基于WARP的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)設(shè)計(jì)

孫彥景， 陳 巖， 王艷芬, 李 松， 施文娟,2

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2. 鹽城師范學(xué)院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院， 江蘇 鹽城 224002)

基于WARP的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)設(shè)計(jì)

孫彥景1， 陳 巖1， 王艷芬1, 李 松1， 施文娟1,2

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2. 鹽城師范學(xué)院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院， 江蘇 鹽城 224002)

針對(duì)無(wú)線通信研究與教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟硬件分離導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確與實(shí)驗(yàn)效果不直觀問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Matlab與Wireless Open Access Research Platform(WARP)的可視化實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。該平臺(tái)基于WARPLAB環(huán)境，并以802.11 n物理層標(biāo)準(zhǔn)為原型實(shí)現(xiàn)了2×2 MIMO-OFDM傳輸系統(tǒng)。基于該平臺(tái)可以進(jìn)行MIMO無(wú)線通信、信源編解碼、實(shí)測(cè)信道參數(shù)與OFDM無(wú)線通信理論等研究教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

無(wú)線通信； 實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)； WARP； 802.11n

將新技術(shù)應(yīng)用到研究與教學(xué)中可以有效提高研究效率與教學(xué)效果。在傳統(tǒng)的無(wú)線通信研究中,大量研究人員單純采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真研究,然而當(dāng)前無(wú)線通信研究面臨多接入、多阻礙、多干擾、多場(chǎng)景(如隧道、礦井等)等問(wèn)題,單純進(jìn)行仿真研究得到的結(jié)果可靠性不夠高。同時(shí)高校無(wú)線通信教學(xué)實(shí)驗(yàn)中軟硬件分離,實(shí)驗(yàn)效果不夠直觀,學(xué)生無(wú)法直觀理解無(wú)線通信系統(tǒng)中各部分作用,教學(xué)效果不理想。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)[1-2]。本文基于WARP[3]與Matlab研究設(shè)計(jì)了可視化的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái),結(jié)合當(dāng)前無(wú)線寬帶通信的核心技術(shù)MIMO-OFDM實(shí)現(xiàn)。研究人員利用該實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)可以進(jìn)行無(wú)線通信系統(tǒng)中從信源、信道到信宿等內(nèi)容的系列化研究,也可以對(duì)特定通信環(huán)境進(jìn)行原始信道數(shù)據(jù)參數(shù)采集,有利于研究的進(jìn)一步開(kāi)展。另一方面,MIMO-OFDM作為當(dāng)前主流通信技術(shù),其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中包含許多無(wú)線通信的基礎(chǔ)理論知識(shí),高校無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以利用該平臺(tái)幫助學(xué)生直觀理解無(wú)線通信系統(tǒng)各過(guò)程的作用并掌握相關(guān)理論。

1 實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)軟件與硬件相結(jié)合,基于WARPLAB環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),主要由編程實(shí)現(xiàn)的MIMO-OFDM系統(tǒng)信號(hào)處理模塊、可視化界面及其對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)、兩塊分別用于收發(fā)的WARP(節(jié)點(diǎn))與一臺(tái)用于數(shù)據(jù)與指令傳輸?shù)腉bit交換機(jī)組成。圖1為該實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)的系統(tǒng)框圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)系統(tǒng)框圖

1.1 WARP簡(jiǎn)介

WARP是基于Xilinx FPGA設(shè)計(jì)的開(kāi)放式無(wú)線研究平臺(tái),能夠滿足研究人員從最底層開(kāi)始定制無(wú)線通信研究平臺(tái)的需求。本實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)基于其中的WARPLAB環(huán)境,它是WARP項(xiàng)目推出的利用PC端Matlab聯(lián)合硬件平臺(tái)的無(wú)線通信研究環(huán)境,該環(huán)境利用Matlab來(lái)完成數(shù)據(jù)處理的理論運(yùn)算,通過(guò)以太網(wǎng)(Ethernet)向WARP發(fā)送數(shù)據(jù)與指令完成發(fā)送與接收實(shí)測(cè)。

圖2是WARPLAB環(huán)境搭建方式,由一個(gè)PC端控制多個(gè)WARP節(jié)點(diǎn),分別配置各節(jié)點(diǎn)為不同工作模式。圖3為根據(jù)這一模式所搭建的兩節(jié)點(diǎn)實(shí)際硬件平臺(tái)。

圖2 WARPLAB多節(jié)點(diǎn)環(huán)境

圖3 硬件平臺(tái)

