【东枫】基于USRP的分布式6G近场通信小型蜂窝系统实验平台
本项目旨在利用USRP X310硬件平台，搭建一个分布式小型蜂窝网络实验系统近场波束成形多基站协作（Coordinated Multi-Point, CoMP）小区边缘干扰管理移动终端小区切换分布式MIMO低延迟联合感知（可选扩展）平台开放、可重构，可用于科研验证、协议开发、算法测试和标准前瞻性研究。打国际6G近场通信实验室的水准发高水平论文做国家级科研项目（自然科学基金，重大专项）开发原创近场通
·
“基于USRP的分布式6G近场通信小型蜂窝系统实验平台”
📋 简单描述：
- 以多台USRP X310/X410搭建一组小型分布式6G蜂窝基站。
- 基站之间共享时钟同步，但物理上独立布置（比如2米、5米、10米分散开）。
- 每个基站都能独立发送近场聚焦波束，同时多个终端可以接入，形成近场小区（Near-Field Cell）。
- 平台可以验证：
- 多基站联合波束成形（协作通信）
- 动态切换（用户在不同近场小区之间切换）
- 小区边缘干扰管理
- 近场MIMO+协作分集（CoMP）
📈 为什么这个点子厉害？
- 6G中强调"小基站"、“超密集部署”、“近场多点协作”，你的点子正符合。
- 分布式小基站在传统系统中很难做（要极低延迟同步），但USRP完全可以做到（10G/外部时钟同步）。
- 可以玩很多高级实验，比如：
- 分布式MIMO
- 小区切换延迟测量
- 多点到单用户的联合波束
- 未来可以扩展到：
- 联合通信与感知（ISAC，小基站探测用户位置）
- 近场RIS增强蜂窝（在小区边缘放智能超表面）
🛠 简单系统结构
控制PC
|
10G交换机 —— OctoClock同步
|
|—— USRP X310 #1 (基站A)
|
|—— USRP X310 #2 (基站B)
|
|—— USRP X310 #3 (基站C)
|
终端 (移动接收机)
每台X310通过10G网络与PC通信，共享10MHz参考，1PPS同步。
🛠 需要硬件
| 项目 | 型号/建议 |
|---|---|
| SDR主机 | 多台 USRP X310（或X410更好） |
| 同步器 | Ettus OctoClock-G |
| 10G交换机 | Netgear XS708T 或Cisco 10G Switch |
| 光模块+光纤 | SFP+ 10G光模块，OM3光纤 |
| 近场天线 | 定向天线/小型相控阵/透镜天线 |
| 移动终端 | 可选用滑轨/轮式移动平台 |
📚 这个点子适合做什么项目？
- 6G近场多基站联合通信研究
- 小型蜂窝系统仿真
- 近场MIMO + 动态小区切换实验
- 可发高水平会议论文（如 IEEE ICC, GLOBECOM）
- 科研项目申报（国家自然科学基金、重大专项）
📄 项目名称
基于USRP的分布式6G近场通信小型蜂窝系统设计
1. 项目概述
本项目旨在利用USRP X310硬件平台，搭建一个分布式小型蜂窝网络实验系统，支持6G近场通信特性，包括：
- 近场波束成形
- 多基站协作（Coordinated Multi-Point, CoMP）
- 小区边缘干扰管理
- 移动终端小区切换
- 分布式MIMO
- 低延迟联合感知（可选扩展）
平台开放、可重构，可用于科研验证、协议开发、算法测试和标准前瞻性研究。
2. 系统总体架构
【简化示意图】
+-----------+ +-----------+ +-----------+
| 基站 A | | 基站 B | | 基站 C |
| USRP X310 | | USRP X310 | | USRP X310 |
+-----------+ +-----------+ +-----------+
\ / \
+-------------------+--------------------------+
|
10G交换机（带OctoClock同步）
|
控制PC (服务器)
|
移动终端 (USRP B210 or 其它)
3. 详细模块划分
| 模块 | 主要功能 | 关键指标 |
|---|---|---|
