基于NI-PXI的下一代超高速無線局域網(wǎng)原型系統(tǒng)設(shè)計

1.引言

面向2020年以后的第五代移動通信技術(shù)（5G）是為滿足日益增長的移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)。根據(jù)移動通信的發(fā)展規(guī)律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高一個量級或更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全和用戶體驗也將得到顯著的提高。5G移動通信將與其他無線移動通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無所不在的移動信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來10年移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。5G不再是一種只擁有高速率、高能力、高效率的空口技術(shù)，而是一種能夠應(yīng)對不同業(yè)務(wù)需求并不斷提高用戶體驗的智能網(wǎng)絡(luò)，5G與其他無線移動通信技術(shù)之間的融合將會成為一種必然趨勢。Wi-Fi（wireless fidelity）技術(shù)已經(jīng)成為日常生活中必不可少的無線通信技術(shù)之一。在熱點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)Wi-Fi與5G的融合組網(wǎng)將能更有效地起到對現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)分流的作用，同時可以大幅提高用戶體驗，是未來5G的發(fā)展方向之一。

無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network,WLAN）的出現(xiàn)將個人從家中或是辦公桌上解放出來，人們可以在賓館、公園、商店、咖啡廳、機場等任意兩點之間進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，隨時隨地獲取信息。自1997年IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的最初版本完成以來，此后的6年時間里，包括802.11b、802.11a、802.11g在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)使得WLAN 的應(yīng)用日趨廣泛并走向成熟。2007年2月，IEEE 802.11n的2.0草案確定，這一新標(biāo)準(zhǔn)的制定具有跨時代意義，在傳輸速率方面有了突破性的進(jìn)展，可以達(dá)到300 Mbps（20 MHz信道下）甚至600 Mbps（40 MHz信道下）。為應(yīng)對爆發(fā)性增長的流量需求以及提供良好的后向兼容性，被業(yè)界認(rèn)為是第五代Wi-Fi的IEEE 802.11ac呼之欲出。IEEE內(nèi)部設(shè)立了兩個項目工作組（Task Group,TG），以甚高吞吐率（Very High Throughput,VHT）為目標(biāo)，針對未來無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方向，提出兩個項目方案進(jìn)行立項研究——IEEE 802.11ac與 IEEE 802.11ad。2014年1月，802.11ac草案正式獲得通過。

IEEE 802.11ac協(xié)議在8條空間流、256QAM調(diào)制、5/6編碼碼率、160MHz 傳輸帶寬，400ns保護間隔的條件下，物理層傳輸速率可高達(dá)6933.3Mb/s。作為802.11n標(biāo)準(zhǔn)的一種延續(xù)，802.11ac在原有基礎(chǔ)上有很大改進(jìn)。除了使用關(guān)鍵的正交頻分復(fù)用、多輸入多輸出技術(shù)以及空時編碼之外，802.11ac還引入了多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)技術(shù)，可以使用更高階數(shù)的調(diào)制——256-QAM使得傳輸速率成倍提升。此外，802.11ac對于信道帶寬進(jìn)行了擴展，在802.11n的20MHz（可選 40 MHz）信道的基礎(chǔ)上增至40MHz、80MHz，甚至達(dá)到160MHz。物理層的幀結(jié)構(gòu)增加了VHT_SIG_B區(qū)域，用來描述所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度、調(diào)制方式和編碼策略（Modulation and Coding Scheme,MCS）以及單用戶/多用戶模式。當(dāng)然，滿足上述要求也面臨著復(fù)雜技術(shù)帶來的更大挑戰(zhàn)。

802.11ac能提供高速的傳輸速率、良好的用戶體驗等，但由于其機制的復(fù)雜性，系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的難度加大。目前802.11ac的設(shè)備在市場上還不是很多，本文研究基于IEEE 802.11ac的超高速WLAN系統(tǒng)，并借助NI-PXI平臺對其原型機進(jìn)行開發(fā)驗證，這對新一代Wi-Fi技術(shù)及5G技術(shù)的研究具有重要意義。

2.設(shè)計目標(biāo)

