為了探索前沿技術領域，實現科研成果快速轉換，錢學森空間技術實驗室在驗證與測試系統保證成熟可靠地基礎上，搭建了一套支持多終端訪問的信道仿真系統，同時需要系統支持用戶最大程度的自定義開發(fā)，實現系統功能和技術性能的快速迭代。來自錢學森空間技術實驗室的張曉瑩對此進行了深入解析。

應用挑戰(zhàn)
　　●現有的無線技術變得日益復雜，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)境模擬做相關的性能測試。但是，目前市場上現有的方案存在價格過于昂貴、系統開放性不足、無法自定義場景和實現用戶特定需求的問題。
　　●本研究針對衛(wèi)星互聯網通信，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

解決方案
　　●本方案基于 ATCA 和 USRP ，利用開源語言構建無線通信網絡的信道模擬器，該平臺兼?zhèn)銼DR所需的RF靈活性及實時高性能并行運算能力；不僅可實現16通道信道仿真，并支持擴展為更高通道數的信道仿真，如256通道等。
　　●本系統使用 16個USRP、2個ATCA-3671和服務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32路信道仿真。

使用的產品
　　●USRP-2954
　　●ATCA-3671

　　“NI在錢學森實驗室的建設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、星地通信網絡，基于NI成熟的硬件設備、搭建了關鍵的無線電通信網絡信道模擬器。這一無線電通信網絡信道模擬器，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！”

——項目團隊反饋

項目背景介紹

　　錢學森空間技術實驗室致力于研究未來空間系統，專注前沿技術和應用科學，主要領域包括空間應用與空間科學，建成了先進激光技術、通信與網絡實驗室等十多個專業(yè)實驗室。

　　為了探索前沿技術領域，實現科研成果快速轉換，實驗室在驗證與測試系統保證成熟可靠地基礎上，搭建一套支持多終端訪問的信道仿真系統，同時需要系統支持用戶最大程度的自定義開發(fā)，實現系統功能和技術性能的快速迭代。

項目目標與原則

　　項目旨在利用軟件無線電技術，搭建多射頻前端結合大規(guī)模FPGA的自定義信道仿真系統，用以驗證開發(fā)人員在空間通信質量改善、算法優(yōu)化方面的研究成果。

　　系統開發(fā)遵循開放、靈活可擴展的原則，除使用COTS的硬件產品外，需要系統具有以下特性：
　　擴展性強，系統需要根據實際研究需求，在擴展仿真規(guī)模的過程中，能實現軟件、硬件系統的無縫升級；
　　運算能力強，需要提供大規(guī)模FPGA資源用于支持復雜算法的部署；
　　開放性強，系統需要能夠最大限度的兼容現有信道建模軟件，同時為用戶開放自定義接口；

項目實施與應用情況詳細介紹

　　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)經驗，基于LabVIEW環(huán)境針對軟件無線電終端進行設計開發(fā)。

　　同時，為保證信道模擬器系統最大程度的開放性，提高研究人員通過上位機對FPGA部署的便捷性，研究人員重點攻關并成功實現了基于GNU Radio 的USRP端通信框架搭建及驗證，GNU Radio是一個設計框架，一個開源的無線電架構平臺，幫助研究人員更加便捷的設計、模擬和部署的真實高效無線電系統。

　　針對大規(guī)模FPGA矩陣ATCA-3671，實驗室采用軟硬件協同設計的系統級開發(fā)環(huán)境BEEcube Platform Studio（BPS）實現，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部接口和相應的軟件驅動程序，可以大幅降低復雜算法的實現。

　　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公司就聯合招聘實習生、遠程支持專項組、現場聯調等方式進行了探索，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，并成立了空間技術研究與應用聯合實驗室。

　　隨著系統效果的逐步體現，以及研究內容不斷深化對系統規(guī)模擴大和性能提高的要求日益突出，實驗室對該系統進行了第二階段的升級擴展，從原來的16個USRP模擬16個通道，擴展到當前的32個USRP，2個ATCA-3671，實現了32路信道模擬。

　　目前實驗室已經完全具備整套系統的搭建與擴建能力，培養(yǎng)并強化了隊伍基于開源語言GNU Radio、圖形化語言LabVIEW以及FPGA系統級設計平臺BPS的設計能力，為后續(xù)進一步的系統優(yōu)化打下了良好基礎。

效益分析

　　項目成功完成了多通道復雜信道模擬器的設計，同時開源架構對后續(xù)系統擴展打下了良好基礎。聯合實驗室的成立，使得雙方資源得到進一步優(yōu)化利用，使得先進測控儀器與科學探索有了更緊密的結合。

（轉載）