無線局域網虛擬仿真實驗平臺設計與實現

李曉輝, 李 毅, 劉乃安, 劉晉東

(1. 西安電子科技大學 網絡與信息安全虛擬仿真實驗中心, 陜西 西安 710071;2. 西安電子科技大學 通信工程學院, 陜西 西安 710071;3. 美國國家儀器公司, 陜西 西安 710075)

IEEE 802.11[1]系列標準由IEEE 802委員會發起和維護,其基本版協議在1997年發布。目前,IEEE 802.11已經有了許多演進版本,例如802.11a[2]、802.11b[3]、802.11g[4]、802.11n[5]、802.11ac[6]、802.11ad[7]、802.11ax[8]等。隨著協議種類的不斷豐富,越來越需要一個統一、靈活的平臺來支撐新技術研究和系統的演示與驗證。美國國家儀器公司(NI)的通用軟件無線電平臺(USRP)具有統一和系統功能靈活可變的優勢,研究人員可以在此框架基礎上直接進行新技術優化,大大提升科研和教學的效率,因此被廣泛應用在虛擬仿真實驗平臺中[9-12]。

本文利用NI公司的LabVIEW語言和USRP,設計了一種IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真實驗平臺,給出了平臺的系統組成和架構,重點闡述了FPGA(現場可編程門陣列)和Host(上位機)的實現,并給出了部分實驗的演示。

1 IEEE 802.11實現框架

IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真實驗平臺根據IEEE 802.11無線標準,提供即插即用、方便修改的實時物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)實現方案。物理層包括同步、調制解調、信道編/解碼等;媒體接入控制層包括MAC協議數據單元(MPDU)生成、時隙管理和退避程序、幀校驗序列(FCS)生成、MAC服務數據單元(MSDU)提取、信道狀態處理等。該平臺包含802.11發射機和接收機的RF(射頻)硬件、FPGA和上位機Host等部分,以及各部分中時序實現的功能,其架構如圖1所示。

RF硬件部分實現RF信號的轉換(ADC/DAC、上/下變頻、混頻、增益控制等)。

FPGA部分實現發射機(TX)和接收機(RX)中的802.11 MAC底層和物理層(如調制解調、信道編/解碼、信道估計和均衡、時頻同步和RF信號校正等)功能,RF器件采樣流式傳輸的前端控制功能和將基帶信號接口到RF前端的采樣速率轉換。上位機Host部分實現802.11 MAC高層和人機交互界面等功能。

Host上位機和FPGA之間的數據通路接口使用專有的基于消息的接口通信協議(ICP)來實現。用于基帶配置的Host上位機和目標FPGA之間的控制路徑接口使用LabVIEW控制和指示器來實現。射頻配置使用目標硬件特定的驅動程序VI完成。

2 FPGA實現

IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真實驗平臺的FPGA實現,包括接收(RX)鏈路、發射(TX)鏈路和射頻(RF)通道。

2.1 接收鏈路

接收(RX)鏈路物理層框圖如圖2所示,包括接收數據源、功率測量、同步、IQ處理,比特處理和MAC層接收等部分。

圖2 接收(RX)鏈路物理層框圖

接收數據源模塊的數據可以來自RF,也可以來自內部回送,還可以來自Host上位機或Host上位機的目標FIFO。對于所有數據,采樣率總是80 MS/s。

功率測量模塊計算接收的信號功率和RF輸入功率。

同步模塊的功能是在連續采樣流中查找數據包的起始位置,同步從數據源以80 MS/s的采樣率被饋送。在250 MHz的基帶時鐘域中,大約每3個時鐘周期中有1個有效采樣。每個VI必須使用啟用鏈來更新有效的樣本。數據速率不會被任何VI改變。同步檢測到分組開始并補償估計的載波頻率偏移,數據源被提供給RX I/Q處理模塊,在這個模塊中采樣被轉換到頻域，然后進行信道估計、均衡和相位跟蹤。

具有字段分配信息的星座被提供給RX位處理模塊。在這個模塊內部完成信號解調和解交織,使用維特比解碼器解碼并解擾,得到比特流。該比特流被提供給RX PHY狀態機。狀態機解釋PPDU中諸如L-SIG,VHT-SIG-A等的信號字段,并產生用于I/Q處理、比特處理和MAC的控制信息。PSDU(可以是MPDU或A-MPDU)從比特流中移除并作為無符號字節傳遞給MAC。MAC解釋PSDU的頭部信息,并使用LabVIEW目標機到主機接口將數據傳輸到主機應用程序。

RXIQ處理模塊的作用是恢復發送的I/Q星座。RX位處理模塊對數據進行解交織、解碼和解擾,將接收到的比特提供給RX PHY狀態機,并將PSDU字節提供給MAC。

MAC RX模塊接收數據包,并實現幀驗證以及觸發ACK響應。模塊MAC RX還進一步分為MPDU幀驗證、MPDU驗證、MPDU識別、MPDU過濾器和信道狀態指示等5個主要的子模塊。

