راه حل

با پیشرفت ارتباطات بی‌سیم، تشخیص رادار و فناوری‌های شناسایی الکترونیکی، تقاضا برای دستیابی همزمان به سیگنال‌های چند کاناله به طور فزاینده‌ای حیاتی شده است. LUOWAVE یک سیستم دستیابی به سیگنال همزمان 16 کاناله با دقت بالا را بر اساس هشت دستگاه  توسعه داده است.(2) کنترل‌کننده میزبان این سیستم امکان دستیابی موازی و هم‌ترازی دقیق زمان-فرکانس را فراهم می‌کند و از کاربردهای کلیدی مانند جهت‌یابی طیف فضایی و سیستم‌های MIMO پشتیبانی می‌کند. 1. شرح سیستم سیستم دستیابی به سیگنال همزمان 16 کاناله بر روی پلتفرم LUOWAVE  ساخته شده است.(2) کنترل‌کننده میزبان ، متشکل از واحدهای USRP-LW N321، یک کنترل‌کننده میزبان، یک سوئیچ شبکه، یک منبع ساعت OctoClock-LW-G و یک مولد سیگنال. این سیستم از هشت دستگاه USRP-LW N321 (در مجموع 16 کانال) استفاده می‌کند که همگی از طریق فیبر نوری 10G به سوئیچ متصل شده‌اند و توسط یک منبع ساعت OctoClock-LW-G همگام‌سازی می‌شوند. یک مولد سیگنال، سیگنال نوسان‌ساز محلی (LO) را فراهم می‌کند که از طریق یک تقسیم‌کننده توان توزیع می‌شود تا انسجام فاز بهتر از 1 درجه در تمام کانال‌ها تضمین شود. یک سرور میزبان با اتصال فیبر 100G امکان نظارت و دستیابی به داده‌ها را در زمان واقعی فراهم می‌کند و داده‌های سیگنال همزمان با دقت بالا را برای برنامه‌های تحقیقاتی پیشرفته مانند جهت‌یابی طیف فضایی با دقت بالا و طراحی سیستم فرستنده-گیرنده MIMO ارائه می‌دهد. 2. اجزای سیستم (1) SDR قابل برنامه‌ریزی (USRP-LW N321) USRP-LW N321  به عنوان فرانت‌اند RF عمل می‌کند که محدوده فرکانسی از 3 مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز را با پهنای باند آنی تا 200 مگاهرتز در هر کانال پوشش می‌دهد. رابط‌های همگام‌سازی با دقت بالا، پشتیبانی از معماری توزیع‌شده و انعطاف‌پذیری قابل برنامه‌ریزی آن را برای سیستم‌های دستیابی همزمان چند کاناله ایده‌آل می‌کند.(2) کنترل‌کننده میزبانیک سرور با کارایی بالا مجهز به کارت شتاب‌دهنده 100G برای پردازش سیگنال باند پایه در زمان واقعی و انتقال داده‌ها با سرعت بالا توصیه می‌شود و از پشتیبانی قوی برای نمونه‌سازی سیستم‌های پیچیده و اعتبارسنجی نظری اطمینان حاصل می‌کند. در این سیستم، ما از SDR-LW 4940 برای کنترل‌کننده میزبان استفاده می‌کنیم. (3)  منبع ساعت OctoClock-LW-G مراجع 10 مگاهرتز و PPS را برای همگام‌سازی تمام واحدهای USRP-LW N321 فراهم می‌کند و زمان‌بندی دقیق و هم‌ترازی ماشه را تضمین می‌کند. (4) مولد سیگنالیک سیگنال LO خارجی تولید شده و از طریق یک تقسیم‌کننده توان به هشت مسیر تقسیم می‌شود و سیگنال‌های LO را به ورودی‌های LO تمام واحدهای USRP-LW N321 می‌رساند تا همگام‌سازی فاز حفظ شود. (5) سوئیچ شبکه سرور و هشت دستگاه USRP-LW N321 را از طریق فیبر نوری 10G متصل می‌کند، در حالی که سرور از طریق یک لینک فیبر 100G برای انتقال داده با توان عملیاتی بالا رابط می‌شود. 3. توپولوژی و اتصالات سیستم (1) اتصالات ساعت و ماشه PPS OctoClock-LW-G هشت خروجی ساعت 10 مگاهرتز و هشت سیگنال همگام‌سازی PPS را تامین می‌کند.  (2) توزیع LO یک مولد سیگنال با پایداری بالا، یک تقسیم‌کننده توان 8 طرفه را تغذیه می‌کند و سیگنال‌های LO را به تمام واحدهای USRP-LW N321 از طریق کابل‌های با طول مساوی تحویل می‌دهد تا همگام‌سازی فرکانس، فاز و زمان تضمین شود. (3) اتصال داده داده‌های فرانت‌اند SDR از طریق رابط‌های 10G SFP+ به سرور منتقل می‌شوند. (4) اتصالات RF هر USRP-LW N321 از دو کانال RX و دو کانال TX پشتیبانی می‌کند که از طریق کابل‌های RF به یک آرایه آنتن که در یک پیکربندی خاص چیده شده است، متصل می‌شوند. 4. مشخصات کلیدی محدوده فرکانس : 3 مگاهرتز – 6 گیگاهرتز (ناهمزمان)، 450 مگاهرتز – 6 گیگاهرتز (همزمان) پهنای باند سیگنال : تا 200 مگاهرتز (3 دسی‌بل)، حداکثر نرخ نمونه‌برداری 250 مگاسیمبل بر ثانیه (قابل تنظیم به عنوان زیرمضروب‌های صحیح ساعت اصلی: 200/245.76/250 مگاهرتز)کانال‌ها : تنظیمات استاندارد 16 کاناله (قابل ارتقا)ذخیره‌سازی : 64 ترابایت SSD (پشتیبانی از 2 ساعت ضبط در 16 کانال × 122.88 مگاسیمبل بر ثانیه)همگام‌سازی فاز :

مرور کلی استفاده از سیستم های سیستم منبع باز و سخت افزار برای مطالعه ایستگاه های پایه در مقیاس کوچک یک جهت مهم تحقیق در زمینه ارتباطات بی سیم رادیویی و LTE است.تجهیزات سنتی ایستگاه های تجاری گران است، دارای چرخه های توسعه طولانی، پیچیدگی عملیاتی بالا و تغییرات عملکردی سنگین است.برای رسیدگی به مسئله تغییرات کاربردی پیچیده و چرخه های توسعه طولانی در مطالعه ایستگاه های پایه ارتباطات بی سیم LTE, the proposed solution adopts the open-source OAI 5G and srsRAN software systems and a software-defined radio (SDR) hardware platform to build real-time operating base stations for research on interactions with terminalsاین رویکرد از مشکلات ایستگاه های پایه سنگین و گران قیمت با چرخه های توسعه طولانی اجتناب می کند و کارایی تحقیق در مورد ایستگاه های پایه و تعاملات ترمینال را بهبود می بخشد. راه حل بر اساس سری USRP-LW/SDR-LW از سخت افزارهای رادیویی تعریف شده توسط نرم افزار، همراه با سیستم عامل های نرم افزاری مانند srsRAN و OpenAirInterface (OAI) 5G،یک ایستگاه پایه و ترمینال شبیه سازی 4G/5G می تواند ساخته شودبا استفاده از مدل های مختلف سخت افزار رادیویی تعریف شده توسط نرم افزار و پارامترهای مختلف پیکربندی ایستگاه پایه، قابلیت های مختلف را می توان به دست آورد.اين سيستم مي تونه به طور کامل استيك پروتکل از آخر به آخر رو شبیه ساز کنه، با دقت ایستگاه پایه، ترمینال و شبکه اصلی را مدل سازی می کند، در حالی که با مشخصات پروتکل 3GPP مطابقت دارد.از ادغام با تجهیزات تجاری (مانند ترمینال های تجاری و شبکه های اصلی) پشتیبانی می کند و توسعه ثانویه بر اساس استیک پروتکل را امکان پذیر می کند. شکل 1 معماری سیستم LTE را نشان می دهد که شامل سه بخش است: شبکه اصلی (EPC) ، ایستگاه پایه (eNB) و کاربر (UE).هر بخش عملکردهای مربوطه خود را مطابق با استیک پروتکل 3GPP LTE اجرا می کند.از طرف UE، معماری شامل توابع مانند PHY، MAC، RLC، PDCP و RRC است. UE با eNB برای مبادله داده های uplink و downlink از طریق رابط هوایی ارتباط برقرار می کند.