1.2 MIMO-OFDM系統(tǒng)

MIMO-OFDM是在OFDM的基礎(chǔ)上采用多天線傳輸,在實(shí)現(xiàn)中需在解決OFDM所面臨的符號(hào)同步、偏差糾正、信道估計(jì)等基礎(chǔ)上針對(duì)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行信道估計(jì)與均衡[4]。針對(duì)上述問(wèn)題,802.11n提供的方案是利用訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行解決。

802.11n物理層幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是在802.11a基礎(chǔ)上擴(kuò)充而來(lái),本文針對(duì)硬件平臺(tái)特性,采用2×2 MIMO方式,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用V-BLAST結(jié)構(gòu)。根據(jù)802.11n標(biāo)準(zhǔn)[5],采用的訓(xùn)練符號(hào)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4,其中STS表示用于硬件自動(dòng)增益控制調(diào)節(jié)的短訓(xùn)練符號(hào)；LTS是接收端用于誤差糾正與信道估計(jì)的長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào)；LST_B是用來(lái)消除接收端利用長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行符號(hào)同步時(shí)由前期自動(dòng)增益采樣所帶來(lái)的偶然性誤差。

圖4 2×2 MIMO-OFDM前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)結(jié)構(gòu)

接收端符號(hào)同步采用SC算法[6],利用LST翻轉(zhuǎn)的共軛復(fù)數(shù)與接收數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積計(jì)算,在相關(guān)性最大處可以得到峰值,據(jù)此來(lái)進(jìn)行初步符號(hào)同步。

載波頻率偏差采用Moose算法[7]進(jìn)行糾正,利用接收到的兩路頻域LTS作為參考數(shù)據(jù)；之后利用OFDM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的4路的導(dǎo)頻信息糾正補(bǔ)償殘存的頻率偏差與相位誤差。

當(dāng)前對(duì)于采樣頻率誤差估計(jì)的研究較少,且原有的估計(jì)算法存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜或估計(jì)不準(zhǔn)確、誤差率高等問(wèn)題[8-9],設(shè)計(jì)采用文獻(xiàn)[10]提出的基于導(dǎo)頻易于實(shí)現(xiàn)的誤差估計(jì)算法。

信道估計(jì)在頻域基于訓(xùn)練符號(hào)完成,常用的有最小二乘法(LS)和最小均方誤差法(MMSE)[5]。MMSE算法性能優(yōu)于LS算法,但其復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大余LS算法,且需要知道信道的相關(guān)值,但在實(shí)際使用中難以取得[11]。所以本設(shè)計(jì)采用LS算法。最終計(jì)算方式見(jiàn)式(1),其中RLTS為接收到的長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào),LTS為原發(fā)送訓(xùn)練符號(hào)。

(1)

1.3 可視化平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)基于WARPLAB環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),因此采用Matlab GUI來(lái)完成可視化平臺(tái)的編寫(xiě)與實(shí)現(xiàn)。Matlab由于其強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理與仿真建模功能為大部分研究人員所采用,也是國(guó)內(nèi)大量高校在教學(xué)過(guò)程中主要使用的教學(xué)軟件[12],因此不需要專(zhuān)門(mén)學(xué)習(xí)即可以快速、高效地利用該平臺(tái)進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

可視化平臺(tái)的主要功能是完成WARPLAB環(huán)境配置、發(fā)送數(shù)據(jù)選取、調(diào)用MIMO-OFDM通信系統(tǒng)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、硬件參數(shù)配置、過(guò)程與結(jié)果信息顯示等。可視化平臺(tái)的回調(diào)函數(shù)通過(guò)調(diào)用WARPLAB提供的庫(kù)函數(shù)并利用UDP協(xié)議，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)與指令的傳輸,主要涉及節(jié)點(diǎn)功能配置、配置收發(fā)節(jié)點(diǎn)的天線功能與天線對(duì)應(yīng)的收發(fā)寄存器使能與數(shù)據(jù)讀取寫(xiě)入。可視化平臺(tái)的回調(diào)函數(shù)通過(guò)調(diào)用編寫(xiě)的通信系統(tǒng)各模塊算法完成無(wú)線通信傳輸過(guò)程中除收發(fā)之外的所有數(shù)據(jù)處理過(guò)程。針對(duì)WARPLAB環(huán)境特性收發(fā)數(shù)據(jù)必須為正交數(shù)據(jù),因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)之前必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交調(diào)制。

