Эмулятор радиоканала

Создаваемые сегодня радиосистемы и сценарии их работы слишком сложны, чтобы, как раньше, тестировать их измерением десятка параметров. Разработчикам необходимы всесторонние функциональные испытания – от первых экспериментов поиска до испытаний образцов радиомодулей и готовых изделий. Масштабы и объемы таких испытаний неподъемны без комбинации компьютерного моделирования и автоматизированных измерений, – нужны специальные гибкие экспериментальные стенды.

Эмуляторы радиоканала позволяют проводить сложные эксперименты в режиме программно-аппаратного моделирования (ПАМ) взаимодействия радиосистем, – в реальном времени и с реальными сигналами. Реальные радиоустройства подключаются к Эмулятору, в котором моделируется среда, распространение в ней сигналов, а также другие устройства и сигналы.

Программно-аппаратное моделирование радиосистем

Программно-аппаратное моделирование объединяет преимущества реальных экспериментов с доступностью и гибкостью программного моделирования. Ключевые части системы взаимодействуют через физические сигналы, а их логика, а также поведение других частей моделируется в мощных вычислителях.

Схема ПАМ радиоканала для бортовой РЭА

Примеры ПАМ: имитаторы радиоканала для систем связи, фоноцелевой обстановки для РЛС, ответных или недостающих радиоблоков в КПА, стенды типа ”Железная птица” и ”Электронная птица” летательных и космических аппаратов.

Устройство Эмулятора радиоканала

Базовая идея состоит в подмене реального радиоэфира связкой SDR-приемопередатчиков, которые принимают сигналы от реальных (испытуемых) передатчиков, рассчитывают и излучают ответные сигналы для приемников, с учетом распространения радиосигналов в моделируемых условиях. При должном быстродействии системы обеспечивается полный эффект реальной работы устройств в эфире.
Базовая идея эмулятора радиоканала:
Радиоустройства обмениваются сигналами через
”ящик”, в котором сигналы формируются в
соответствии с моделями и сценариями

Расчет сигналов быстро усложняется с ростом числа устройств и каналов, а модели канала могут включать затухание, множественные переотражения, рассеяние, внешние системы, сложные сценарии движения приемопередатчиков. Также учитываются диаграммы направлености антенн и особенности систем.
В Эмуляторе плотно увязаны SDR приемопередатчики, процессоры, графические ядра и ПЛИС, оборудование и ПО для синхронизации радио и управления имитатором, шины данных, сетевое оборудование, хранилища данных и дополнительное программное и аппаратное обсепечение.
Эмулятор рассчитан на работу с реальными устройствами и может включать отдельные SDR для имитации недостающих или экспериментальных устройств.

Ключевые технологии Эмулятра радиоканала

Software-Defined Radio
Приемопередатчики SDR семейства USRP имитируют радиоустройства с произвольной модуляцией в широкой полосе. Они оснащены ПЛИС для встроенной обработки сигналов и двусторонней стриминговой связью с вычислителями.

ПЛИС
Аппаратное быстродействие ПЛИС необходимо для реального времени в ЦОС физического уровня устройств, включая MIMO и OFDM, и для моделирования радиосреды в супер-вычислителях из кластеров ПЛИС от Xilinx.

Massive MIMO
Поддержка Massive MIMO до 1024 каналов возможна благодаря плотной синхронизации SDR приемопередатчиков, обработке сигналов на ПЛИС и прикладному ПО на основе LabVIEW MIMO Application Framework.

Искусственный интеллект
Решения AI, включая нейронные сети и глубокое обучение, стремительно развиваются. Системы Эмулятора строятся на новейших ИТ решениях, чтобы поддерживать новые алгоритмы.

Серверы с GPU
В вычислениях моделей Эмулятор опирается на стандартные ИТ серверы и системы продвинутых графических вычислителей от NVIDIA. Это позволяет моделировать даже очень сложные сценарии гигантского масштаба.

Прототипирование Massive MIMO

В Эмуляторах радиоканала доступны возможности программно-аппаратного решения NI MIMO Prototyping System, предназначеного для прототипирования Massive MIMO и разработки необходимой цифровой обработки сигналов.
”Интегрированная программно-аппаратная платформа NI MIMO Prototyping System с ПО MIMO Application Framework сняла много сложностей этой разработки.”
Пол Харрис, CSN Group, Unversity of Bristol
авторы рекорда 145.6 б/с/Гц

Эмулятор канала MIMO PHY

Стенд Massive MIMO Prototyping System ориентирован на исследователей Massive MIMO физического уровня LTE, 5G NG, WiFi.

 Темы исследований:

• Приложения высокой мобильности
• Снижение сложности алгоритмов
• Алгоритмы временного планирования
• Оптимизация энергопотребления
• Распределенные Massive MIMO
• Hand-off между базовыми станциями
• Использование пилотов между станциями
• Координация интерференции
• Увеличение числа пользователей
• Сложные геометрии антенн

Поддерживаются конфигурации MIMO от 8 до 128 антенн на базовой станции, до 8 антенн MIMO на 1 UE, или до 22 SISO UE одновременно.

Стенд также может применяться для выполнения студенческих лабораторных работ в ряде курсов по системам мобильной связи.

