CN206977445U - 基于服务器架构的大规模mimo无线通信模拟平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台，包括至少两个用户端，至少两个软件无线电，FPGA协处理器，交换机以及至少两台多核服务器；用户端包括一台PC机以及PC机上连接的射频模块；FPGA协处理器位于PXI机箱内，每个软件无线电通过PXIe线缆与PXI机箱连接，PXI机箱通过以太网接口与交换机连接，每台多核服务器也通过以太网接口与交换机相连，FPGA处理器接收软件无线电输出的基带数据，并将基带数据通过交换机传输至多核服务器。本实用新型的模拟平台拥有高速的数据传输速率，能够实现海量数据的快速处理，降低通信延时且系统的组织方式灵活，扩展性很强，能够实现大规模MIMO通信算法的实时模拟。

Description

基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台

技术领域

本实用新型涉及的是大规模MIMO无线通信模拟平台，由服务器和交换机构成的分布式计算系统为复杂算法的实时模拟提供了庞大的计算资源。

背景技术

由于智能终端的普及应用和移动新业务需求的持续迅猛增长，无线传输速率需求将长期呈爆炸式增升。在无线频谱资源日趋紧张的情况下，如何将无线通信的频谱效率和功率效率每十年提升一个量级，是无线通信的核心所在。大规模多输入多输出(multipleinput multiple output，MIMO)技术，引起了国内外学术界和工业界的极大关注。

性能良好的模拟平台能够为通信算法的开发研究提供有力支持。在通信算法的开发研究中，仅靠软件仿真难以得到空口传输下真实的通信性能，而传统的硬件仿真平台又有开发难度较大、验证周期较长的缺点。在这种情况下，一套能够真实模拟空口传输性能的平台成为了亟待解决的问题。

在大规模MIMO通信模拟中，所面临的一大挑战在于如何快速处理海量数据，并实现低延时通信。这种平台需要具有以下特点：1)大量数据快速传输，延时影响小；2)拥有海量数据处理能力，效率高；3)组织方式灵活，便于进行平台扩展。

综合以上考虑，我们提出了一种基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台，以应用于大规模MIMO无线通信算法的开发测试中，能够有效实现海量数据的实时处理，实现低延时传输，满足复杂通信算法的验证要求。

实用新型内容

发明目的：为了实现空口传输通信性能的仿真模拟，本实用新型目的在于设计构建起一种基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台。该系统包含了由多核服务器架构起的分布式计算系统，有效提高了通信平台的数据处理能力，减小系统中的数据处理延时，提供大规模MIMO技术实时模拟所需的计算资源。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台，包括至少两个用户端，至少两个软件无线电(Software Defined Radio，SDR)，FPGA协处理器，交换机以及至少两台多核服务器；所述用户端包括一台PC机以及PC机上连接的射频模块；所述FPGA协处理器位于PXI机箱内，每个软件无线电通过PXIe线缆与PXI机箱连接，PXI机箱通过以太网接口与交换机连接，每台多核服务器也通过以太网接口与交换机相连，所述FPGA处理器接收软件无线电输出的基带数据，并将基带数据通过交换机传输至所述多核服务器。

作为优选，所述软件无线电为USRP RIO系列设备。

作为优选，所述PXI机箱、交换机和多核服务器至少配置PCI-e 10G网卡，通过10G高速光纤相连。

作为优选，所述多核服务器包括PCI-e 10G网卡、多核心任务处理模块以及计算结果显示模块。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：

1、本实用新型结合了SDR+FPGA和SDR+GPP两种架构的优势，由FPGA进行基带数据初步处理，复杂的通信算法交由服务器完成，可实现低延时通信系统的快速模拟。

2、通信模拟平台中引入分布式计算架构，多核服务器可实现海量数据的并行实时处理，能够满足大规模MIMO技术所需的海量数据计算能力。

3、支持多用户通信，数据经过OFDM解调后，通过交换机传输至不同服务器进行后续处理，服务器支持并行实时计算。由交换机和服务器构建起的分布式计算系统拥有海量数据实时处理能力，能够提供大规模MIMO通信技术所需的计算资源。

4、本实用新型的模拟平台中每个服务器内都包含多核CPU，可并行实时处理数据包，能够支持复杂通信算法，大大提高处理效率，减缓通信延时。

5、平台中引入了高速交换机和10G光纤网卡，实现了通信数据的高速交互。

6、平台的组织方式灵活、扩展性强，能够根据实际计算能力的需求增加服务器的数量。

综上所述，该平台拥有低延时、高效率的计算性能，可实现大规模MIMO技术空口传输的快速模拟，能够为通信算法的开发和测试提供有力支持。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型实施例的模拟平台示意图；