2.2 發射鏈路

發射(TX)鏈路如圖3所示,包括TX數據源、MPDU準備、MAC TX、PHY TX請求處理、TX位處理、TX IQ處理等模塊。

圖3 發射鏈路框圖

為了產生數據幀,從緩存中提取待發送消息,將待發送消息經過處理并加上幀頭生成MPDU塊字節流。在發送幀的退避請求之后,觸發TX流程。

MAC TX模塊實現MAC傳輸功能,即定時向TX PHY提供有效載荷數據和相關控制信息。模塊的輸入是MPDU塊,包括MAC頭和幀體。這些塊由FCS字段擴展以形成完整的MPDU。

TX位處理模塊的目的是生成信號字段并將PSDU排入數據流,然后這個數據流被串行化、加擾、編碼、穿孔和交錯,傳遞給TX I/Q處理。

TX IQ處理模塊的目的是添加訓練序列并將來自TX比特處理的比特轉換為基帶I/Q采樣。每個OFDM符號將包含256個I/Q采樣,IFFT將該I/Q數據轉換成時域并加上保護間隔,這個轉換需要360個周期加上FIFO延遲。

如果TX請求無效,則沒有數據包生成,PHY TX請求處理程序立即生成TX結束指示。

2.3 射頻通道

在FPGA上實現的射頻通道部分包括數字下變頻(DDC)和數字上變頻(DUC)兩部分,如圖4所示。

圖4 射頻通道框圖

在DDC中,需要直流(DC)偏移校正模塊估計和補償來自RX本振(LO)的殘余DC偏移。該模塊減小了對同步塊內自相關計算的影響。DC偏移校正模塊估計使用平均超過512個樣本。在每個平均窗口之后,校正值的最低有效位(LSB)增加或減少。隨著時間的推移,校正值迭代地接近DC偏移。

3 Host上位機實現

Host上位機是涵蓋了IEEE 802.11應用程序框架所有重要功能的示例應用程序。它涵蓋了FPGA目標的配置,交換有效載荷數據和監視系統狀態。

3.1 Host上位機架構

Host上位機分為6個回路,其中有1個配置回路、3個數據交換回路和2個狀態顯示回路,如圖5所示。

在圖5中,框圖的左上角和右上角分別是系統的初始化和清理模塊。在會話簇的幫助下傳遞系統狀態,該會話簇將所有句柄存儲到主機應用程序使用的設備和隊列中。

圖5 Host上位機實現框圖

目標和Host上位機之間，以及Host上位機和UDP端口之間的數據傳輸的循環采用無節流的運行模式,以實現最大的吞吐量。用于配置和CPU集中狀態顯示的循環每100 ms運行一次,以啟用響應式系統。簡單狀態顯示(包括事件、星座、信道估計和頻譜圖等)的循環運行速度較慢(每250 ms運行一次),因為它消耗了大量處理能力。

3.2 系統配置

為了保證IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真平臺的正常運行,還需要對系統參數進行配置。系統配置參數分為3組,從上到下依次排列在LabVIEW的前面板上。

第1組：參數只能在系統啟動時更改,可以在右上角看到。這些是RIO設備和參考時鐘。

第2組：參數只能在電臺關閉的情況下更改,可以在每個選項卡的灰線上方找到。這些參數是操作模式、載波頻率、功率電平以及TX和RX端口號。

第3組：參數可以隨時更改,例如副載波格式、MCS、數據源選項等，可以在每個選項卡的灰線下方看到它們。

4 測試結果與分析

為了驗證設計的IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真平臺的無線接入和傳輸效果,從視頻傳輸和與LTE融合下的頻譜等方面進行了演示驗證。

4.1 高清視頻傳輸

圖6給出了用IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真平臺進行高清視頻傳輸的演示,該演示是基于單臺USRP設備開發的。數據源發出的數據經過主機(Host)傳輸給USRP的發送(TX)模塊,通過線纜連接到接收(RX)模塊,然后再傳遞給主機,經過相應的處理后顯示出來。

圖6 基于802.11應用程序框架實現高新視頻傳輸

經實驗驗證,所開發的IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真平臺能夠實現高清的視頻傳輸,并可以通過主機的前面板,觀測發射和接收信號的頻譜圖等。

4.2 IEEE 802.11與LTE的異構組網

在IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真平臺的基礎上,可以實現更多的功能擴展。例如IEEE 802.11與LTE(3G移動通信系統的長期演進,也被稱為4G移動通信系統)的異構組網實現(見圖7)。圖中采用2臺主機和2臺USRP設備,其中一臺作為發射機,另一臺作為接收機。發射機同時發送IEEE 802.11與LTE信號。從圖7所示的發射和接收信號的星座圖、頻譜可以看到,所搭建的虛擬仿真平臺能夠實現IEEE 802.11無線局域網與LTE移動通信系統的共存。

圖7 LTE和802.11異構網絡原型系統的實物演示系統

5 結語

本實驗結果表明,所搭建的IEEE 802.11無線局域網虛擬仿真平臺能夠實現高清視頻傳輸,且支持與LTE系統異構組網等擴展。可以通過該平臺對IEEE 802.11進行深入的研究和關鍵技術驗證,還可以基于此構建更多與IEEE 802.11相關的通信原型系統。