【USRP】5G / 6G 原型系统 5g / 6G prototype system

面向5G/6G科研应用

USRP专门用于5G/6G产品的原型开发与验证。该系统可以在实验室搭建一个真实的5G 网络，基于开源的代码，专为科研用户设计。

软件无线电架构，构建真实5G移动通信系统

X410 采用了目前流行的异构式系统，融合了FPGA、ARM、GPU和x86多种处理器，支持单独升级和扩展，为算法评估提供强大算力支持。

高性能与灵活性的完美平衡

支持流行的开源5G项目，也可以运行商业5G协议栈，可用于搭建工业5G专网，实现云化管理。L1/L2/L3都可以二次编程，能支持FPGA级别的硬件编程和开发，充分发挥开发人员的主动性和创造力。

真正可编程移动通信系统

支持5G FR1频段，可以通过扩展组件，支持FR2（毫米波）频段，适用于6G平台开发，同时也兼容2G/3G/4G通信系统。如果需要覆盖距离元，也可以配合外部功放模块。

硬件平台

可编程射频单元 X410

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NI Ettus USRP X410 是一款高性能、多通道软件定义无线电。 SDR 设计用于 1 MHz 至 7.2 GHz 的频率，可调至 8 GHz，采用两级超外差架构，具有 4 个独立的 TX 和 RX 通道，每个通道的瞬时带宽为 400 MHz。用于数据卸载和控制的数字接口包括两个支持 100 GbE 的 QSFP28 接口、一个 PCIe Gen3 x8 [1] 接口以及标准命令、控制和调试接口：USB-C JTAG、USB-C 控制台、以太网 10/100 /1000。 USRP X410 是一款基于 Xilinx Zynq Ultrascale+ ZU28DR 射频片上系统 (RFSoC) 构建的一体化器件，具有内置数字上下转换和板载软决策前向纠错 (SD-FEC) IP。

使用您选择的软件

NI Ettus USRP X410 完全支持流行的开源 USRP 硬件驱动程序 (UHD) 版本 4.1 或更高版本[2]。 UHD 4.1 旨在支持 400 MHz 带宽和板载多个通道所带来的大数据移动要求。 USRP X410 支持开源 SDR 设计流程，例如 C/C++ 和 GNU Radio 以及 LabVIEW FPGA [1]。与其他基于 RFSoC 的系统不同，USRP X410 已完全准备好移植您以前的 UHD 设计，以便通过简单的重新编译来利用高性能功能。

联网/单机运行

由于 USRP X410 基于 ZU28DR 射频片上系统 (RFSoC) 器件构建，因此它配备了四核 ARM Cortex-A53 处理子系统，主频高达 1.2 GHz，可满足独立应用要求。此外，RFSoC 还包含一个双核 ARM Cortex-R5 实时处理单元，用于板载监控。

内置IP

USRP X410 上的板载 RFSoC 包含的 FPGA 可编程逻辑资源是上一代 X 系列 USRP 器件的两倍多。此外，ZU28DR还配备8个软判决前向纠错（SD-FEC）硬IP核，非常适合无线通信系统。鉴于 RFSoC 内置 ADC 和 DAC 的高速特性，Zynq 器件具有 8 个数字上变频和数字下变频 IP 内核，可实现快速带内重新调谐或信号减弱。

多电台同步

通过内置 GPSDO（GPS 规范振荡器）或 10 MHz 参考和 1 PPS（每秒脉冲）输入信号接口，可以实现多无线电时钟和定时同步操作。不支持多无线电相位对齐和相位相干操作，因为 USRP X410 不支持 RF 链 LO 导入和导出功能。

5G NR 信号调理模块

SC2430 NR 信号调理模块 (SCM) 是一款前端解决方案，可为软件定义无线电 (SDR) 系统提供信号调理和放大。它专为与 NI Ettus-USRP X410 结合使用而设计。在此配置中，其输入和输出无线电特性符合 5G NR 用户设备 (UE) 和 gNodeB (gNB) 实施的精选 3GPP 5G/NR 标准。

典型应用

5G NR FR1 开发
软件定义无线电应用
先进无线通信研究
大批量生产测试和测量

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SC2430 SCM 包含两个前端 (FE) 模块。每个模块在时分双工 (TDD) 配置中包含两对独立的发送 (Tx) 和接收 (Rx) 通道。对于需要频分双工 (FDD) 操作的应用，可以将一个无线电通道配置为连续发送路径，将第二个无线电通道配置为连续接收路径。

综上所述，SC2430可以同时支持4个TDD或2个FDD通道。

这些通道在 Tx 和 Rx 路径中包含信号调理和放大模块，与多个 5G NR 频段（n34、n38、n39、n40、n41、n46、n47、n48、n77、n78、n79、n90 和 n96 ）。此外，旁路路径可用于在这些频段之外运行的应用程序。