| USRP基站节点 | 发送近场定向波束信号，协作MIMO | 发射频率 2.5–6 GHz，中频或上变频毫米波 |
| 控制PC | 统一控制所有基站节点发射/接收调度 | 支持10G大带宽流量，时间同步管理 |
| 10G交换机+同步器 | 保障所有USRP节点同步收发时钟 | 精度10ns以内 |
| 终端节点 | 接收多基站联合信号，进行切换、合并 | 支持高速移动（>10cm/s）测试 |
| 移动平台（可选） | 测试移动小区切换（handover）性能 | 轨道滑轨或轮式移动 |
4. 核心子系统设计
4.1 无线信号处理模块
- 基带信号生成：QPSK/16QAM/64QAM调制
- 上层协议仿真：简化版MAC/PHY控制
- 波束赋形：可控相位与幅度权重生成
- MIMO预编码器：Zero Forcing（ZF），MMSE预编码
- 功率控制：动态功率调整支持移动终端跟踪
4.2 网络调度模块
- 时分同步：所有USRP共享外部10MHz参考 + PPS
- 数据调度：集中式控制/分布式调度两种模式切换
- 小区切换机制：根据RSSI/SINR动态选择基站
4.3 信道测量模块
- 近场信道扫描：实时测量CSI（Channel State Information）
- 小区间干扰检测：小区交叠区动态测试
- 移动终端轨迹感知：记录移动端实时SNR/RSSI曲线
5. 核心实验项目规划
| 实验项目 | 实验目的 | 备注 |
|---|---|---|
| 近场波束成形实验 | 验证近场聚焦能量增强 | 多基站独立测试 |
| 多基站联合波束实验（CoMP） | 测试双基站联合传输增益 | 同步发送 |
| 小区切换延迟测量 | 测量切换时间及数据丢失率 | 移动终端平台配合 |
| 小区边缘干扰实验 | 研究干扰管理与协作传输 | SINR测量 |
| 分布式MIMO容量测试 | 测试分布式阵列下空间复用度 | 多流同时传输 |
6. 系统关键技术指标
| 指标 | 目标数值 |
|---|---|
| 发射带宽 | ≥ 100 MHz |
| 近场通信距离 | 0.1–1米（室内环境） |
| 同步精度 | < 10 ns |
| 小区切换时延 | < 1 ms |
| 单终端最大吞吐量 | > 500 Mbps（根据调制方式可调） |
| 小区总吞吐量 | 可扩展到 1–2 Gbps |
7. 未来扩展方向
- 近场联合通信感知（ISAC）融合模块
- RIS辅助近场蜂窝系统（添加智能反射表面）
- THz频段分布式小型蜂窝（超高带宽测试）
- AI/ML自适应小区调度（机器学习动态波束管理）
📌 总结一句话：
这个系统一旦搭起来，可以直接做到：
- 打国际6G近场通信实验室的水准
- 发高水平论文
- 做国家级科研项目（自然科学基金，重大专项）
- 开发原创近场通信协议栈
📄 【十三】各模块详细功能划分表格
系统按功能划分模块，细化到每一块具体负责什么，便于实现和分工。
| 模块 | 子模块 | 主要功能 | 输入/输出 |
|---|---|---|---|
| 1. 控制PC端软件 | 采样率、频率配置 | 配置USRP发射接收参数 | 采样率、中心频率 |
| 调度模块 | 统一分配发射时隙、接收时隙 | 基站时隙指令 | |
| 波束控制模块 | 控制基站相位权重表 | 权重矩阵 | |
| 小区切换管理模块 | 终端移动时重新选择连接基站 | 切换信令 | |
| 实验数据记录模块 | 实时记录RSSI、SINR、BER、时延数据 | CSV/数据库 | |
| 2. 基站节点（USRP X310） | 发射模块 | 基带上采样、调制、波束形成、发射 | IQ信号 |
| 接收模块 | IQ采集、初步信道估计 | IQ信号 | |
| 同步模块 | 10MHz参考和PPS同步校验 | 同步信号锁定 | |
| 3. 搬频模块（可选） | 上/下变频 | 将中频信号搬移至毫米波频段 | 射频信号 |
| 4. 移动终端节点（USRP或简化接收机） | 信号接收 | 接收并解调信号 | IQ样本 |
| 信道测量模块 | 测量链路质量指标，如SNR、延迟 | 测量数据 | |
| 移动控制模块（可选） | 移动轨迹规划、移动速度控制 | 控制指令 |