圖5為所編寫(xiě)的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面,平臺(tái)可以直接設(shè)置選取WARP節(jié)點(diǎn)基本參數(shù)配置WARPLAB環(huán)境,如圖5中環(huán)境參數(shù)配置部分。平臺(tái)可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行方式、正交調(diào)制類(lèi)型、收發(fā)模式與運(yùn)行模式,針對(duì)運(yùn)行模式中的教學(xué)模式可以對(duì)MIMO-OFDM通信系統(tǒng)中的各種誤差糾錯(cuò)模塊選擇是否加載,也可以控制發(fā)射天線功率增益,有利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中幫助學(xué)生直觀理解通信系統(tǒng)各過(guò)程。研究模式下程序按照實(shí)際通信系統(tǒng)運(yùn)行,研究人員可以通過(guò)替換部分原有的算法處理模塊來(lái)進(jìn)行算法驗(yàn)證研究。平臺(tái)顯示系統(tǒng)包括收發(fā)圖片、符號(hào)同步效果、收發(fā)星座圖、信道估計(jì)、矢量幅度誤差，并以數(shù)值形式顯示信噪比、誤碼數(shù)、誤比特?cái)?shù)與對(duì)應(yīng)總值,通過(guò)性能分析可以輸出多次實(shí)驗(yàn)中信噪比與誤碼率關(guān)系。圖6為平臺(tái)使用中符號(hào)同步和手法星座圖顯示圖。

圖5 可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

2 實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)使用

利用該實(shí)驗(yàn)研究可以進(jìn)行包含通信系統(tǒng)中信源至信宿的所有過(guò)程的研究,包括信源編解碼、信道編解碼、信道估計(jì)、誤差糾錯(cuò)方法研究等。實(shí)現(xiàn)過(guò)程僅需要修改簡(jiǎn)單添加、修改主程序中算法調(diào)用步驟與簡(jiǎn)單修改前后函數(shù)的接口函數(shù)。比如進(jìn)行信源編碼研究可在圖片像素點(diǎn)提取算法之后加入所設(shè)計(jì)的編碼模塊接收像素點(diǎn)提取模塊輸出，并將編碼結(jié)果輸出到下一步執(zhí)行函數(shù),最后在接收端對(duì)應(yīng)部分添加解碼模塊即可。針對(duì)誤差糾錯(cuò)算法研究可以在原有算法上進(jìn)行修改或直接替換即可運(yùn)行。平臺(tái)還可以利用方便移動(dòng)的天線對(duì)信道環(huán)境進(jìn)行測(cè)量。

該平臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)可以用于OFDM無(wú)線通信理論教學(xué),通過(guò)顯示通信過(guò)程中符號(hào)同步與星座圖等幫助學(xué)生掌握相應(yīng)的通信理論,同時(shí)可以通過(guò)勾選與配置誤差處理方法之后觀察效果圖,使學(xué)生對(duì)相應(yīng)的誤差影響與糾錯(cuò)作用理解更直觀。在相關(guān)理論部分可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)算法進(jìn)行簡(jiǎn)單修改,通過(guò)觀察實(shí)際效果可以幫助學(xué)生有效地理解,加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。

3 平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 系統(tǒng)傳輸鏈路采用802.11n物理層傳輸標(biāo)準(zhǔn),MIMO-OFDM是當(dāng)前無(wú)線通信物理層核心技術(shù),是當(dāng)前無(wú)線通信研究的切入點(diǎn),這一通信鏈路的搭建有利于進(jìn)一步進(jìn)行研究。MIMO-OFDM包含許多無(wú)線通信理論,用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于幫助學(xué)生掌握相關(guān)理論,并跟上通信研究方向。

(2) 系統(tǒng)軟硬件結(jié)合,信息在實(shí)際信道傳輸,較傳統(tǒng)的軟件仿真研究結(jié)果更加具有說(shuō)服力。

(3) 實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)展容易,平臺(tái)主要基于Matlab實(shí)現(xiàn)。Matlab由于其強(qiáng)大的數(shù)字信息處理能力與使用靈活性被很多研究人員和高校教學(xué)所采用,因此平臺(tái)使用無(wú)門(mén)檻。

(4) 該實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)易于擴(kuò)展改進(jìn),平臺(tái)將通信系統(tǒng)模塊化,研究人員可以較為靈活地進(jìn)行系統(tǒng)模塊算法改進(jìn)與增加其他處理模塊研究。

(5) 中間過(guò)程顯示直觀。平臺(tái)通過(guò)圖形方式顯示通信系統(tǒng)過(guò)程誤差糾錯(cuò)、符號(hào)同步與星座圖等效果圖,用在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)選取有無(wú)誤差處理方式等參數(shù)改變顯示效果,可以幫助學(xué)生直觀理解相應(yīng)差錯(cuò)的影響與糾錯(cuò)算法原理作用。

4 結(jié)語(yǔ)

