和 USRP ，利用開源語言構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的信道模擬器，該平臺兼?zhèn)銼DR所需的RF靈活性及實時高性能并行運(yùn)算能力；不僅可實現(xiàn)16通道信道仿真，并支持?jǐn)U展為更高通道數(shù)的信道仿真，如256通道等。
●本系統(tǒng)使用 16個USRP、2個ATCA-3671和服務(wù)器等組成信道模擬器，16個USRP用于用戶訪問信道模擬器，實現(xiàn)32路信道仿真。
使用的產(chǎn)品
●USRP-2954
●ATCA-3671
“NI在錢學(xué)森實驗室的建設(shè)過程中提供了很大的助力，如2017年我們致力于研究下一代星間、星地通信網(wǎng)絡(luò)，基于NI成熟的硬件設(shè)備、搭建了關(guān)鍵的無線電通信網(wǎng)絡(luò)信道模擬器。這一無線電通信網(wǎng)絡(luò)信道模擬器，具有軟件定義、易定制、可拓展的特點，其采用了大規(guī)模的FPGA并行計算可實現(xiàn)超大吞吐量以及穩(wěn)定延時。得益于NI公司的大力支持，整個模擬器項目的研究，包括測試工作，足足提升了50%的效率！”
——項目團(tuán)隊反饋
項目背景介紹
錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室致力于研究未來空間系統(tǒng)，專注前沿技術(shù)和應(yīng)用科學(xué)，主要領(lǐng)域包括空間應(yīng)用與空間科學(xué)，建成了先進(jìn)激光技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)實驗室等十多個專業(yè)實驗室。
為了探索前沿技術(shù)領(lǐng)域，實現(xiàn)科研成果快速轉(zhuǎn)換，實驗室在驗證與測試系統(tǒng)保證成熟可靠地基礎(chǔ)上，搭建一套支持多終端訪問的信道仿真系統(tǒng)，同時需要系統(tǒng)支持用戶最大程度的自定義開發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能和技術(shù)性能的快速迭代。
項目目標(biāo)與原則
項目旨在利用軟件無線電技術(shù)，搭建多射頻前端結(jié)合大規(guī)模FPGA的自定義信道仿真系統(tǒng)，用以驗證開發(fā)人員在空間通信質(zhì)量改善、算法優(yōu)化方面的研究成果。
系統(tǒng)開發(fā)遵循開放、靈活可擴(kuò)展的原則，除使用COTS的硬件產(chǎn)品外，需要系統(tǒng)具有以下特性：
擴(kuò)展性強(qiáng)，系統(tǒng)需要根據(jù)實際研究需求，在擴(kuò)展仿真規(guī)模的過程中，能實現(xiàn)軟件、硬件系統(tǒng)的無縫升級；
運(yùn)算能力強(qiáng)，需要提供大規(guī)模FPGA資源用于支持復(fù)雜算法的部署；
開放性強(qiáng)，系統(tǒng)需要能夠最大限度的兼容現(xiàn)有信道建模軟件，同時為用戶開放自定義接口；
項目實施與應(yīng)用情況詳細(xì)介紹
在項目實施過程中，實驗室研究人員基于原有PXI平臺使用與開發(fā)經(jīng)驗，基于LabVIEW環(huán)境針對軟件無線電終端進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。
同時，為保證信道模擬器系統(tǒng)最大程度的開放性，提高研究人員通過上位機(jī)對FPGA部署的便捷性，研究人員重點攻關(guān)并成功實現(xiàn)了基于GNU Radio 的USRP端通信框架搭建及驗證，GNU Radio是一個設(shè)計框架，一個開源的無線電架構(gòu)平臺，幫助研究人員更加便捷的設(shè)計、模擬和部署的真實高效無線電系統(tǒng)。
針對大規(guī)模FPGA矩陣ATCA-3671，實驗室采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的系統(tǒng)級開發(fā)環(huán)境BEEcube Platform Studio（BPS）實現(xiàn)，BPS工具基于Matlab的Simulink 框架，可以自動的生成所有特定硬件平臺的內(nèi)部接口和相應(yīng)的軟件驅(qū)動程序，可以大幅降低復(fù)雜算法的實現(xiàn)。
項目第一階段實施過程中，為保證項目順利實施，實驗室與NI公司就聯(lián)合招聘實習(xí)生、遠(yuǎn)程支持專項組、現(xiàn)場聯(lián)調(diào)等方式進(jìn)行了探索，在就開發(fā)要求、實施效果不斷落實、迭代的過程中，雙方不斷加深合作，并成立了空間技術(shù)研究與應(yīng)用聯(lián)合實驗室。
隨著系統(tǒng)效果的逐步體現(xiàn)，以及研究內(nèi)容不斷深化對系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和性能提高的要求日益突出，實驗室對該系統(tǒng)進(jìn)行了第二階段的升級擴(kuò)展，從原來的16個USRP模擬16個通道，擴(kuò)展到當(dāng)前的32個USRP，2個ATCA-3671，實現(xiàn)了32路信道模擬。
目前實驗室已經(jīng)完全具備整套系統(tǒng)的搭建與擴(kuò)建能力，培養(yǎng)并強(qiáng)化了隊伍基于開源語言GNU Radio、圖形化語言LabVIEW以及FPGA系統(tǒng)級設(shè)計平臺BPS的設(shè)計能力，為后續(xù)進(jìn)一步的系統(tǒng)優(yōu)化打下了良好基礎(chǔ)。
效益分析
項目成功完成了多通道復(fù)雜信道模擬器的設(shè)計，同時開源架構(gòu)對后續(xù)系統(tǒng)擴(kuò)展打下了良好基礎(chǔ)。聯(lián)合實驗室的成立，使得雙方資源得到進(jìn)一步優(yōu)化利用，使得先進(jìn)測控儀器與科學(xué)探索有了更緊密的結(jié)合。
（轉(zhuǎn)載）
