WiMAX系統實時仿真平臺的分析研究

曾長隆 ，魏國慶 ，何 鵬 ，梅 伶

（1.重慶金美通信有限責任公司，重慶400030；2.重慶市科能高級技工學校信息中心，重慶400037）

1 引言

實時信號處理技術，即實時地及時完成各種操作，在無線通信領域得到越來越多的應用，以OFDM系統為例，一個實時仿真平臺，可以隨時監控系統當中的數據運行情況，包括數據流傳輸、時頻二維數據分析、信道質量等，作為輔助手段很好地確保分析系統的穩定性。隨著高性能DSP以及FPGA等處理器技術的發展，采用多個處理器并行處理是提高系統處理能力的有效途徑，因此系統中大量數據高速實時傳輸成為一項關鍵技術[1]。

實時信號處理的仿真平臺可以分為軟件仿真平臺和硬件仿真平臺。目前，已有大量文獻對通信系統實時仿真平臺進行了研究，從不同角度提出了多種解決方法。文獻[2-4]以MATLAB的Simulink模塊建立系統仿真模型，進行系統分析，以良好的實時性分析物理層每個模塊的運行情況，但它是脫離硬件平臺而運行的。文獻[5]基于以太網數據傳輸系統，可以實時傳輸數據，但只能是子模塊，不能看到全套系統數據。文獻[6]基于DSP和FPGA硬件實時信號處理，硬件操作，不能對相關PHY層算法分析處理。基于上述情況，通過軟件和硬件結合的方式，研究一套基于OFDM系統的實時仿真平臺。首先簡要介紹實時仿真系統的基本框架，然后對重點模塊展開說明，最后對實時仿真系統進行仿真和結果驗證。

2 系統模型

一個典型的WiMAX實時仿真系統的流程框圖如圖1所示。如圖，當物理層處在高速通信過程當中，若出現信號通信質量不好的狀況，需要對物理層信號進行信號分析，那么就要實時采集當前PHY層的信號。在PC端使用由MFC編寫的消息界面，通過以太網，對MAC發布要采集數據的命令，MAC收到命令之后，通過IPC消息，對PHY層發出采集數據類型命令，DSP收到消息后，立即進行處理，傳輸當前接收到命令的模塊輸出數據到PC端，由MATLAB仿真軟件對PC端數據文件進行物理層仿真，分析當前信號。

圖1 系統仿真平臺框圖

3 模塊分析

3.1 接口消息

PC端通過界面發出需要采集的數據類型消息命令，來采集系統所需要的數據，并進行分析處理。PC端界面傳輸消息命令的接口類型如表1所示；消息傳輸界面如圖2。

表1 PC端發送消息類型

圖2 PC端消息傳輸界面

3.2 DMA控制模塊概述

DSP中數據傳輸模塊為DMA，當DSP核工作時，DMA控制器使能數據的傳輸，它能通過總線傳輸數據到M2、M3和DDR SDRAM。多達16個數據通道，每個通道能被DSP子系統調用，也可被2個外部RapidIO和PCIe接口調用。所有的通道可以進行復數數據移動和交互。DMA控制器支持智能仲裁算法，如輪轉使用基于定時器機制的截止期最早優先算法，也支持應用開發和測試的調試模式[7]。DMA的工作流程如圖3所示。MAC層通過IPC發送讀取數據的消息給DSP，DSP啟動DMA模塊，將DSP系統內存當中的數據傳輸到DSP與PA端共享內存當中，同時DSP通過IPC響應消息給MAC，告訴MAC層可以取數據了。

圖3 DMA工作流程

3.3 Socket網絡通信

Socket（套接字）是建立在傳輸層協議（主要是TCP和UDP協議）上的一種套接字規范，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈句柄。應用程序通常通過Socket向網絡發出請求或者應答網絡請求[8]。如圖1中的PC機即是通過Socket傳遞消息和應答請求，以及需要傳輸的數據的。

3.4 物理層仿真系統說明

PC機采集到實時射頻數據，生成的射頻數據文件，即可以通過仿真系統加載射頻文件，分析當前物理層譯碼情況。射頻數據格式分為實部和虛部，分別以I、Q來表示，所接收的數據表示為D，單位為字節。WiMAX物理層仿真系統界面如圖4。其工作流程可歸納為以下4點：

1)通過加載的射頻文件，進行子模塊數據分析，包含收端信號頻譜分析、FFT輸出數據分析、插值結果分析、均衡輸出數據分析、解調軟信息分析以及最后的譯碼結果分析等，在圖形界面當中顯示得出系統的分析可視化結果；

圖4 收端物理層仿真系統界面

2)通過不同的算法比較分析譯碼性能，有效提升系統仿真分析效果；

3)以信噪比和場強顯示當前信道質量，用以指導判斷系統性能；

4)通過收端計算出同步參數，判斷相關峰的同步位置信息、頻偏信息，為后續譯碼提供參考。

4 系統仿真

物理層協議以WiMAX協議為例，驗證該仿真分析系統在通信當中的有效性，分別通過ping包通信和灌包查看流量的方式說明仿真系統作為測試工具在系統中所起的作用。當系統出現ping包通信掉包或者系統流量異常的情況下，通過仿真平臺對采集到的系統物理層數據進行分析。

下行調制階數為QPSK 1/2時，進行數據ping包通信。在系統運行過程當中，發現丟包現象，如圖5所示。通過系統仿真軟件平臺采集到均衡模塊輸出后的數據進行分析，發現星座點有頻偏，說明在收端的頻偏糾正過程，頻偏計算不準確，數據糾正不完全，導致最后出現數據解析出錯的情況發生，如圖6所示。

圖5 ping包通信掉包

圖6 系統數據分析發現錯誤

下行調制階數為16QAM 1/2時，在數據灌包過程當中，通過流量監控軟件發現，接收信號出現突然下降的情況，通過系統仿真平臺，抓取PHY層信號進行分析，如圖7所示。

圖7 發現速率流量下降

針對這一數據流量下降的異常，采集數據進行分析，從中發現，在信道插值過程中信道系數發生了變化，一幀信號內，前幾個數據符號和后幾個數據符號的信道特性不一致，如圖8所示。這一變化導致最后數據突發解析出錯，造成數據丟失。通過實時監控數據信號特性，進行分析，最終定位信號出問題的模塊為信道估計模塊。

圖8 數據分析中發現信道特征變化

5 結束語

從理論分析出發，結合軟件硬件平臺特性，研究了基于WiMAX協議的通信系統實時仿真平臺的實現。通過仿真系統以ping包和灌包兩種通信方式進行說明，表明在設備通信過程當中，仿真系統可以很好地監控收發端的物理層數據、信道數據以及譯碼數據，進行數據分析，快速判斷出PHY層信號中是哪個模塊出現問題，并及時解決，確保了調試系統的良好運轉。