در وسط معماری eNB است، که شامل رابط هوایی با UE و رابط های S1-U و S1-MME با شبکه اصلی است. در سمت راست EPC است که عمدتا از عناصر شبکه مانند MME، S-GW،و P-GW. شکل 2 معماری سیستم NR را نشان می دهد. رابط رادیویی 5G از استیک پروتکل 4G ارث می برد، با یک لایه SDAP اضافی که در سطح کاربر برای نشان دادن کیفیت خدمات (QoS) معرفی شده است.معماری سیستم 5G نیز به سه بخش تقسیم شده است: کاربر (UE) ، ایستگاه پایه 5G (gNodeB) و شبکه اصلی (5GC). ng-eNB، gNodeB و 5GC از طریق رابط NG متصل می شوند.

مرور کلی فناوری چند ورودی چند ورودی (MIMO) در مقیاس بزرگ یک فناوری کلیدی در ارتباطات شبکه 5G است.از آرایه های آنتن در مقیاس بزرگ برای دستیابی به انتقال و دریافت سیگنال کارآمد استفاده می کندبا افزایش تعداد آنتن هاتکنولوژی MIMO در مقیاس بزرگ می تواند به طور قابل توجهی ظرفیت کانال و کارایی طیف سیستم را بدون نیاز به منابع طیف اضافی یا قدرت انتقال افزایش دهد.برای تحقق چشم انداز 5G و پاسخگویی به الزامات عملکردی حیاتی برای کارایی طیف، نمونه اولیه و تأیید MIMO در مقیاس بزرگ و سایر فن آوری های مرتبط ضروری است.از آنجایی که شبیه سازی های کامپیوتری به تنهایی نمی توانند بسیاری از مسائل پیچیده حل نشده را حل کنند، لازم است سیستم های نمونه ای را توسعه دهیم که بتوانند در زمان واقعی در شرایط کانال واقعی کار کنند و سیگنال های RF واقعی را ارسال / دریافت کنند. یک سیستم سخت افزاری در حلقه (HIL) ،که نرم افزار شبیه سازی را در یک کامپیوتر با یک پلت فرم رادیویی تعریف شده با نرم افزار (SDR) ترکیب می کند، می تواند به این چالش ها پاسخ دهد و انتقال از شبیه سازی نظری به کاربرد عملی را تسهیل کند و در نتیجه توسعه سیستم های ارتباطی نسل بعدی را تسریع کند. راه حل این راه حل با استفاده از Luowave اجرا می شود.USRP-LW N321پلتفرم، که عمدتا شامل برنامه ریزی RF USRP-LW N321، سرورها، سوئیچ ها و منبع ساعت استاکتو کلاک-LW-G. نمودار تنظیم مدل توصیه شده درUSRP-LW N321یک رادیو تعریف شده توسط نرم افزار شبکه است که می تواند قابلیت اطمینان و تحمل خطا را برای استفاده در سیستم های بی سیم توزیع شده و در مقیاس بزرگ فراهم کند.این یک SDR با عملکرد بالا است که از یک طراحی RF منحصر به فرد برای ارائه 2 کانال RX و 2 کانال TX در یک اندازه RU نصف عرض استفاده می کندمعماری همگام سازی انعطاف پذیر از یک مرجع ساعت 10 مگاهرتز، مرجع زمان PPS برای ورودی های خارجی TX LO و RX LO پشتیبانی می کند، که یک بستر آزمایش MIMO فاز منسجم را امکان پذیر می کند. اکتو کلاک-LW-Gیک سیستم تخصیص دستگاه برای منابع ساعت با دقت بالا است. این برای کاربرانی که می خواهند یک سیستم چند کانال ایجاد کنند و به یک زمان مرجع مشترک همگام شوند بسیار مفید است. به عنوان مثال،ما می توانیم از OctoClock-G برای انجام عملیات منسجم در USRP N210 و همگام با سیستم استفاده کنیماین امر بسیاری از برنامه های کاربردی آرایه مرحله ای را امکان پذیر می کند، مانند شکل گیری پرتو، یافتن جهت فوق وضوح، ترکیب تنوع یا طراحی گیرنده های MIMO.