Число антенн БС	От 8 до 128
Число UE (SISO)	До 12 (мин), до 22 (макс.)
Приемопередатчики	USRP 2954: от 10 МГц до 6 ГГц, полоса 160 МГц (стандарт); USRPX310 (по запросу); Расширение до 40 ГГц
Готовые IP для MU-MIMO	Лучеформирование MMSE, MRC, ZF; Reciprocity Calibration; Настраиваемая структура кадров; Синхронизация по ВЧ каналу; Детектирование и прекодирование MIMO
Предустановленное программное обеспечение	Открытый код LabVIEW; MIMO Application Framework; IP реального времени с распределением по ПЛИС; Потоковая передача видео
Встроенная совместимость ПО	GNU Radio; C++/Python API; Amarisoft LTE 100; OpenBTS; ns-3

Эмулятор канала с поддержкой Mesh-взаимодействия

Эмулятор канала для программно-аппаратного моделирования множества радиоустройств – СВЧ Суперкомпьютер – основан на объединенных в единую систему широкополосных устройствах SDR с открытой ПЛИС для встроенной обработки радиосигналов. При необходимости, MAC и более высокие уровни реализуются в многоядерных CPU. Для расчетов сложных сценариев 3D применяются мощные видеокарты, что позволяет генерировать необходимые параметры на лету и обойтись без заготовки больших объемов IQ данных и пост-обработки. Для расчетов взаимодействия радиосигналов в реальном времени применяются кластеры мощных ПЛИС на основе Xilinx Virtex, соединенных между собой мультигигабитными линиями. Серверные контроллеры и оптоволоконная сеть обеспечивают минимальные задержки между вычислителями и модулями приемопередатчиков. Такое строение обеспечивает полноразмерную эмуляцию взаимодействия в реальном времени моделируемых и подключенных устройств. При этом сохраняется модульность и компактность эмулятора в рамках стандартных стоек 19”.

СВЧ суперкомпьютер Колизей – Арена для решений SDR+AI

Эмулятор радиоканала Колизей для проекта DARPA Spectrum Collaboration Challenge поддерживает работу 512 каналов в топологии Full Mesh для эмуляции в реальном времени взаимодействия сотен приемопередатчиков SDR.



”Ранее, для повторяемого эксперимента на сети нужно было собрать в лаборатории и подключить вместе всё оборудование сети – жутко дорого, если вам нужно больше, чем пара устройств. С Колизеем можно проводить масштабные тесты в полностью повторяемом виде. Это настоящий активатор для такого рода исследований.”
Джон Чапин, DARPA Subject Matter Expert

Технические характеристики Эмулятора радиоканала

Состав и технические характеристики Эмулятора существенно зависят от конкретной конфигурации, формируемой по техническим требованиям. Например, поддержка Mesh-взаимодействия требует спецвычислителей опции ”СВЧ Суперкомпьютер”, а поддержка Massive MIMO предполагает использование специальных блоков синхронизации радиоканалов.
Приведенные характеристики являются обобщенными типовыми значениями и предназначены для общего ознакомления. Для уточнения возможностей и получения детальных характеристик системы обсудите требования Вашей задачи со специалистом ООО ”МИР”.

Параметр	Характеристика	Значение
РАДИОКАНАЛ	Диапазон частот	От 70 МГц до 6 ГГц, Расширение до 40 ГГц
	Шаг перестройки частоты	< 1 кГц
	Максимальная входная мощность	-15 дБм
	Максимальная выходная мощность	20 дБм
	Диапазон усиления	90 дБ
	Мгновенная полоса	80 МГц, 160 МГц
	Модуляция	OFDM, 4-QAM до 1024-QAM, FSK, PSK, AM, FM, PM, произвольная IQ
	Спец. сигналы*	CW, AWGN, LTE/LTE-A, NR, Linear Chirp*
MIMO	MU MIMO: UE/gUE	До 12 одновременно
	MIMO: eNodeB/ gNodeB	8, 16, 32, 64, 128, расширение до 1024
	Длительность TDD	0.5 мс
	Фазовая когерентность каналов	Базовая: в пределах 1°; Опция: 0.5°, на частоте 1 ГГц
	Модуляция (оптимизированная)	OFDM 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM, 1024-QAM
	Лучеформирование	MMSE, MRC, ZF
	Другое	Reciprocity Calibration; Синхронизация по ВЧ каналу; Детектирование и прекодирование MIMO
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ	Операционная система	Windows 10 или NI Linux RT
	Поддержка системных эмуляторов	ns-3, Amarisoft LTE 100, OpenBTS
	Визуализация сигналов	Встроенные элементы отображения, API стриминга
	Поддержка записи и воспроизведения сигналов IQ	Все генерируемые и принимаемые сигналы
	Прддержка MIMO	LabVIEW Application Framework
	Поддержка программирования	LabVIEW, GNU Radio, C++, Python, RFNOC
ВЫЧИСЛИТЕЛИ (уточняйте детали)	CPU	Intel Xeon (в составе сервера)
	FPGA	Xilinx Kintex-7, Virtex-7
	GPU	NVIDIDA DGX POD
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ	Форм-фактор	Стойка 19”, одна или более
	Разъемы ВЧ	SMA (f); опция: N-Type (панель разъемов)
	Вес, размеры	Определяются для конфигурации

Эмуляторы радиоканала на заказ

Эмулятор радиоканала – это эффективный инструмент в проведении практических исследований и испытаний радиоустройств, от первых поисковых экспериментов до тестирования готовых устройств.

ООО ”Модульные Измерительные Решения” и YEA Engineering производят интеграцию и поставку эмуляторов радиоканалов разной сложности на основе собственных разработок и продукции компаний National Instruments, Ettus Research, NVIDIA, Dell, Cisco, НТЦ ”Модуль” и др.

Мы оказываем технические консультации по модификации систем и создаем системы по техническому заданию на основе отечественных технологий для специальных задач, собственных разработок.

Требования к числу каналов, вычислительной мощности, топологии системы обсуждаются индивидуально в соответствии с задачами стенда.