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1 Introducción
El sistema de agrupación de antenas definido por software está basado en la flexibilidad del Radio Definido por Software (SDR), en la que cada antena es conectada a un conversor Analógico-Digital o Digital-Analógico en recepción o trasmisión respectivamente (Tosovsky, 2009). Esta arquitectura tiene varias ventajas, entre ellas, la facil conexión física entre las antenas y la fuente, sin necesidad de utilizar redes de microondas para el control de fase. Además, asigna a cada antena de la agrupación diferentes amplitudes o ganancias, tanto en transmisión como en recepción. Es posible implementar diferentes tipos de técnicas como: Síntesis de Agrupación de Antenas (Cardama et al., 2002), algoritmos de Beamforming (Chinatto & Junqueira, 2017; Chopra & Lakhmani, 2017), estimación de la dirección de llegada de la señal (Direction Of Arrival - DOA) (Alawsh et al., 2017), o en aplicaciones de comunicaciones móviles (Godara, 1997).
El rápido prototipado ha hecho emerger varios sistemas, entre ellos, USRP RIO 294xR/295xR, USRP 2920 de National Instruments, o los sistemas operando en la plataforma de Zynq SoC, basados en circuitos Integrados de radio frecuencia (RFCI) de Analog Devices, entre otros dispositivos. Estos sistemas han sido usados desde validación de Masive MIMO (Malkowsky et al., 2017), implementación de MIMO testbed (Hwang et al., 2016), sistema de adquisición de datos remoto (Shi et al., 2015), entre otras aplicaciones académicas y de tecnologías 4G (Tripathi et al., 2015a;Harikrishnan et al., 2014; Tripathi et al., 2015b).
El principal propósito de este artículo es ilustrar los detalles de cómo configurar el Zynq SoC ZC702 (ZYN, 2015), AD9361 RFIC (DEV, 2013) y Matlab, para implementar un sistema de agrupación de antenas definido por software como instrumento de medición MIMO.
Este trabajo está organizado de la siguiente forma. La sección II describe el hardware y software de la plataforma del sistema SDR, y como generar o capturar datos con Matlad desde el RFIC. La sección III muestra la conexión experimental y configuración del sistema para medir dispositivos. La sección IV presenta algunas aplicaciones. Finalmente, en la sección V se presentan las conclusiones.
2 Hardware y Software de la plataforma SDR
El sistema SDR que fue usado en este trabajo se muestra de forma general y sencilla en el diagrama de bloques de la figura 1.
Figure 1: Diagrama de Bloques del sistema SDR. El sistema puede ser configurado en transmisión, recepción o incluso ambos modos al mismo tiempo. Basado en la figura 1, se puede describe en dos partes el sistema SDR.
2.1 Hardware del Sistema
El AD9361 es mostrado en la figura 2 Agile Transceiver, es un chip de radio frecuencia altamente integrado, tiene 2 transceivers con 12-bit en DAC y ADC, trabaja en la banda de 47 MHz a 6 GHz en transmisión, y desde 70 MHz a 6 GHz en recepción, con un ancho de banda de canal variable de 200 KHz a 56 MHz. Las aplicaciones con este dispositivo son sistemas de comunicaciones punto a punto, femto-celdas, pico-celdas, micro-celdas para estaciones base y sistemas de radio de propósito general.
La tarjeta AD-FMCOMMS5-EBZ es un módulo diseñado para contener 2 dispositivos AD9361 para aplicaciones 4x4 MIMO. La tarjeta AD-FMCOMMS5-EBZ tiene canales de banda ancha para cubrir el rango de 6 GHz, y canales de banda estrecha adaptados a 2.4GHz. La tarjeta de evaluación ZC702 provee el hardware lógico, y permite la comunicación y configuración con la tarjeta interfaz de radio AD-FMCOMMS5-EBZ. La tarjeta ZC702 contiene un dispositivo Zynq XC7Z020-1CLG484C, que permite la programabilidad a través del procesador Dual ARM Cortex-A9 y le hardware programable FPGA Artix-7 que contiene 6.6 M celdas lógicas. La tarjeta de evaluación ZC702 tiene dos conectores FMC (FPGA Mezzanine Card) con las que se conectó con la tarjeta AD-FMCOMMS5-EBZ. Las tarjetas AD-FMCOMMS5-EBZ y ZC702 son mostradas en la figura 3.
2.2 Software del Sistema
Usando un enlace de red mediante el protocolo TCP/IP, el computador fue conectado a el ZC702, gracias a que tanto en el computador como en la tarjeta se instaló Libiio. Libiio es una librería propia de Analog Devices para desarrollar interfaces de software en dispositivos con Linux Industrial In/Out (IIO). En la tarjeta ZC702 se ha instalado el sistema operativo Linux, mientras que en el computador Windows; además en el computador se instaló Matlab para controlar a todo el sistema de agrupación de antenas definido por software. Con la instalación de Libiio, la comunicación es transparente entre Matlab y las entradas y salidas del AD9361.