📄 【十四】开源协议栈推荐（适配6G近场实验）
目标：改造现有开源无线协议栈，让它支持近场通信的小区、近场MIMO、联合波束等功能！
1. OAI（OpenAirInterface）
- 📚 项目地址：https://openairinterface.org/
- 📡 OAI是一个完整的4G/5G NR协议栈（包括核心网EPC/5GC + RAN）
- 📡 支持USRP X310直接运行（通过UHD驱动接口）
- 📡 支持独立的gNB+UE实验
怎么改造？
| 原功能 | 近场扩展 |
|---|---|
| 传统宏蜂窝通信 (大基站) | 缩小到超小小区（近场蜂窝，覆盖1–2米） |
| 远场MIMO | 加入近场MIMO信道估计模块（spherical model） |
| 波束赋形支持 | 扩展到近场波束聚焦权重生成 |
| 小区切换 | 调整为超短距离小区切换策略 |
小技巧：OAI中的
physical_layer模块修改beamforming.c部分，可以插入你自己控制的近场波束指令集！
2. srsRAN（原名srsLTE）
- 📚 项目地址：https://github.com/srsran/srsRAN_Project
- 📡 极其轻量，适合自己快速修改实验
- 📡 支持USRP X310直接收发
- 📡 可选模块灵活，易于裁剪
怎么改造？
| 原功能 | 近场扩展 |
|---|---|
| 单用户LTE/NR信号生成 | 改成近场多用户MIMO信号 |
| 基带处理模块（PHY） | 加入球面波近场信道估计补丁 |
| 小区切换逻辑 | 加入基于RSSI动态切换，时间尺度毫秒级 |
| PHY链路测量 | 记录极近场时延变化（精度提升到ns量级） |
小技巧：srsRAN中
phy/pusch模块可以直接在I/Q调制前插入你的近场波束赋形矩阵！
3. 对比推荐总结
| 项目 | OAI | srsRAN |
|---|---|---|
| 协议栈完整度 | 5G NR端到端完整 | 轻量版LTE/NR，易改 |
| 易修改性 | 中等（代码较复杂） | 高（代码清晰简洁） |
| 社区支持 | 活跃，官方论坛活跃 | 活跃，GitHub活跃 |
| 适合用途 | 全面部署研究 | 快速实验验证 |
🔥 如果你想做“系统级近场蜂窝小区仿真 + 多小区小区切换” —— 推荐用OAI；
🔥 如果你想做“快速验证近场MIMO链路 + 波束成形效果” —— 推荐用srsRAN。
📌 小结
✅ 你可以基于OAI或srsRAN直接起步，结合USRP X310搭建6G近场小型蜂窝系统；
✅ 协议栈侧重点可以根据你的需求（完整系统or快速链路）灵活选择；
✅ 改造内容主要集中在近场信道处理、近场波束控制和小区切换机制。
【十五】OAI / srsRAN 协议栈近场改造实施步骤
我分别讲，先是通用步骤，再细化到OAI和srsRAN的差异点。
📋 通用近场改造大步骤
Step 1：切换到小型蜂窝模式（小区规模）
- 修改小区参数配置（小区尺寸）
- LTE/NR标准通常最小小区是75m-100m，要改成2–5米。
- 配置文件（比如
enb.conf/gnb.conf）中：- 小区功率降低（20–30 dBm ➔ 0–10 dBm）
- 调整小区半径（cell radius），例如改成
5m
Step 2：近场信道建模替换
- 标准协议栈假设远场平面波信道。
- 需要替换成近场球面波信道模型：
- 计算每根发射天线到接收天线的真实距离 (d_{m,n})
- 根据近场信道公式生成(h_{m,n})
Step 3：近场波束成形接口插入
- 在PHY物理层（调制/发射前）插入自定义波束赋形处理。
- 控制每个天线发射的幅度与相位，形成聚焦波束。
- 可以在PHY TX链路中插入如下步骤：
符号映射 ➔ 波束赋形处理 ➔ IFFT ➔ 发射
Step 4：小区切换逻辑优化（移动性）
- 标准协议切换是根据远距离路径损耗变化切换。
- 近场实验中，需要根据极小空间内RSSI/SINR变化触发切换。
- 修改RRC层的handover决策：
- RSSI变化阈值（小到1~2 dB）