本文旨在NI-PXI平臺上實現(xiàn)一個基于IEEE802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)原型機。該系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)指標(biāo)如下所示：
1）系統(tǒng)基于IEEE 802.11ac協(xié)議；
2）系統(tǒng)運行在2.4GHz/5GHz頻段；
3）系統(tǒng)配置2個發(fā)射天線和2個接收天線；
4）系統(tǒng)的傳輸帶寬達(dá)到20MHz；
5）調(diào)制可選方式：BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，并可根據(jù)接收信噪比實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制；
6）系統(tǒng)頻譜效率：最高可達(dá)10 bit/s/Hz(在64QAM映射方式，碼率為‘5/6’的條件下)；
7）可以顯示解調(diào)后的接收星座圖；
8）可以實現(xiàn)視頻的高質(zhì)量傳輸。
原型機需要實現(xiàn)的IEEE 802.11ac協(xié)議物理層內(nèi)容有：
1）發(fā)射端： BCC編碼、流解析、調(diào)制、插入導(dǎo)頻、加CP、IFFT；
2）接收端：同步、去CP、FFT、信道估計與均衡、去導(dǎo)頻、解調(diào)、逆流解析、維特比譯碼。

3.基于NI的802.11ac超高速無線局域網(wǎng)原型機

3.1 概述
該項目需要達(dá)到百兆數(shù)量級的數(shù)據(jù)傳輸速率，因而需求高速率的數(shù)據(jù)處理，在硬件實現(xiàn)中，我們選擇了運用高性能FPGA來達(dá)到高速率的要求，然而開發(fā)這樣一個系統(tǒng)需要我們很好的掌握VHDL或者Verilog HDL語言。同時，該項目還涉及了射頻方面，這對我們來說也是一個巨大的困難，我們只希望將重點放在802.11ac協(xié)議的基帶設(shè)計上，NI的LabVIEW軟件及它的硬件平臺對我們來說是一個福音，解決了我們的所有煩惱，讓我們能專注于我們想專注的事，極大的縮短了我們的開發(fā)周期。

在下文中，我們將具體描述基于NI的802.11ac超高速無線局域網(wǎng)原型機。

3.2硬件平臺
原型機的硬件設(shè)計是基于NI-PXI平臺來進(jìn)行的，其硬件實物圖如下圖所示，兩塊FPGA板卡連接射頻適配器置于機箱中，該平臺主要包含機箱、控制器、FPGA模塊、射頻收發(fā)模塊四個部分，各模塊的性能及主要功能如下：

?

圖1 系統(tǒng)硬件平臺實物圖

（1）NI PXIe-1082機箱：采用的該機箱包含4個混合插槽, 3個PXI Express插槽, 1個PXI Express系統(tǒng)定時插槽，每插槽高達(dá)1 GB/s的專用帶寬和7 GB/s的系統(tǒng)帶寬，與PXI、PXI Express、CompactPCI和CompactPCI Express模塊兼容。機箱主要為控制器和各模塊提供了電源、冷卻以及PCI和PCI Express通信總線，此外還提供了一系列的I/O模塊插槽類型、集成外設(shè)。

（2）NI PXIe-8115控制器：本系統(tǒng)采用NI PXI-8115作為控制器，位于機箱最左側(cè)插槽。它是基于Intel Core i5-2510E處理器的高性能嵌入式控制器，適用于PXI系統(tǒng)。具有2.5 GHz基頻、3.1 GHz（單核Turbo Boost模式）雙核處理器和單通道1333 MHz DDR3內(nèi)存,配有以太網(wǎng)、串口等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可自行選擇操作系統(tǒng)，本設(shè)計選用了Windows系統(tǒng)。

（3）NI PXIe-7966R：針對無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，主要考慮數(shù)據(jù)的運算處理能力，選用FlexRIO模塊。它包含兩個主要部分：FPGA模塊和提供高性能模擬和數(shù)字I/O的FlexRIO適配器模塊。這些都可以被LabVIEW FPGA軟件配置。

其中FPGA模塊選用NI PXIe-7966R，它包含了一塊Virtex-5 SX95T FPGA和512 MB的板載DDR2雙端口RAM。這塊FPGA包含了640 DSP slices，可以用它來實現(xiàn)信號處理，數(shù)字濾波，F(xiàn)FT邏輯等。另外，板載的雙端口RAM理論吞吐量為3.2GB/s。PXIe-7966R支持高性能的P2P數(shù)據(jù)流傳輸。本系統(tǒng)中FPGA模塊主要實現(xiàn)發(fā)射端、接收端的基帶數(shù)據(jù)處理工作。