基于WARP的MIMO-OFDM實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)提供一種新型高效的實(shí)驗(yàn)研究模式。平臺(tái)軟硬件結(jié)合,既可以進(jìn)行仿真研究,也可以進(jìn)行實(shí)際收發(fā)信道研究測(cè)試,研究結(jié)果更加真實(shí)可靠。研究人員可以利用平臺(tái)進(jìn)行無(wú)線通信系統(tǒng)中各模塊算法理論研究與測(cè)試,也可以在該實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)基礎(chǔ)上深入研究,減少基礎(chǔ)模型搭建的時(shí)間,提高研究效率。同時(shí)平臺(tái)可以作為系統(tǒng)原型幫助研發(fā)人員進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)測(cè)試。平臺(tái)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)可以與相關(guān)課程進(jìn)行結(jié)合使用,學(xué)生能夠自己搭建通信系統(tǒng)模型,實(shí)驗(yàn)效果直觀,可以幫助學(xué)生在實(shí)際通信環(huán)境中學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識(shí)。

致謝：感謝南京南瑞繼保電氣有限公司對(duì)本研究的資助。

References)

[1] 楊宇紅,袁焱,田礫,等.基于軟件無(wú)線電平臺(tái)的通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(4):186-188.

[2] 邢鑫,趙慧. 基于LabVI EW和USR P的軟件無(wú)線電通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(5)：160-164.

[3] Rice University WARP Project[EB/OL].[2016-10-21].Available:http://warpproject.org/trac/.

[4] Yong Soo Cho,Jaekwon Kim,等著. MIMO-OFDM無(wú)線通信技術(shù)及MATALB實(shí)現(xiàn)[M].孫鍇,黃威,譯.北京：電子工業(yè)出版社,2013.

[5] IEEE.IEEEstd 802.11n-2009 Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control( MAC ) and Physical Layer( PHY ) specifications Amendment 5 : Enhancements for Higher Throughputp[S].2009.

[6] Schmidl T M,Cox D C. Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM[J]. IEEE Transactions on Communications,1998,45(12):1613-1621.

[7] Moose P H. A Technique for Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Frequency Offset Correction[J].IEEE Transactions on Communications,1994,42(10):2908-2914.

[8] Wu Y,Zhao Y,Li D. Sampling Frequency Offset Estimation for Pilot-Aided OFDM Systems in Mobile Environment[J]. Wireless Personal Communications,2012,62(1):215-226.

[9] Sliskovic M. Sampling frequency offset estimation and correction in OFDM systems[C]// The IEEE International Conference on Electronics,Circuits and Systems. 2001:437-440 .

[10] 曲亮,史治國(guó),顧宇杰,等. 易于硬件實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)采樣頻率同步算法[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007,41(6):935-940.

[11] 崔麗珍,孫瑞璇. 基于IEEE 802.11a的OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)算法研究及實(shí)現(xiàn)[J]. 電視技術(shù),2012,36(15):97-99.

[12] 王艷芬,張曉光,李劍. 加強(qiáng)Matlab實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),促進(jìn)研究性課程教學(xué)改革[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(11):111-113.

Design of experimental research platform for wireless communication based on WARP

Sun Yanjing1， Chen Yan1， Wang Yanfen1， Li Song1， Shi Wenjuan1,2

(1. School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China; 2. College of Physical Science and Electronic Technology，Yancheng Teachers University，Yancheng 224002，China)

Aiming at the problem that the experimental results are inaccurate and non-intuitive, which are brought about by the separation of the wireless communication research from the hardware and software of the teaching experiment, a visualized experimental research platform is designed and realized on the basis of Matlab and WARP(wireless open access research platform). The platform is based on WARPLAB environment, and by using the 802.11n physical layer standard as the prototype, 2×2 MIMO-OFDM transmission system is achieved. Based on this platform, the research, teaching and experimental activities can be carried out for the MIMO wireless communication, the signal source coding and decoding, the real measurement of the signal channel parameters, the OFDM wireless communication theory, etc.

wireless communication; experimental research platform; WARP; 802.11n

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.019

2016-10-25 修改日期：2016-12-08

江蘇省高等教育教改研究立項(xiàng)課題(2015JSJG275)；教育部第六批國(guó)家特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(TSlZ293)；全國(guó)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生教育教改項(xiàng)目(2016-ZX-224)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)改革項(xiàng)目(201208)

孫彥景(1977—)，男，江蘇徐州，博士，教授，主要從事無(wú)線通信與嵌入式系統(tǒng)方面的科研和教學(xué)工作.

E-mail：yanjingsun_cn@163.com

TN911；G484

A

1002-4956(2017)4-0074-04