基于NI-PXI的下一代超高速无线局域网原型系统设计

1.引言

面向2020年以后的第五代移动通信技术（5G）是为满足日益增长的移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。根据移动通信的发展规律，5G将具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高，其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高。5G移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。5G不再是一种只拥有高速率、高能力、高效率的空口技术，而是一种能够应对不同业务需求并不断提高用户体验的智能网络，5G与其他无线移动通信技术之间的融合将会成为一种必然趋势。Wi-Fi（wireless fidelity）技术已经成为日常生活中必不可少的无线通信技术之一。在热点区域实现Wi-Fi与5G的融合组网将能更有效地起到对现有蜂窝网分流的作用，同时可以大幅提高用户体验，是未来5G的发展方向之一。

无线局域网（Wireless Local Area Network,WLAN）的出现将个人从家中或是办公桌上解放出来，人们可以在宾馆、公园、商店、咖啡厅、机场等任意两点之间进行联网，随时随地获取信息。自1997年IEEE 802.11标准的最初版本完成以来，此后的6年时间里，包括802.11b、802.11a、802.11g在内的标准使得WLAN 的应用日趋广泛并走向成熟。2007年2月，IEEE 802.11n的2.0草案确定，这一新标准的制定具有跨时代意义，在传输速率方面有了突破性的进展，可以达到300 Mbps（20 MHz信道下）甚至600 Mbps（40 MHz信道下）。为应对爆发性增长的流量需求以及提供良好的后向兼容性，被业界认为是第五代Wi-Fi的IEEE 802.11ac呼之欲出。IEEE内部设立了两个项目工作组（Task Group,TG），以甚高吞吐率（Very High Throughput,VHT）为目标，针对未来无线网络应用方向，提出两个项目方案进行立项研究——IEEE 802.11ac与 IEEE 802.11ad。2014年1月，802.11ac草案正式获得通过。

IEEE 802.11ac协议在8条空间流、256QAM调制、5/6编码码率、160MHz 传输带宽，400ns保护间隔的条件下，物理层传输速率可高达6933.3Mb/s。作为802.11n标准的一种延续，802.11ac在原有基础上有很大改进。除了使用关键的正交频分复用、多输入多输出技术以及空时编码之外，802.11ac还引入了多用户多输入多输出(MU-MIMO)技术，可以使用更高阶数的调制——256-QAM使得传输速率成倍提升。此外，802.11ac对于信道带宽进行了扩展，在802.11n的20MHz（可选 40 MHz）信道的基础上增至40MHz、80MHz，甚至达到160MHz。物理层的帧结构增加了VHT_SIG_B区域，用来描述所要传输的数据长度、调制方式和编码策略（ModulaTIon and Coding Scheme,MCS）以及单用户/多用户模式。当然，满足上述要求也面临着复杂技术带来的更大挑战。

802.11ac能提供高速的传输速率、良好的用户体验等，但由于其机制的复杂性，系统硬件实现的难度加大。目前802.11ac的设备在市场上还不是很多，本文研究基于IEEE 802.11ac的超高速WLAN系统，并借助NI-PXI平台对其原型机进行开发验证，这对新一代Wi-Fi技术及5G技术的研究具有重要意义。

2.设计目标

本文旨在NI-PXI平台上实现一个基于IEEE802.11ac标准的系统原型机。该系统设计的参数指标如下所示：
1）系统基于IEEE 802.11ac协议；
2）系统运行在2.4GHz/5GHz频段；
3）系统配置2个发射天线和2个接收天线；
4）系统的传输带宽达到20MHz；
5）调制可选方式：BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，并可根据接收信噪比实现自适应调制；
6）系统频谱效率：最高可达10 bit/s/Hz(在64QAM映射方式，码率为‘5/6’的条件下)；
7）可以显示解调后的接收星座图；
8）可以实现视频的高质量传输。
原型机需要实现的IEEE 802.11ac协议物理层内容有：
1）发射端： BCC编码、流解析、调制、插入导频、加CP、IFFT；
2）接收端：同步、去CP、FFT、信道估计与均衡、去导频、解调、逆流解析、维特比译码。