El IIO System Object está basado sobre especificaciones de Matlab System Objetcts, que a su vez está construido sobre librerías Libiio y habilitadas en Matlab o Simulink para el intercambio de datos sobre ethernet con hardware de ADI y conectado a una FPGA/SoC, plataforma en la cual debe correr una distribución de Linux para el ADI. Las arquitectura del sistema es mostrada en la figura 4.
La arquitectura IIO system Object trabaja con los archivos iio sysiio_sys_obj.m e iio_sys_obj_matlab.m para Simulink y Matlab respectivamente. En cualquier caso, es necesario configurar el archivo .cfg (configure file generic). En este trabajo fueron nombrados ad9361-1.cfg y ad9361-2.cfg a cada AD9361 contenido en la tarjeta AD-FMCOMMS5-EBZ (FMC, 2014); en estos ficheros fueron configurados los atributos y drivers Linux asociados al dispositivo, y las configuraciones de los canales.
Se configuró el primer dispositivo AD9361 con el fichero ad9361-1.cfg como master, y se ha cargado la siguiente información básica como se muestra en la figura 5.
Figure 5: Configuración del primer dispositivo AD9361, fichero ad9361-1.cfg. La configuraciónmostrada en la figura 6 fue cargada en el segundo AD9361 con el fichero ad9361-2.cfg, el cual actúa como esclavo.
En Simulink fueron creados dos bloques de configuración, uno para cada AD9361 como se muestra en la figura 7. Así también, en cada bloque de Simulink se configuraron los parámetros mostrados en la figura 8.
El parámetro del bloque de funciones en Simulink de la figura 9 hace referencia al fichero iio-sys-obj.m. Este fue configurado con dos canales de entrada I y Q, mismos que conforman una señal de salida vectorial a través de la tarjeta AD-FMCOMMS5-EBZ por el transmisor TX1A_A (J112 en la figura 3). Así también el parámetro del bloque de funciones de la figura 9 fue configurado con ocho canales de salidas para conformar cuatro señales vectoriales de entrada a Matlab a través de la tarjeta AD-FMCOMMS5-EBZ desde los receptores RX1A_A, RX2A_A, RX1A_B y RX2A_B (J111, J110, J210 and J211 respectivamente acorde con la figura 3). El dispositivo es nombrado acorde al fichero correspondiente .cfg de cada AD9361.
3 Configuración del sistema en modo VNA básico
En esta sección se explica cómo el sistema SDR ha sido configurado para medir señales vectoriales en módulo y fase. La configuración es necesaria para medir señales provenientes de una agrupación de antenas, identificando la variacion en módulo y fase de cada una de las señal provenientes de cada antena. Estas señales recibidas permitirán realizar aplicaciones tanto en Síntesis de Antenas, Beamforming, o estimación de DOA.
Para medir la potencia de la señal de los canales en recepción, el dispositivo a sido caracterizado en la banda de 0.5 GHz a 6 GHz, a una frecuencia de muestreo de 5 MHz. Para ello el AD9361 fue configurado acorde al apartado 2.2 de este trabajo, midiendo potencia en dBm a través del Received Signal Strength Indicator (RSSI) en cuatro canales de entrada (RX1A_A, RX2A_A, RX1A_B y RX2A_B), y transmitiendo por un solo canal (TX1A_A). Esta configuración ha sido probada para aplicaciones en sistemas SIMO (Single Input, Multiple Output), en la que se han realizado mediciones de parámetros S i1 usando un acoplador híbrido de 180 grados, y los resultados han sido contrastados con las medidas realizadas por un analizador de redes vectoriales (Vector Network Analyzer - VNA) 8510C Agilent. Las mediciones permitieron determinar las pérdidas causadas por efectos de los conectores, cables y transiciones, utilizados en la conexión del dispositivo bajo prueba (Pozar, 2009).
Los resultados son mostrados en la figura 10, donde se puede observar una diferencia entre las mediciones realizadas por el VNA y el sistema SDR. Esta diferencia en promedio está alrededor de 1 dB para las frecuencias entre 2.5 Ghz hasta 6 Ghz, y crece alrededor de 5dB en las frecuencias inferiores a 2.4 GHz. Los resultados de las mediciones de los canales RX2A_A, RX1A_B y RX2A_B son similares.
Figure 10: Comparación de potencia del acoplador híbrido de 180 (S 21 Parameter) entre el VNA y el sistema SDR.