图2为本实用新型多核服务器的结构示意图。

具体实施方式

下面具体阐述基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台的实现方案。

如图1所示，本实用新型实施例公开的一种基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台，主要包含N(N>1)个用户端、M(M>1)个软件无线电、FPGA协处理器、负载分配器、高速交换机和K(K>1)个多核服务器。其中：用户端包含PC机和连接在PC机上的射频模块，每台PC机模拟一个用户端。软件无线电可采用USRP RIO系列设备，如USRP RIO2943软件无线电，配置了射频模块、OFDM解调模块和P2P路由模块；其中，USRP RIO设备通过PXIe线缆连接至PXI机箱，从而实现软件无线电之间的基带数据P2P路由传输。

FPGA协处理器位于PXI机箱内，设有数据路由、数据汇总和负载分配模块，并通过10G以太网口与高速交换机4连接；交换机与多核服务器之间设有10G高速光纤和PCI-e 10G网卡，采用UDP通信协议，实现基带数据低延时传输；所述多核服务器可采用RH 2288服务器，其内包含网卡、多核心任务处理模块和计算结果显示模块。

具体的数据传输流程如下：

系统支持多用户通信，每个用户端由PC控制无线通信进程，数据经射频模块发送出去。在接收端有大规模天线阵列，通信数据由配置了FPGA的USRP RIO2943软件无线电接收，并完成OFDM解调工作。每台USRP RIO都配有P2P路由模块，可实现基带数据的设备间交互，从而使USRP RIO配置的FPGA资源协同工作，提高数据处理效率。初步处理后的通信数据传输至FPGA协处理器进行汇总。

FPGA协处理器将子载波数据的分配后，通过以太网口经由交换机传输至不同服务器进行并行处理。交换机和RH 2288服务器之间采用10G高速光纤和网卡进行连接。光纤上的数据传输遵循UDP协议，帧头部分包含各控制与状态标志位，数据部分包含分块的数据。其中，光纤的高速传输特性能够大大减小通信中的延时。

如图2所示，每个服务器中包含网卡、多核心任务处理模块和计算结果显示模块。在服务器端，网卡接收到光纤上的UDP数据包，完成解析标志位的工作。解封后的数据传输至多核心任务处理模块进行下一步处理。多核CPU能完成多线程运行程序，负责各类复杂的数据处理算法。不同核心能够获取不同的数据帧，完成并行实时处理。最终，数据计算的结果送至显示模块，在计算机上进行直观展示。

上述数据处理过程中涉及到的如OFDM解调、子载波数据的汇总和分配均可按照现有通信协议实现，可以采用软件程序实现也可采用相应的硬件模块实现，本方案不做限制。本领域技术人员可以根据实际的通信规模和时延要求对用户端、软件无线电和服务器数量进行合理配置，本方案对具体数量也不做限制。

该模拟平台挖掘了基于多核服务器构架的分布式计算系统强大的数据处理能力，配合高速光纤网卡有效改善了传输中的延时效应，能够满足大规模MIMO通信平台的性能需求。此外，分布式系统的组织方式更加灵活，极大提高了平台的扩展性，能够根据实际计算能力的需求扩展服务器的数量。

综上所述，本实施例的模拟平台数据的传输和处理效率高，且扩展性强、组织方式灵活，能够真实模拟大规模MIMO技术在空口传输要求下的通信性能。

以上所述仅为本实用新型的一个具体实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台，其特征在于，包括至少两个用户端，至少两个软件无线电，FPGA协处理器，交换机以及至少两台多核服务器；所述用户端包括一台PC机以及PC机上连接的射频模块；所述FPGA协处理器位于PXI机箱内，每个软件无线电通过PXIe 线缆与PXI机箱连接，PXI机箱通过以太网接口与交换机连接，每台多核服务器也通过以太网接口与交换机相连；所述FPGA处理器接收软件无线电输出的基带数据，并将基带数据通过交换机传输至所述多核服务器。

2.根据权利要求1所述的基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台，其特征在于，所述软件无线电为USRP RIO系列设备。

3.根据权利要求1所述的基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台，其特征在于，所述PXI机箱、交换机和多核服务器至少配置PCI-e 10G网卡，通过10G高速光纤相连。

4.根据权利要求1所述的基于服务器架构的大规模MIMO无线通信模拟平台，其特征在于，所述多核服务器包括PCI-e 10G网卡、多核心任务处理模块以及计算结果显示模块。