3.基于NI的802.11ac超高速无线局域网原型机

3.1 概述
该项目需要达到百兆数量级的数据传输速率，因而需求高速率的数据处理，在硬件实现中，我们选择了运用高性能FPGA来达到高速率的要求，然而开发这样一个系统需要我们很好的掌握VHDL或者Verilog HDL语言。同时，该项目还涉及了射频方面，这对我们来说也是一个巨大的困难，我们只希望将重点放在802.11ac协议的基带设计上，NI的LabVIEW软件及它的硬件平台对我们来说是一个福音，解决了我们的所有烦恼，让我们能专注于我们想专注的事，极大的缩短了我们的开发周期。

在下文中，我们将具体描述基于NI的802.11ac超高速无线局域网原型机。

3.2硬件平台
原型机的硬件设计是基于NI-PXI平台来进行的，其硬件实物图如下图所示，两块FPGA板卡连接射频适配器置于机箱中，该平台主要包含机箱、控制器、FPGA模块、射频收发模块四个部分，各模块的性能及主要功能如下：

 

图1 系统硬件平台实物图

（2）NI PXIe-8115控制器：本系统采用NI PXI-8115作为控制器，位于机箱最左侧插槽。它是基于Intel Core i5-2510E处理器的高性能嵌入式控制器，适用于PXI系统。具有2.5 GHz基频、3.1 GHz（单核Turbo Boost模式）双核处理器和单通道1333 MHz DDR3内存,配有以太网、串口等标准设备，可自行选择 *** 作系统，本设计选用了Windows系统。

（3）NI PXIe-7966R：针对无线局域网的数据传输，主要考虑数据的运算处理能力，选用FlexRIO模块。它包含两个主要部分：FPGA模块和提供高性能模拟和数字I/O的FlexRIO适配器模块。这些都可以被LabVIEW FPGA软件配置。

其中FPGA模块选用NI PXIe-7966R，它包含了一块Virtex-5 SX95T FPGA和512 MB的板载DDR2双端口RAM。这块FPGA包含了640 DSP slices，可以用它来实现信号处理，数字滤波，FFT逻辑等。另外，板载的双端口RAM理论吞吐量为3.2GB/s。PXIe-7966R支持高性能的P2P数据流传输。本系统中FPGA模块主要实现发射端、接收端的基带数据处理工作。

（4）NI 5791射频适配器： NI 5791是一款具有200 MHz到4.4 GHz连续频率覆盖范围的RF收发器，其中TX和RX端均具有100 MHz的瞬时带宽。它具有单级转向架构，在NI FlexRIO适配器模块的小巧组成结构中提供了超高的带宽。板载合成器（本地振荡器）用于设定采集和生成的中心频率，且可导出至其他模块，以实现多输入多输出(MIMO)同步。用户可直接访问NI FlexRIO FPGA模块的原始ADC和DAC数据。 此外，NI FlexRIO FPGA模块和PXI平台提供了一种实现通道扩展必需的ADC和DAC数据同步方法。

3.3系统设计
在这样一个实时高速传输系统里，系统架构设计尤为重要，良好的架构设计是系统正确运行的前提，也是提高系统性能的关键所在，本文原型机整个系统的结构框架如图2所示，系统设计主要分为PC端设计、HOST端设计、FPGA端设计三个部分，PC端设计基于C#语言实现视频的编解码等工作，而HOST端和FPGA端设计主要是基于LabVIEW编程实现，前者负责参数配置、数据传输等工作，后者负责实现IEEE 802.11ac协议的物理层模块。这三者之间也要进行数据同步。下文将对各个部分的设计进行详细的叙述。

 

图2 系统总体架构图

3.3.1 物理层数据通信
原型机物理层数据通信主要在PC端、HOST端和FPGA端之间进行，其流向如图3所示。系统发送端采用两路数据流形式，因此需要两块FPGA进行数据的生成并与发送射频天线进行对接。为完成无线数据的传输，系统架构中还配有数据发送用户Local_PC以及数据接收用户Remote_PC，另外还有一台控制器Host作为中间载体，对数据的基带收发处理进行LabVIEW算法开发。假设传送的数据为视频流。首先，发送端Local_PC将视频流数据封装成U8格式并打包，FPGA1产生中断向Host请求数据，Host得到该中断请求后，向Local_PC产生新的中断，以请求封装好的数据。Local_PC等待中断请求到来，即向Host发送U8数据包。Host获得U8 数据后会响应FPGA1的中断，通过DMA_FIFO向FPGA2发送数据。FPGA2完成发送端基带处理过程中的各模块 *** 作，形成两路数据流。其中一路数据流通过P2P机制传送给FPGA1。两路数据流通过硬件接口发送至射频卡中，在射频卡中对数据流进行射频信号处理并通过发送天线发出；接收信号经过射频卡传送至两块FPGA中，将FPGA2中的数据通过P2P传送至 FPGA1中，在FPGA1中完成后续基带接收过程，将处理完的比特流通过DMA_FIFO传回Host，Host将数据传给Remote_PC，在Remote_PC中显示视频流。