خلاصه ی راه حل USRP امواج میلی متری 5G با توجه به افزایش تقاضا برای انتقال داده های فوق العاده بالا، تاخیر کم و ظرفیت بزرگ در بازار ارتباطات موبایل،صنعت ارتباطات نیاز به توسعه باند های فرکانسی دیگر از تکنولوژی بی سیم 5G برای کاهش فشار فعلی بر استفاده از طیف بی سیم در شبکه ها دارد.   موج میلی متری 5G به گفته پروتکل 3GPP 38.101 ، 5G NR عمدتاً از دو باند فرکانس استفاده می کند: باند فرکانس FR1 و باند فرکانس FR2.محدوده فرکانس باند فرکانس FR1 450MHz - 6GHz است، همچنین به عنوان باند فرکانس Sub-6GHz شناخته می شود؛ محدوده فرکانس باند فرکانس FR2 24.25GHz - 52.6GHz است، که معمولا به عنوان موج میلی متری شناخته می شود.     مزایای ام ام ویو 5G سرعت بالا و ظرفیت بزرگ: mmWave می تواند سرعت انتقال داده بسیار بالا را فراهم کند، با حداکثر نرخ رسیدن به 30 Gbps، پشتیبانی از اتصال همزمان تعداد زیادی دستگاه،و مناسب برای سناریوهای مانند پخش زنده ازویدیو و واقعیت مجازی. تاخیر کم: تکنولوژی mmWave می تواند با کاهش تاخیر ارتباطات پاسخ سریع تری را به دست آورد. این برای سناریوهای مورد نیاز برای انتقال داده در زمان واقعی بسیار دوستانه است.مانند رانندگی مستقل و کنترل از راه دور. جهت گیری بالا: ام ویو دارای جهت گیری خوب و پرتو های باریک است، که به موقعیت دقیق و انتقال کمک می کند و می تواند امنیت سیگنال را بهبود بخشد و تداخل را کاهش دهد. ویژگی های تمام آب و هوا: انتشار امواج میلی متری بسیار کمتر تحت تأثیر آب و هوا است و دارای ویژگی های همه آب و هوا است. در حال حاضر، گیرنده های USRP می توانند سیگنال های RF را در زیر 6 گیگاهرتز ارسال و دریافت کنند، که باند فرکانس Sub6G را پوشش می دهد.ماژول های گسترش امواج میلی متریبرای USRP، که می تواند سیگنال های فرکانس متوسط را به باند فرکانس mmWave تبدیل کند، بنابراین به کاربران کمک می کند تا به سرعت سیستم های ارتباطی تلفن همراه 5G mmWave را ایجاد کنند.   راه حل سیستم ارتباطات امواج میلی متری 5G بر اساس سری USRP-LW/SDR-LW از سیستم های رادیویی تعریف شده توسط نرم افزار ساخته شده است.ماژول های گسترش امواج میلیمتری و پلت فرم نرم افزاری OpenAirInterface (OAI) 5G آناین سیستم عملکرد شبیه سازی محیط شبکه NSA / SA 5G را دارد و می تواند از اکتشاف فن آوری های مرتبط برای ارتباطات امواج میلیمتری 5G پشتیبانی کند.از طریق استفاده از انواع مختلف سخت افزار رادیویی تعریف شده توسط نرم افزار و پارامترهای پیکربندی ایستگاه پایه مختلف، عملکردهای مختلف را می توان به دست آورد. این سیستم می تواند به طور کامل استیک پروتکل از انتهای به انتهای را شبیه سازی کند، به طور کامل ایستگاه های پایه، ترمینال ها و شبکه های اصلی را شبیه سازی کند و مشخصات پروتکل 3GPP را برآورده کند.این پشتیبانی از رابط با تجهیزات تجاری و پشتیبانی از توسعه ثانویه بر اساس استیک پروتکل.   