（4）NI 5791射頻適配器： NI 5791是一款具有200 MHz到4.4 GHz連續(xù)頻率覆蓋范圍的RF收發(fā)器，其中TX和RX端均具有100 MHz的瞬時帶寬。它具有單級轉(zhuǎn)向架構(gòu)，在NI FlexRIO適配器模塊的小巧組成結(jié)構(gòu)中提供了超高的帶寬。板載合成器（本地振蕩器）用于設(shè)定采集和生成的中心頻率，且可導(dǎo)出至其他模塊，以實現(xiàn)多輸入多輸出(MIMO)同步。用戶可直接訪問NI FlexRIO FPGA模塊的原始ADC和DAC數(shù)據(jù)。 此外，NI FlexRIO FPGA模塊和PXI平臺提供了一種實現(xiàn)通道擴展必需的ADC和DAC數(shù)據(jù)同步方法。

3.3系統(tǒng)設(shè)計
在這樣一個實時高速傳輸系統(tǒng)里，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計尤為重要，良好的架構(gòu)設(shè)計是系統(tǒng)正確運行的前提，也是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在，本文原型機整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，系統(tǒng)設(shè)計主要分為PC端設(shè)計、HOST端設(shè)計、FPGA端設(shè)計三個部分，PC端設(shè)計基于C#語言實現(xiàn)視頻的編解碼等工作，而HOST端和FPGA端設(shè)計主要是基于LabVIEW編程實現(xiàn)，前者負(fù)責(zé)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，后者?fù)責(zé)實現(xiàn)IEEE 802.11ac協(xié)議的物理層模塊。這三者之間也要進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。下文將對各個部分的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的敘述。

?

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.3.1 物理層數(shù)據(jù)通信
原型機物理層數(shù)據(jù)通信主要在PC端、HOST端和FPGA端之間進(jìn)行，其流向如圖3所示。系統(tǒng)發(fā)送端采用兩路數(shù)據(jù)流形式，因此需要兩塊FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)的生成并與發(fā)送射頻天線進(jìn)行對接。為完成無線數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)架構(gòu)中還配有數(shù)據(jù)發(fā)送用戶Local_PC以及數(shù)據(jù)接收用戶Remote_PC，另外還有一臺控制器Host作為中間載體，對數(shù)據(jù)的基帶收發(fā)處理進(jìn)行LabVIEW算法開發(fā)。假設(shè)傳送的數(shù)據(jù)為視頻流。首先，發(fā)送端Local_PC將視頻流數(shù)據(jù)封裝成U8格式并打包，F(xiàn)PGA1產(chǎn)生中斷向Host請求數(shù)據(jù)，Host得到該中斷請求后，向Local_PC產(chǎn)生新的中斷，以請求封裝好的數(shù)據(jù)。Local_PC等待中斷請求到來，即向Host發(fā)送U8數(shù)據(jù)包。Host獲得U8 數(shù)據(jù)后會響應(yīng)FPGA1的中斷，通過DMA_FIFO向FPGA2發(fā)送數(shù)據(jù)。FPGA2完成發(fā)送端基帶處理過程中的各模塊操作，形成兩路數(shù)據(jù)流。其中一路數(shù)據(jù)流通過P2P機制傳送給FPGA1。兩路數(shù)據(jù)流通過硬件接口發(fā)送至射頻卡中，在射頻卡中對數(shù)據(jù)流進(jìn)行射頻信號處理并通過發(fā)送天線發(fā)出；接收信號經(jīng)過射頻卡傳送至兩塊FPGA中，將FPGA2中的數(shù)據(jù)通過P2P傳送至 FPGA1中，在FPGA1中完成后續(xù)基帶接收過程，將處理完的比特流通過DMA_FIFO傳回Host，Host將數(shù)據(jù)傳給Remote_PC，在Remote_PC中顯示視頻流。

?

圖3 原型機物理層數(shù)據(jù)流向圖

3.3.2 HOST端設(shè)計
在此系統(tǒng)設(shè)計中，HOST端是連接PC，F(xiàn)PGA，射頻卡的重要紐帶。其主要完成工作為：
a. 完成對PC端視頻流的收發(fā)，這部分通過網(wǎng)線利用UDP協(xié)議，在這方面LabVIEW具有成熟的設(shè)計，調(diào)用并配置IP地址，包長參數(shù)等等。對于接收到的數(shù)據(jù)，考慮到Viterbi設(shè)計時的咬尾操作，必須對數(shù)據(jù)包進(jìn)行補零，利用數(shù)組轉(zhuǎn)換等設(shè)計完成，同樣對于發(fā)送給PC端的比特流，需要進(jìn)行去尾操作。

