实时、宽带、5g、大规模的mimo测试台-titanmimo-4
主要特性
1. 没有固有的背板瓶颈
使用符合microtca.4规范的rtm模块。titanmimo-4解决了其他大规模mimo测试台的背板瓶颈问题。
2. 灵活的射频能力
使用nutaq的3.8ghz 射频前端提升大规模mimo的效率，据悉titanmimo能处理5g大规模mimo的毫米波。
3. 可扩展的处理能力
在单个通用的fpga，或者扩展成fpga簇，来处理所有100x100的信号。处理能力能不断扩展。
4. 减轻上行处理要求
符合microtca.4规范的rtm模块，提供灵活的网状拓扑结构，允许早期的上行传输和信号处理，释放中央处理引擎用于用户算法。
概述
titanmimo-4 5g大规模mimo测试台提供了强大、实时吞吐量，使得能将所有mimo通道数据传输给处理器引擎，满足真正的5g大规模mimo开发要求。
迄今为止，支持5g开发的大规模mimo测试台都受限于背板带宽，这就不能实现所有mimo通道数据同时传输给单个处理引擎，因此也就限制了实际研究的mimo数量。
没有瓶颈：nutaq的titanmimo-4测试台通过使用符合microtca.4规范的rtm模块解决了该问题。为开发者提供了传输和处理所有空中通道的实时带宽。
没有处理能力限制：中央处理引擎能从单个virtex-6扩展成单板8片virtex-6。titanmimo-4能让开发者避免由于硬件而不能扩展满足未来算法开发的问题。
网状拓扑：尽可能减少了上行处理，允许开发者针对不同通道组合的数据，在到达中央处理引擎之前，灵活传输和处理。
通信拓扑
在titanmimo-4内，perseus 6111 amc fpga板卡被分成不同的小组。每个小组由4块perseus 6111，每个机箱包含3个小组。
在titanmimo-4内，perseus 6111 amc fpga板卡被分成不同的小组。每个小组由4块perseus 6111，每个机箱包含3个小组。
系统内的每个rtm都有7个minisas连接器。小组内的所有perseus 6111（不包含主perseus 6113）有6个minisas连接器能连接到组内其他成员上。这就保证了小组内的上行分布式处理。
网状结构
titanmimo-4的microtca.4机箱能保证fpga小组内的网状连接。因此将小组作为处理子单元，将大大提升处理性能。
下图显示了网状连接的基站系统示例。每8个minisas集通过rtm连接器被附加到perseus 6111板卡上。这8个连接器之外，7个是被激活的。可以看到还有很多minisas连接器是未连接的，它们都可以连接到拓扑内的perseus 6111上。
在这个例子中，我们将perseus 6111板卡分成小组。例如左上角的第四个perseus 6111就是小组内的主设备，接受来自前三个perseus 6111的连接。第四块perseus 6111卡上的第四个连接用于连接系统的主perseus 6113。
黄色连接表示网状拓扑内如何连接板卡。右上角的小组内，每块perseus都连接每个小组成员，所有的fpga都能以16gbps速率交换数据。
射频前端
自动校正的mimo fmc射频卡
titanmimo-4的rf前端功能由radio420m提供。这是一个强大的带有两个通道的多模软件定义无线电收发器。
radio420m是围绕多标准、多波段的lime microsystems公司的lms6002d rf收发器ic芯片设计的。该芯片支持很宽的波段覆盖，同时还支持fdd和tdd的全双工工作模式。radio420m将带通信号转换成基带信号而不需要中频。iq采样被发送给perseus 611x的fpga，用于基带信号处理或者传输给其他设备。radio420因为包含自动校正功能，所以能提供优秀的性能。自动校正包括iq不匹配、直流偏移和本征泄露的校正。
关键特性
• 软件调整的放大器用于宽的动态范围（高达80db）
• 300mhz~3800mhz频率范围（软件可调）
• 1.5mhz到28mhz可选带宽（软件可选）
• 14个可选带通抗干扰滤波器（也可以直通）
• 自动校正（本振泄露、直流偏移、iq失配）
• 软件定义放大器（见下图）
fpga处理单元
强大且灵活的功能
titanmimo 5g大规模mimo测试台有两个基于fpga的功能单元：
• 多个小组与射频前端接口；
• 中央处理引擎接收和处理来自所有小组的信息；
中央处理引擎根据用于处理的fpga数量，有两种不同的处理配置：
• 单个—使用单个、大型fpga（perseus 6113 amc卡）；
• 分布式—基于单个板卡包含8片fpga的簇（kermode-xv6 atca板卡）；
fpga组处理能力
在单个或者分布式fpga中央处理引擎配置中，组内包含一个双宽perseus 6111 amc板卡。该板卡含有1片virtex-6 lx550t和两个fmc-hpc插槽，可以连接到射频前端。
每个perseus 6111能支持两块radio420m板卡，也就是4个收发器。perseus 6111不仅作为处理单元，也作为rtm间aurora协议的实现。perseus 6111也配备了4gb的sdram内存和高速读写内存的ip核。perseus 6111还包含处理射频前端功能和动态设置射频参数（频率、带宽、信号的放大、高速agc等等）的逻辑。
中央处理引擎——单
在单个fpga中央处理引擎配置下，所有的小组都连接到主中央处理器引擎，即以virtex-6 sx475t为核心的perseus 6113。
中央处理引擎——分布式
为了实现分布式fpga中央处理引擎，由kermode-xv6取代了perseus 6113。kermode-xv6板卡通过8片sx475t提升了处理能力。
关键特性
• virtex-6 fpga（sx475t和lx550t）