 

图3 原型机物理层数据流向图

3.3.2 HOST端设计
在此系统设计中，HOST端是连接PC，FPGA，射频卡的重要纽带。其主要完成工作为：
a. 完成对PC端视频流的收发，这部分通过网线利用UDP协议，在这方面LabVIEW具有成熟的设计，调用并配置IP地址，包长参数等等。对于接收到的数据，考虑到Viterbi设计时的咬尾 *** 作，必须对数据包进行补零，利用数组转换等设计完成，同样对于发送给PC端的比特流，需要进行去尾 *** 作。

b.完成基带参数的传递及DMA_FIFO的建立。需要考虑的基带参数有：调制方式，每一帧的长度，Viterbi每个Block的长度。DMA_FIFO建立了两个：HOST端的比特流传递给FPGA（HOST to Target），FPGA端的解出的比特流传递给HOST端（Target to HOST）。

c.完成射频参数的传递，主要包含带宽的选择，载波频率的选择，直流偏置修复参数，发送功率值，放大器增益设置等。

d.还需完成两块FPGA板卡间数据传输及同步配置等问题，这一部分在FPGA设计中作详细讨论。

e.完成自动增益控制（AGC）和自适应调制（AMC）功能模块。

下面详细讨论一下HOST端主要功能模块的实现。
（1）视频流收发配置
PC与HOST之间的通信是通过UDP协议完成的。UDP有连接简单，速度快的特点，只要保证发送端PC、NI-PXI的主控器、接收端PC三者都连接在同一个局域网内，即可利用UDP实现数据的高速通信。

HOST具体设置如下：发送端PC将本机IP地址设为回送地址192.168.1.7，目的IP地址设为HOST的实际地址，目的设备端口号设为12270。此外还需设置一个接收HOST发来的数据请求中断的端口号，设其为2000；接收端PC将本机IP地址和远程设备IP地址均设为实际地址，再定义一个接收远程数据的端口号12271。这样就可以利用Socket套接字进行UDP数据的发送和传输了。

（2）自适应调制（AMC）方案
尽管高阶调制、高编码速率可以使频谱效率提高，但这对通信系统的信噪比参数提出了较为严格的要求，如果噪声能量达到一定程度会造成系统误码率上升，误码性能大大下降，从而降低了系统的吞吐量。为确保系统的有效吞吐性能，当信噪比较低时，应选择低阶调制方式与编码速率，当信噪比较高时，可以选择高阶调制方式与编码速率。因此，设计采用自适应调制(AMC)技术，在发射功率恒定的情况下，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率确保链路的传输质量。

实现AMC的过程需要稳定的信号功率，这需要引入自动增益控制(AGC)技术以确保信号能量的稳定性。在AGC的工作过程中，初始化功率p0让射频放大器得到初始化的放大系数，对于接收端来说，需要设置一个预期能量pref，用来确定AGC过程趋于稳定时信号的能量。在通信过程中，当信道环境发生变化时，接收信号的能量pr会不断发生变化，调整功率参数pd也会随之变化(pd是一个负值参数，用于控制射频放大系数)。接收信号能量降低时，接收天线的射频放大器会提高放大系数，接收信号能量提高时，接收天线的射频放大器会降低放大系数，这样使得信号能量维持在预期能量pref附近。在通信过程的开始，调整功率参数pd可以任意设置。AGC过程中调整功率参数pd(对数形式)满足公式(1)，其中pd_new为pd的更新值。

考虑采用BCC信道编码方式的单用户MIMO2×2系统，固定BCC编码速率为1/2，一种简单的AMC设置方案如下表所示，表中pd所在区间是在NI-PXI平台上使用NI-5791射频适配模块进行测试的一组参考区间，此时对应的预期能量pref = -8dBm。

表1 AMC调制方式与调整功率参数pd的关系

pd所在区间(dB

选择调制方式

 

(-27，-18)

 

BPSK

 

(-18，-12)

 

QPSK

 

(-12，-8)

 

16QAM

 

(-8，-5.5)

 

64QAM

 

(-5.5，-4)

 

256QAM