Para la medición del ángulo de la señal de los cuatro canales en recepción ha sido necesaria de primera mano una auto-calibración interna en cada frecuencia, debido a los PLL (Phase-Locked Loop - PPL) en cada canal del AD9361. Para esta operación se utilizó la aplicación ADI IIO Oscilloscope, del sistema Linux instalado en la tarjeta ZC702. Luego, se ha usado un dispositivo divisor-combinador de potencia de 1:8 ZB8PD-252-S+ mini-circuits, para encerar las fases de los canales receptores RX2A_A, RX1A_B and RX2A_B, y tomando como referencia el canal RX1A_A. Para la experimentación se han tomado 20 muestras a la misma frecuencia para determinar la variación y estabilidad en la medición. Los resultados se muestran en la figura 11, se observa que la diferencia y variación máxima angular detectada en cada canal es de 5 ∘ centrada en 0 ∘ . Estos resultados son inferiores en comparación a mediciones realizadas sin calibración previa, teniendo resultados con variaciones muy inestables, alcanzando en algunos casos a una variación de hasta 150 ∘ .
Aplicando el mismo procedimiento descrito en esta sección, se midieron los canales de transmisión TX2A_A, TX1A_B y TX2A_B a través del divisor de potencia de 1:8 y el acoplador híbrido de 180 ∘ dando resultados similares a los descritos en las figura 10 y figura 11. Los resultados obtenidos a través de esta experimentación nos permiten obtener datos para la corrección de errores en mediciones de sistemas MIMO 4x4.
Figure 11: Diferencia angular entre canales receptores (referencia RX1A_A), a 3 GHz y con 20 muestras.
Junto al sistema SDR se encuentran los dispositivos caracterizados tal como se muestra en la figura 12. En la parte derecha, el divisor-combinador de potencia de 1:8 usado para medir la variación de ángulo, y en la parte izquierda el acoplador hibrido de 180 grados usado para medir la potencia de la señal.
4 Aplicaciones del sistema en investigación y academia
Usando el sistema propuesto, se podrán implementar varias aplicaciones que solo han sido publicado usando simulaciones de software comerciales tales como: Comparative Evaluation of Antenna Array Performance Using Non Blind LMS Beamforming Algorithms como en Chopra & Lakhmani (2017), o Digital Beamforming for LTE-Advanced como en Haroun et al. ( 2017), o 5G base stations defined by software (Llanga-Vargas et al., 2018), por mencionar algunos ejemplos de investigación o con fines académicos. En estos trabajos se desea implementar Síntesis de agrupación de antenas, algoritmos de beamforming, estimación de la dirección de arribo de la señal, etc.
A continuación, son presentadas las simulaciones realizadas en CST STUDIO SUITE de una agrupación lineal de 8 antenas como la presentada en (Haroun et al., 2017), y que se muestra en la figura 13. Para este escenario con 8 antenas, se usarían dos sistemas SDR como el indicado en este trabajo para obtener ocho canales de entrada y salida. Con una distribución de potencia uniforme, en la frecuencia de 1.8 GHz, con un desfase progresivo de 50 ∘ se obtiene una inclinación del haz de 9.6 ∘ , con una relación lóbulo principal a secundario de 12.8 dB típica de esta agrupación como se muestra en la figura 14. Así también en la figura 15, se muestra una Síntesis de Taylor diseñada a 25 dB.
Figure 14: Apuntamiento del haz a 9.6 ∘ , de una agrupación lineal de 8 antenas con desfase progresivo de 50 ∘ y distribución uniforme.
5 Conclusiones
En este trabajo se ha configurado un sistema de agrupación de antenas definido por software para generar y medir señales de agrupaciones de cuatro antenas. El sistema una vez calibrado, y en referencia a un analizador de redes vectorial, tiene una variación inferior de 5 ∘ en la detección de la fase de la señal, y una variación de potencia en promedio de alrededor de 1 dBm en el rango de 2.5 GHz a 6 GHz y de 5dBm a frecuencias inferiores a 2.5 GHz, mostrando el sistema propuesto prestaciones aceptables a un precio muy bajo en comparación con un VNA.
Algunas aplicaciones académicas o de investigación usan agrupaciones de ocho antenas para apuntamiento de haz, y se podrían implementar usando dos sistemas SDR como el propuesto en la investigación presentada.
Agradecimiento
Este trabajo ha sido apoyado por el centro TESLA - Investigación y Capacitación, Riobamba - Ecuador. Por la beca para Estudios de Doctorado de la Universidad Nacional de Chimborazo, por el Ministrio de Ciencia, Innovación, y Universidades de España con el proyecto TEC2016-78028-C3-3-P, y la Generalitat Valenciana con el proyecto GV/2015/065.