• 实时数据交换（rtdex）模块处理pcie和gige用于控制和数据交换
• 在minisas上支持7路aurora通信通道（aurora 4x，16gbps）
• radio420射频前端的控制模块，实现sdr特性和自动校正
• 可编程逻辑空间用于用户算法
• 支持数据传输的时间标记和pps同步的fpga模块
• fpga带有sdram的读写模块
背板传输模块
microtca.4，perseus 611x的双宽amc rtm模块扩展了io能力用于大规模mimo测试台，克服了由于例如pcie接口引入的瓶颈。
在后背板上，7个minisas连接器可用，每个提供aurora 4x高速接口，达到16gbps吞吐量。
软件工具
基于模型的开发包（mbdk）
基于nutaq 板级软件开发包上开发的基于模型的开发包，用户可以在simulink图形化环境设计，仿真，测试，调试和发布应用，而不需要写任何vhdl或者c代码。
mbdk优势
• 受益于mathworks的simulink接口和xilinx的system generator for dsp 工具的结合，fpga镜像的创建不需要任何vhdl/verilog知识；
• 显著降低附加值低的任务开发时间，比如io接口的开发，调整fpga约束，调试驱动等等；
• 提供主机协同仿真工具，使得仿真能集成真实io，逐步实现fpga设计的移植，简化fpga和主机的交互和数据记录等等；
• 包括如记录和回放，主机io控制，数据传输库等工具
板级软件开发包(bsdk)
nutaq的bsdk包含ip核、驱动和api。这些ip核和库可以简化通过外部pc或者嵌入式cpu控制rf接口。nutaq的api可以控制rf带宽或者调整射频收发器的频率，无论是从pc或者直接从fpga。
perseus 611x开发工具
• microblaze和linux内核
• 中央命令引擎
• 低延时和高带宽的gige和pcie驱动和ip核
• 完全支持radio420
• ram存储器的记录和回放功能
支持gnu radio
gnu radio是一个免费开源的软件包，提供实现软件定义无线电应用的处理核。它有一个活跃的社团实现很多常见的调制协议。研究者能从参数实时重配置、强大的处理能力和较短的开发时间中受益。gnu radio还提供用户友好的图形接口用于原型系统。
gnu radio是针对实时信号处理设计的开发环境。为了实现sdr应用需要的大吞吐量和高性能。处理模块由c++创建，这些模块实现专用功能，如混频、滤波、调制、快速傅里叶变换、均衡等。此外很多调制协议如am，fm，gmsk，psk，qam，ofdm等，纠错算法如viterbi，栅格，pccc，sccc，rs，turbo等，都已经实现。
c++创建的模块使用swig能包含在python工程中，一旦swig生成python和c++之间的接口，就可以在gnu radio环境中使用了。
nutaq实现了访问rf参数的模块，可以由fpga进行控制。
5g升级能力
titanmimo 5g大规模mimo测试台是针对硬件复用而设计的，开发者可以扩展系统。
可扩展的处理引擎
随着处理需求的增加，开发者可以将中央处理引擎从单个virtex-6 sx 475t（perseus 6113）扩展成8个virtex-6 sx 475t的簇（kermode-xv6）。
灵活的射频
此外，titanmimo测试台的射频前端能从3.8ghz换成90ghz，因此可以支持5g需要的毫米波。
记录和回放
每个基于perseus 6111的4x4 mimo都配有一个4gb的sdram fpga存储器，用于全速记录，下面显示了计算方法：
• 4个射频通道都以61.44msps采样
• 每个采样2字节
• 因此以491.52mbps记录到sdram (4 x 61.44 msps x 2 byte/sample = 491.52 mbps)
系统带的记录回放fpga模块能保证100x100系统的记录或回放。每通道0.5g采样能记录到sdram（4gb除以4通道再除以每通道2字节），这就可以实现8秒的记录或者100x100通道的全速61.44msps连续回放。
记录和回放ip有多个工作和触发模式：
工作模式
单次：
记录：从射频记录到内存，停止，下载数据到pc
回放：上传文件，内存回放给rf
正常：
记录：填写内存，停止，下载数据到pc，然后再手动触发
回放：上传文件，内存回放给rf
连续：
回放：上传文件，连续回放内存
触发模式
外部
每个4x4 mimo子系统都有外部触发
基于fpga
每个4x4 mimo的触发信号能由fpga内的用户逻辑定义
基于时间的软件
使用基于时间的事件，触发信号能由中央处理器单元发送
通道同步
所有的microtca机箱都使用外部时钟。clk in模块将时钟信号引给mch（mircotca control hub），mch通过背板将时钟信号分发给机箱内的perseus amc。这就确保了所有perseus板卡使用相同时钟。
mch配备gps接收器用于给数字采样时间标记来加速mac层开发，使用正确的工具在正确的时间发送和接收数据突发。图中红色路径显示了时钟图样，蓝色路径代表用于时间标记的秒脉冲。
pcie系统控制
titanmimo 5g大规模mimo测试台有pcie交换，可以保证pc和机箱内每个perseus的通信。机箱一内的pcie扩展卡提供pcie交换。
pc用于系统控制，可以设置例如频率调谐和带宽覆盖等射频参数。pcie通信链路能被用于记录perseus ram内容到固态盘。该功能可用于再一段时间内记录射频带宽下所有射频通道。数据首先被实时传输到ram，然后通过pc传给ssd。同样pc使用pcie写入到perseus ram。pcie有10gbps的理论速率，并且能获得6.4gbps测试速率。所有的perseus使用相同的pcie和pc通信。