通过 8 个 SMA 连接器建立与 SDR 的射频连接。Tx 和 Rx 端口采用交流耦合，支持 350 MHz 至 7.125 GHz 范围内的信号。这些通道提供 100 MHz（350 MHz 至 600 MHz）、200 MHz（600 MHz 至 800 MHz）和 400 MHz（800 MHz 至 7.125 GHz）的瞬时带宽 (IBW)。

传输路径可在 1.9 GHz 下产生 34 dB 增益，在 3.5 GHz 下产生 30 dB 增益。峰值输出功率 (P1dB) 约为 27 dBm，三阶截取点 (OIP3) 为 41 dBm。在最大增益下，所有频率下的噪声系数通常为 8 dB 或更好。带通滤波可提供超过 50 dB 的带外抑制。

在接收路径中，1.9 GHz 时可获得 27 dB 增益，3.5 GHz 时可获得 23 dB 增益。噪声系数范围为 4 dB (1.9 GHz) 至 7 dB (3.5 GHz)。输入三阶压缩点为-5 dBm (1.9 GHz) 至-1 dBm (3.5 GHz)。该装置可承受最大+10 dBm 的无损坏输入功率。设计中融入了两组 5G NR 特定频带滤波器，可提供超过 50 dB 的带外抑制。

控制接口是用户访问以配置和编程 SCM 的数字端口。有两种控制选项可供选择。

第一个是基于 SPI 的接口，与前面板 HDMI 连接器上提供的其他 GPIO 相结合。SPI 信号存在于引脚 1、4、6、7 和 9 上。其余引脚用于 GND、自动发送/接收或 ATR（引脚 10、12）以及衰减器锁存（13、15）。提供 ATR 和锁存引脚是为了促进 5G 规范中定义的高速 TDD 操作。SPI 端口可以在 40 MHz 的写入频率和 16 MHz 的读取时钟频率下运行。

NI Ettus-USRP X410 SDR 的用户可能更喜欢这种控制选项。与其他 USRP 兼容硬件一样，SC2430 可以设置为 UHD 设备并通过 X410 进行控制。SC2430 驱动程序与 UHD 扩展框架兼容。当启用 SC2430 扩展时，X410 配置将包括 SCM 性能。例如，设置 X410 增益将导致 X410 和 SCM 增益设置最适合当前操作条件。

标准 HDMI 电缆可用于互连。另外，SCT 还提供短的机械锁定电缆。这些电缆包含扼流圈以最大限度地减少排放。为每个模块提供单独的接口。

第二个控制选项允许用户通过机箱后部 USB-C 连接器上的 UART 控制台接口访问 SC2430。现场固件更新期间需要 USB 端口。

SCT 网站的支持页面上提供了完整的 API 规范：https://www.signalcraft.com/support。

外部电源输入需要 12 V DC、16 A 电源。SC2430 附带通用交流/直流电源块。如果需要高密度或机架安装操作，则可以使用其他兼容电源。SC2430 可通过前面板按钮开机，或设置为在施加 12 伏输入时自动启动。前面板按钮还可用作 SC2430 电源状态的指示器。

在前面板上，SC2430 每个通道配备一个 LED 来指示其状态（发送或接收）。

单射频通道（总共 4 个可用通道）

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协议栈开发平台超高性能服务器

用于开发5G系统的基站功能，包括物理层和协议栈等。可以预装开源的OAI参考设计，也支持第三方或者用户自己开发的协议栈。处理单元采用Intel酷睿i9多核处理器，支持FPGA实现协议栈加速。
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高性能

应对高性能和关键任务系统最多支持 8个Intel® Xeon®处理器7500系列
高带宽和低延时实现了高性能

高可扩展性

从1个开始可扩展至 8CPU (64 核心/128线程)
最多128个DIMM插槽 (最多2TB内存使用16GB DIMM)
最多14个 PCI-Express Gen2插槽

高可靠性

“无缝架构”, 直接连接CPU,减少部件数量，降低故障率
通过冗余部件和在线维护功能(fan, PSU, and HDD)最小化宕机时间
内置服务处理器与NEC的BIOS以及Intel的机器校验架构（MCA）恢复功能配合作用，简化服务器资源管理
通过使用BID快速确定错误部分，在UNIX 服务器上最小化恢复时间