- 切换延迟时间（小于1ms）
📚 OAI特有改造点
| 模块 | 文件位置 | 修改内容 |
|---|---|---|
| PHY层 | openair1/PHY/TOOLS |
修改modulation.c，添加波束赋形 |
| MAC层 | openair2/LAYER2/MAC |
适配小区调度参数（小区半径、功率） |
| RRC层 | openair2/RRC |
调整切换触发逻辑、测量报告周期 |
| 配置文件 | targets/PROJECTS/CONF/gnb.conf |
小区尺寸、功率参数配置 |
📚 srsRAN特有改造点
| 模块 | 文件位置 | 修改内容 |
|---|---|---|
| PHY TX处理 | srsran/phy/upper/ |
修改tx_processor.c，加波束赋形处理 |
| 小区配置 | srsran/enb/enb_config.c |
设置小区半径、功率 |
| 切换管理 | srsran/rrc/rrc_handover.c |
改切换条件（RSSI/SINR小幅变化） |
| 配置文件 | config/enb.conf |
小区参数设定 |
【十六】基于近场信道的波束赋形算法Python示例
下面是一个可以直接跑的波束赋形脚本，
输入天线阵列、终端位置，输出每个发射天线的幅度+相位权重。
near_field_beamforming.py
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 参数设置
freq = 60e9 # 信号频率 60 GHz
c = 3e8 # 光速
wavelength = c / freq
Nt = 8 # 发射天线数
d_ant = 0.5 * wavelength # 天线间距 (λ/2)
# 构建线性阵列天线位置 (沿X轴)
tx_positions = np.array([[i*d_ant, 0, 0] for i in range(Nt)])
# 用户位置 (焦点)，在前方 0.5m
user_position = np.array([0.5, 0, 0.3])
# 计算每根天线到用户的距离
distances = np.linalg.norm(tx_positions - user_position, axis=1)
# 计算相位补偿
phases = -2 * np.pi * distances / wavelength
weights = np.exp(1j * phases) # 幅度为1，相位按补偿设置
# 绘制权重相位
plt.figure()
plt.stem(np.angle(weights))
plt.title('近场波束赋形每根天线相位 (弧度)')
plt.xlabel('天线编号')
plt.ylabel('相位(rad)')
plt.grid(True)
plt.show()
# 输出
print("发射权重（幅度相位）：")
for i, w in enumerate(weights):
print(f"Antenna {i}: Amplitude={np.abs(w):.2f}, Phase={np.angle(w):.2f} rad")
📋 说明
- 输入阵列天线位置，目标焦点位置。
- 输出每根天线需要设置的幅度/相位权重。
- 可以把这个权重应用到发射链路（比如OAI/srsRAN中的PHY层）来实现近场聚焦。
🎯 现在你的装备情况更新：
| 内容模块 | 完成情况 |
|---|---|
| OAI/srsRAN近场改造步骤 | ✅ |
| 基于近场信道的波束赋形算法 | ✅ |
| 可用于插入PHY层处理流程 | ✅ |
| 可扩展到小区切换+多基站协作 | ✅ |
📄 【十七】完整的6G近场通信 + 小型蜂窝实验流程指南
1. 实验目标确认
✅ 搭建一个分布式6G近场小型蜂窝系统平台。
✅ 验证以下核心能力：
- 近场波束成形与聚焦
- 多基站联合传输（CoMP）
- 移动终端小区切换
- 近场MIMO链路吞吐率测试
- 小区边界干扰管理
2. 硬件准备清单