نمودار تنظیم طرف ایستگاه پایه: از يک دستگاه مستقل با کارايي بالا ساخته شده است SDR-LW 2974، یک ماژول انبساط موج میلیمتر، یک ماژول تبدیل بالا و یک ماژول تبدیل پایین و دو آنتن شنود موج میلیمتر.     طرف ترمینال: از يک دستگاه راديوي بر اساس نرم افزار ساخته شده است USRP-LW B210، یک ماژول افزایشی موج میلیمتر، یک ماژول تبدیل پایین، یک کامپیوتر بالا، و دو آنتن سیمان موج میلیمتر.         محصولات مرتبط الزامات پردازش 5G-NR بسیار بالاتر از 4G است، بنابراین نیاز به دستگاه های SDR با عملکرد بالا یا حتی رایانه های پیشرفته تر به عنوان کامپیوتر میزبان برای USRP است.از طریق ماژول گسترش امواج میلی متری همراه و تبدیل کننده بالا، تبدیل فرکانس مستمر از 24GHz به 44GHz می تواند پشتیبانی شود و نیازهای تحقیقاتی ارتباطات امواج میلیمتری 5G را برآورده کند. (1) سری SDR-LWسری SDR-LW یک دستگاه مستقل SDR با عملکرد بالا است که توسط Luoguang Electronics عرضه شده است. این دستگاه شامل یک پردازنده داخلی، FPGA و فرنت اند RF است.با همکاری با پردازنده X86 اینتل و FPGA، انعطاف پذیری تجهیزات رادیویی تعریف شده توسط نرم افزار افزایش می یابد. میزبان دستگاه سری SDR-LW می تواند نرم افزار ایستگاه پایه / ترمینال 5G را اجرا کند.و قسمت جلویی انتقال سیگنال برای ایستگاه های پایه و دستگاه های پایانی را از طریق آنتن های شنود انجام می دهدچارچوب طراحی یکپارچه به آن امکان می دهد که به سرعت نمونه های اولیه از سیستم های ارتباطی بی سیم تلفن همراه با عملکرد بالا را بسازد.SDR-LW 2974وSDR-LW 3980 مدل ها: (2) سری USRP-LWUSRP-LW N321 یک دستگاه رادیویی نرم افزاری با کارایی بالا است که دارای پهنای باند فوری تا 200 MHz RF Front-End است و از پیکربندی MIMO پشتیبانی می کند و مجهز به ADC و DAC با سرعت بالا است.می تواند کارهای پیچیده پردازش سیگنال را انجام دهد و نیازهای مختلف ارتباطات بی سیم را برآورده کند.ایستگاه های پایه نرم و ترمینال های نرم بر روی کامپیوتر متصل به USRP-LW N321 برای پیاده سازی عملکردهای استیک پروتکل بی سیم NR تنظیم می شوند.USRP-LW N321 تبدیل دیجیتال به آنالوگ را تکمیل می کند و عملکردهای ارسال و دریافت را در پایان RF تکمیل می کند. پردازنده ی باند پایه ی USRP-LW N321 از Xilinx Zynq-7100 SoC استفاده می کند که یک پردازنده ی FPGA قابل برنامه ریزی کاربر در مقیاس بزرگ و پردازنده ی دو هسته ای ARM را ادغام می کند.ارائه پشتیبانی قوی برای پردازش در زمان واقعی و کم تاخیربا استفاده از پورت های SFP + و QSFP + ، USRP-LW N321 می تواند جریان داده های I / Q با خروجی بالا را به PC میزبان یا هم پردازنده FPGA منتقل کند و نیازهای پردازش داده های با سرعت بالا را برآورده کند.از انجام وظایف از راه دور پشتیبانی می کند، مانند به روزرسانی نرم افزار، راه اندازی مجدد و تنظیم مجدد کارخانه، بنابراین کنترل و مدیریت شبکه رادیویی ساده می شود.