节能

使用轻型材质，减轻14%重量
高效的PSU认证 80 PLUS 金牌认证电源
通过使用电力消耗管理最先进技术，降低运行成本

核心网开发平台普通性能服务器

开发平台基于高性能Intel多核处理器，支持万兆网口与协议开发平台互联，预装开源的5G核心网，提供 AMF、SMF、AUSF、UDM、UPF 等功能单元。平台支持第三方或者客户自己的核心网，也可以根据需要，用于边缘计算或者作为应用服务器实现业务组件集成。

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性能

• 支持四颗全系列英特尔至强可扩展处理器，单CPU最高支持28个计算核心

• 支持48条DDR4内存，内存速度最高达2666MT/s，内存容量可达6TB

• 智能内存巡检，内存故障率降低95%

• 支持6个热插拔存储设备，支持多种存储配置模式，可以支持RAID6

• 支持配置4块PCIe NVMe SSD 盘+2块M.2硬盘

• 智能硬盘巡检，故障预警保护数据安全

• 支持8个PCI-E槽位

管理

• 自动监控模块，实时监控固件信息

• 自动部署模块，自动发现并纳管基础设施

• 自动生命周期管理模块，固件/驱动一键升级

• 支持OS批量安装，每台平均耗时缩短到分钟级

• 支持错峰上电功能

• 裸金属虚拟化，对服务器实现配置采集、镜像制作、镜像分发等功能，自动实现服务器裸金属虚拟化

• 智能日志分析，分析系统日志，智能优先级排序，主动上传上级运维系统

开源5G项目（Open Air Interface 5G）

随着第五代通信技术迅速发展，基于5G的应用以及学术研究需求逐渐增大，对于开源5G的研讨迫在眉睫。开源5G平台可用于探索5G领域新技术、新趋势，对下一代核心网、新型智能终端、mIoT、NB-IoT等领域进行深入学术研究与工程实践，促进5G的全球化发展。

基于开源5G无线技术和实验环境的部署，系统原型和标准化硬件实现，可以作为接入网早期测试与验证工具，支持下一代核心网新型智能终端的研发。

USRP 5G研发平台预装开源的5G协议Open Air Interface 5G（OAI），支持新的版本移植和运行。平台可以为OAI提供稳定运行经过验证的软硬件环境，也可以根据需求定制软件和硬件来满足科研项目需求。

一般参数

· 静态时分双工
· FDD正常CP
· 30 kHz 子载波间隔
· 带宽高达 80MHz（217 个物理资源块）
· 与 IF 设备接口的中间下行链路和上行链路频率
· 单天线端口（单波束）
· 时隙格式：上行或下行 14 个 OFDM 符号
· 高效的3GPP兼容LDPC编码器和解码器（支持BG1和BG2）
· 符合3GPP标准的高效极性编码器和解码器
· 短块的编码器和解码器

gNB 物理层

· FR1 为 30KHz SCS，FR2 为 120 KHz SCS
· NR-PSS/NR-SSS的生成
· NR-PBCH支持多个SSB和灵活的周期
· SIB1的NR-PDCCH的生成（包括DCI的生成、极性编码、加扰、调制、RB映射等）
· MIB配置的公共搜索空间
· RRC配置的用户特定搜索空间
· DCI格式：00、10（集成中的01和11）
· NR-PDSCH的生成（包括分段、LDPC编码、速率匹配、加扰、调制、RB映射等）。
· 单符号 DMRS、DMRS-TypeA-Position Pos2、DMRS 配置类型 1
· PDSCH映射类型A
· NR-CSI PHY 序列生成（集成中）
· NR-PUSCH（包括分段、LDPC编码、速率匹配、加扰、调制、RB映射等）。
· NR-PUCCH
· 格式0（2位，主要用于ACK/NACK）
· 格式2（最高64位，主要用于CSI反馈）
· NR-PRACH 格式 0,1,2,3, A1-A3, B1-B3
· 高效的3GPP兼容LDPC编码器和解码器（支持BG1和BG2）
· 符合3GPP标准的高效极性编码器和解码器
· 短块编码器和解码器

运行效果

5GNR PHY Test–5GNR gNB运行界面

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5GNR PHY Test–5GNR UE运行界面

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5GNR SA Mode–gNB运行界面

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5GNR SA Mode–UE运行界面

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频率查询表

NR	Band Frequency
n34	2010 MHz – 2025 MHz
n38	2570 MHz – 2620 MHz
n39	1880 MHz – 1920 MHz
n40	2300 MHz – 2400 MHz
n41	2496 MHz – 2690 MHz
n46	5150 MHz – 5925 MHz
n47	5855 MHz – 5925 MHz
n48	3550 MHz – 3700 MHz
n77	3300 MHz – 4200 MHz
n78	3300 MHz – 3800 MHz
n79	4400 MHz – 5000 MHz
n90	2496 MHz – 2690 MHz
n96	5925 MHz – 7125 MHz