| 设备 | 型号 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|---|
| SDR主机 | USRP X310 | ≥2台 | 用于基站节点 |
| 移动终端 | USRP B210或X310 | 1台 | 接收测试 |
| 同步时钟 | OctoClock-G | 1台 | 提供10MHz+PPS参考 |
| 10G交换机 | Netgear/Cisco | 1台 | 连接PC与各USRP |
| 控制服务器 | Linux PC (10G网卡) | 1台 | 配置+控制 |
| 光纤模块/线 | SFP+ 10G | 若干 | USRP–交换机连接 |
| 天线 | 定向天线或相控阵 | 每台USRP配备 | 用于近场通信 |
| 滑轨平台（可选） | 滑轨或机械臂 | 1套 | 实现终端移动实验 |
3. 软件环境准备
| 软件 | 版本建议 | 用途 |
|---|---|---|
| UHD驱动 | 4.4或更高 | USRP底层控制 |
| GNU Radio | 3.10 | 信号处理与调试 |
| OAI或srsRAN协议栈 | 最新开发版 | 通信协议实验 |
| Python + NumPy + Matplotlib | 3.10+ | 仿真与波束赋形 |
| MATLAB（可选） | R2023b | 后期分析 |
4. 搭建硬件系统连接
步骤：
- 将每台USRP通过10G光纤接入交换机。
- 控制PC接入同一交换机，并配置IP地址。
- 使用OctoClock给所有USRP输入10MHz参考和PPS信号。
- 天线固定好，保证方向一致。
- 终端USRP单独放置，可滑动以模拟用户移动。
✅ 完成后，用uhd_usrp_probe检查所有USRP锁定了外部参考（locked = true）。
5. 配置系统参数
- 配置中心频率，比如2.5 GHz（搬频器搬到60 GHz可以后续添加）。
- 配置发射增益，起步建议 0–10 dB（近场功率太高容易过饱和）。
- 设置采样率，比如100 MSps。
- 设置基带调制方式（初期可以用QPSK或16QAM）。
✅ OAI或srsRAN修改配置：
- 小区半径缩小到 2–5米。
- 小区功率控制低于10dBm。
- 切换门限（RSSI/SINR）调整到小数dB级别。
6. 加入近场功能模块（关键）
- 在PHY层增加波束赋形权重应用（见前面的赋形算法）。
- 在链路管理层启用小区快速切换逻辑（毫秒级反应）。
- 加入CSI测量接口（实时记录信道矩阵变化）。
- （可选）加入移动终端轨迹记录模块。
7. 开展实验项目
| 实验编号 | 项目名称 | 步骤简述 |
|---|---|---|
| EXP-1 | 近场波束成形聚焦实验 | 控制发射权重，移动终端测量聚焦能量变化，绘制热力图 |
| EXP-2 | 多基站协作传输实验（CoMP） | 双基站同步发射，测量接收增益与独立发射比较 |
| EXP-3 | 小区边界干扰测试 | 在小区交界处测量SINR变化 |
| EXP-4 | 移动终端小区切换实验 | 终端移动跨小区，记录切换延迟和丢包率 |
| EXP-5 | 近场MIMO吞吐量测试 | 多发多收（MIMO），测量容量曲线与误码率 |
8. 数据采集与处理
- 实验期间实时保存：
- 接收信号强度 (RSSI)
- 信噪比 (SNR/SINR)
- 接收数据流量
- 小区切换事件日志
- 保存格式：
- 建议CSV或HDF5格式，便于后续MATLAB/Python处理
✅ 采集样例脚本：
uhd_rx_cfile --file rx_data.dat --duration 10 --rate 100e6 --freq 2.5e9
9. 后期分析任务
- 绘制焦点能量热力图（近场波束成形效果）
- 生成吞吐率–距离曲线（小区中心到边界）
- 小区切换延迟统计直方图
- 多基站协作提升增益分析
10. 常见问题与排查指南
| 问题 | 可能原因 | 解决办法 |
|---|---|---|
| 收发不同步 | 10MHz参考锁相失败 | 检查OctoClock连线，确保PPS正确触发 |