b.完成基帶參數(shù)的傳遞及DMA_FIFO的建立。需要考慮的基帶參數(shù)有：調(diào)制方式，每一幀的長度，Viterbi每個Block的長度。DMA_FIFO建立了兩個：HOST端的比特流傳遞給FPGA（HOST to Target），F(xiàn)PGA端的解出的比特流傳遞給HOST端（Target to HOST）。

c.完成射頻參數(shù)的傳遞，主要包含帶寬的選擇，載波頻率的選擇，直流偏置修復(fù)參數(shù)，發(fā)送功率值，放大器增益設(shè)置等。

d.還需完成兩塊FPGA板卡間數(shù)據(jù)傳輸及同步配置等問題，這一部分在FPGA設(shè)計中作詳細(xì)討論。

e.完成自動增益控制（AGC）和自適應(yīng)調(diào)制（AMC）功能模塊。

下面詳細(xì)討論一下HOST端主要功能模塊的實現(xiàn)。
（1）視頻流收發(fā)配置
PC與HOST之間的通信是通過UDP協(xié)議完成的。UDP有連接簡單，速度快的特點，只要保證發(fā)送端PC、NI-PXI的主控器、接收端PC三者都連接在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，即可利用UDP實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速通信。

HOST具體設(shè)置如下：發(fā)送端PC將本機IP地址設(shè)為回送地址192.168.1.7，目的IP地址設(shè)為HOST的實際地址，目的設(shè)備端口號設(shè)為12270。此外還需設(shè)置一個接收HOST發(fā)來的數(shù)據(jù)請求中斷的端口號，設(shè)其為2000；接收端PC將本機IP地址和遠(yuǎn)程設(shè)備IP地址均設(shè)為實際地址，再定義一個接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的端口號12271。這樣就可以利用Socket套接字進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸了。

（2）自適應(yīng)調(diào)制（AMC）方案
盡管高階調(diào)制、高編碼速率可以使頻譜效率提高，但這對通信系統(tǒng)的信噪比參數(shù)提出了較為嚴(yán)格的要求，如果噪聲能量達(dá)到一定程度會造成系統(tǒng)誤碼率上升，誤碼性能大大下降，從而降低了系統(tǒng)的吞吐量。為確保系統(tǒng)的有效吞吐性能，當(dāng)信噪比較低時，應(yīng)選擇低階調(diào)制方式與編碼速率，當(dāng)信噪比較高時，可以選擇高階調(diào)制方式與編碼速率。因此，設(shè)計采用自適應(yīng)調(diào)制(AMC)技術(shù)，在發(fā)射功率恒定的情況下，通過調(diào)整無線鏈路傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率確保鏈路的傳輸質(zhì)量。

實現(xiàn)AMC的過程需要穩(wěn)定的信號功率，這需要引入自動增益控制(AGC)技術(shù)以確保信號能量的穩(wěn)定性。在AGC的工作過程中，初始化功率p0讓射頻放大器得到初始化的放大系數(shù)，對于接收端來說，需要設(shè)置一個預(yù)期能量pref，用來確定AGC過程趨于穩(wěn)定時信號的能量。在通信過程中，當(dāng)信道環(huán)境發(fā)生變化時，接收信號的能量pr會不斷發(fā)生變化，調(diào)整功率參數(shù)pd也會隨之變化(pd是一個負(fù)值參數(shù)，用于控制射頻放大系數(shù))。接收信號能量降低時，接收天線的射頻放大器會提高放大系數(shù)，接收信號能量提高時，接收天線的射頻放大器會降低放大系數(shù)，這樣使得信號能量維持在預(yù)期能量pref附近。在通信過程的開始，調(diào)整功率參數(shù)pd可以任意設(shè)置。AGC過程中調(diào)整功率參數(shù)pd(對數(shù)形式)滿足公式(1)，其中pd_new為pd的更新值。

考慮采用BCC信道編碼方式的單用戶MIMO2×2系統(tǒng)，固定BCC編碼速率為1/2，一種簡單的AMC設(shè)置方案如下表所示，表中pd所在區(qū)間是在NI-PXI平臺上使用NI-5791射頻適配模塊進(jìn)行測試的一組參考區(qū)間，此時對應(yīng)的預(yù)期能量pref = -8dBm。

表1 AMC調(diào)制方式與調(diào)整功率參數(shù)pd的關(guān)系

pd所在區(qū)間(dB

選擇調(diào)制方式

?

(-27，-18)

?

BPSK

?

(-18，-12)

?

QPSK

?

(-12，-8)

?

16QAM

?

(-8，-5.5)

?

64QAM

?

(-5.5，-4)

?

256QAM