مرور کلی با ورود به عصر 6G، باند های فرکانس ارتباطات بی سیم به سمت محدوده های بالاتر مانند امواج میلی متری و تراهرتز پیشرفت می کنند.به تدریج با فرکانس های رادار سنتی همپوشانی می شودیکپارچه سازی حس و ارتباطات در یک طیف طیف نه تنها استفاده از منابع طیف را افزایش می دهد بلکه کمبود منابع طیف بی سیم سنتی را نیز کاهش می دهد.به عبارت ساده، فناوری سنجش و ارتباطات یکپارچه شامل اضافه کردن قابلیت های رادار مانند (جستجو) به شبکه های ارتباطی سلولی فعلی ما (جستجو) است.امکان شناسایی و ردیابی اشیاء اطراف مانند هواپیماهای بدون سرنشین، ماشين ها يا کشتي ها در یک مفهوم باریک، سنجش و ارتباطات یکپارچه به سیستم های ارتباطی اشاره دارد که قادر به اندازه گیری فاصله، سرعت، اندازه گیری زاویه، تصویربرداری، شناسایی هدف، ردیابی هدف،و تشخیص هدف، که در ابتدا به نام "تکامل رادار- ارتباطات" نامیده می شد. در یک مفهوم وسیع تر، سنجش و ارتباطات یکپارچه به سیستم های ارتباطی اشاره دارد که می توانند ویژگی ها و وضعیت تمام خدمات، شبکه ها، کاربران، ترمینال ها،و اشیاء زیست محیطی، به طور بالقوه از قابلیت های رادار سنتی در سنجش فراتر می رود. راه حل معماری کلی پلت فرم سخت افزاری سیستم سنجش و ارتباطات یکپارچه در شکل 1 نشان داده شده است.سخت افزار رادیویی تعریف شده توسط نرم افزار سری SDR-LW/USRP-LW به عنوان گیرنده سنجش و ارتباطات یکپارچه عمل می کنددر حالی که سیگنال ها را برای خدمت به کاربران ارتباطات ارسال می کند، همچنین سیگنال های اکو را دریافت می کند تا امکان تشخیص اهداف متعدد را فراهم کند. مدل توصیه شده درسری SDR-LWیک دستگاه مستقل SDR با عملکرد بالا است که توسط Luoguang Electronics راه اندازی شده است و شامل یک پردازنده داخلی، FPGA و RF Front-end است.با استفاده از عملکرد مشترک پردازنده X86 اینتل و FPGA، انعطاف پذیری تجهیزات رادیویی تعریف شده توسط نرم افزار افزایش می یابد. چارچوب طراحی همه در یک امکان استفاده سریع از سیستم های سنجش و ارتباطات یکپارچه را فراهم می کند.چه در داخل خانه و چه در بیرون.