| 切换延迟高 | RRC层切换门限设置不合理 | 调小门限，增加切换频率 |
| 波束焦点漂移 | 天线阵列排列误差 | 精确测量天线位置，修正 |
| 接收信号失真 | 发射功率过高导致非线性失真 | 降低增益，调整发射功率 |
🔥 到这里，你的实验体系已经完整了！
✅ 从硬件搭建、软件配置、协议栈改造，到实验执行、数据处理、性能评估。
✅ 每一步都有工程标准，保证你可以顺利落地，并且具备后续发表论文、申请项目、开题答辩的完整支撑！
📄 【十八】6G近场通信小型蜂窝 – 小区切换实验流程（超细版）
1. 实验目的
验证移动终端在近场小区环境下的小区切换机制性能，包括：
- 切换延迟
- 切换可靠性
- 切换过程中吞吐率变化
- 切换引起的丢包率
2. 硬件配置
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 基站节点 | 至少2台 USRP X310 |
| 移动终端 | 1台 USRP（可以滑动或移动） |
| 同步时钟 | OctoClock-G 保证各节点同步 |
| 滑轨平台 | 控制移动速度，模拟终端移动 |
3. 软件配置
- 基于 OAI 或 srsRAN 修改的小区切换逻辑。
- 切换判决参数配置：
- A3事件触发门限：小区信号质量差异门限设置小（1–2 dB）
- 测量周期：50ms或更短
- 切换延迟配置：目标小于1 ms
4. 实验环境设置
- 两个小区A、B物理部署间隔5米以内。
- 小区中心信号功率配置一致（比如0 dBm）。
- 确保小区重叠区约1–2米。
✅ 终端起始位置靠近A小区，移动到靠近B小区。
5. 实验步骤（超细版）
Step 1：基站节点初始化
- 配置A、B小区频率、带宽、发射功率。
- 确保小区广播信号正常（同步信号、广播信道SIB1发送正常）。
Step 2：终端连接A小区
- 手动/自动注册到小区A。
- 确认连接成功（RRC Connected状态）。
Step 3：启动数据业务
- 下行持续数据流（例如UDP CBR流，100Mbps）。
- 记录起始吞吐率、时延。
Step 4：开始移动
- 移动平台以恒定速度（如0.2 m/s）移动终端。
- 进入小区交叠区。
Step 5：触发小区切换
- 终端测量到B小区信号质量优于A小区。
- 触发A3事件 ➔ 启动切换程序 ➔ 完成切换到B小区。
Step 6：记录切换全过程
- 切换起始时间（A3事件触发时刻）
- 切换完成时间（RRC连接完成到B小区时刻）
- 切换过程中吞吐率变化
- 切换期间丢包数、时延抖动
Step 7：持续移动
- 可反向移动，进行多次A⇔B切换，获取统计数据。
📋 小区切换评价指标体系（标准版）
| 指标 | 定义 | 目标要求 |
|---|---|---|
| 切换成功率 | 成功切换次数/总切换尝试次数 | ≥ 95% |
| 切换延迟（ms） | 切换完成时间 - 切换启动时间 | ≤ 1 ms（近场目标） |
| 切换过程中吞吐率下降比例 | 切换期间吞吐下降最大幅度/原始吞吐率 | ≤ 30% |
| 丢包率（%） | 切换期间丢失的数据包数量/总包数 | ≤ 5% |
| SINR变化曲线 | 小区交叠区测量SINR随位置变化曲线 | 连续平滑过渡 |
| 切换引起的时延抖动（ms） | 切换期间数据包到达时延变化范围 | ≤ 2 ms |
🔥 补充实验优化小技巧
- 使用定时触发记录（比如滑轨位置到达时打点）。
- 使用速率自适应UDP流，避免链路崩溃。
- 测量时多次往返，统计平均+方差，数据更稳。
🔥 到这里为止
✅ 你现在拥有了一个完整工程级的：
- 小区切换实验流程（每步清晰）
- 小区切换评价标准（每项指标量化）
⚡ 总结你的整体装备状态：
| 内容模块 | 完成情况 |
|---|---|
| X310小型蜂窝搭建方案 | ✅ |
| 协议栈近场改造步骤 | ✅ |
| 波束赋形算法Python版 | ✅ |
| 小区切换实验流程超细版 | ✅ |
| 小区切换指标体系 | ✅ |
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