基于FPGA的太赫茲高速MAC協議設計與實現

郭 黎，蘇 新，王 磊

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引言

現如今，人們對短程無線通信的要求越來越高。不久的將來，甚至需要幾十Gbit/s的數據速率來滿足高速通信的要求。傳統的無線通信系統(<5 GHz)和毫米波(30～300 GHz)的頻率無法支撐如此高的數據速率[1-2]，因此人們在這種背景下展開了對太赫茲頻段[3]的探索。

THz頻段的頻率范圍在0.1～10 THz之間[4]，不使用大帶寬，可以支持幾十Gbit/s或更高的數據傳輸速率。然而，由于太赫茲波在空中的損耗極為嚴重，使得數米外的通信變得困難，基于這一特點，確定了太赫茲波更適合于短程通信場景，如無線個人局域網[5]。

由于太赫茲無線網絡的高傳輸特性，因此需要相關的MAC協議來支撐。現有的IEEE802.15.3c[6]標準和IEEE802.11ad[7]標準適用于高頻段的數據傳輸，但是通過比較發現，15.3c在波束賦形上的開銷要小于11ad，所以太赫茲協會建議學者在太赫茲方面的研究基于IEEE802.15.3c標準。

太赫茲無線通信適用于短距離通信，為了增大通信距離，通常采用波束賦形技術[8],即在某個方向的發射/接收功率最大化，而在其他方向上的功率最小化。文獻[9]指出隨著頻率增大，波束變得也越窄，在60 GHz的通信中，如此窄的波束用于波束賦形的話，會產生大量浪費。文獻[10]為了解決這一浪費，提出一種快速波束賦形方案：首先在低頻段進行信道掃描及信令交互，通過在2.4 GHz頻段確定方位角和發射角大致方位，然后在太赫茲頻段進行定向數據傳輸，但該方案會增加設備成本。

本文基于IEEE802.15.3c標準，針對波束賦形現存的控制開銷大的問題，提出了按需波束賦形的方案，并且在KC705開發板上加以實現。

1 太赫茲無線網網絡模型

如圖1所示，太赫茲無線個域網由一個網絡的協調器(PNC)和多個網絡中的設備(DEV)組成。PNC主要負責整個網絡的管理以及時隙的分配：DEV可以在PNC的控制下，進行入網、數據傳輸等操作。

圖1 網絡拓撲Fig.1 Network topology

太赫茲無線個域網的網絡運行時間由首尾相連的超幀組成，其中超幀由3個時間段組成，如圖2所示，分別為Beacon時段、CAP時段以及CTAP時段。網絡中的設備在這3個時段內進行不同的操作。

圖2 超幀結構Fig.2 Superframe structure

在Beacon時段內，PNC旋轉天線，循環發送Beacon幀。Beacon幀的作用主要是為了使周圍的DEV知道網絡的存在，以及同步整個網絡。在CAP時段，想要入網的設備首先需要向PNC申請入網，PNC根據網絡資源允許或不允許其入網。之后，入網后的設備想與網絡中的某個設備通信，還需要向PNC申請時隙。在CTAP時段，各DEV根據PNC分配的時隙，在里面進行數據的傳輸。

2 系統硬件實現

2.1 系統設計

本設計采用的硬件平臺是Xilinx公司推出的K系列開發板KC705，由于經費原因，本設計實現的是端到端的太赫茲無線通信。但是設計的MAC協議是參照IEEE802.15.3c標準實現的，所以適用于多DEV的應用場景。圖3為其系統框圖。

圖3 系統設計框圖Fig.3 System design block diagram

其中，PCIE接口接收來自上層的數據，然后根據PCIE的相關協議，將其轉換成MSDU單元，以便MAC協議模塊能夠識別。在上行鏈路通信過程中，MAC模塊將數據發送至PCIE接口處，由PCIE模塊將數據轉換成TTL格式的數據包，之后將TTL數據包發送到PC機。GTX接口部分主要用到了GTX的IP核，其目的是為了進行高速的數據傳輸，以便模擬出太赫茲高速的數據傳輸特性。對于MAC模塊的數據，GTX模塊進行并串、預加重及D/A轉換等操作，然后送到物理介質層；在下行鏈路通信過程中，GTX模塊接收物理介質層傳輸的信號，之后在GTX模塊，對這些信號進行A/D轉換、均衡及串并轉換等操作，最終將處理好的數據發送至MAC模塊。

2.2 MAC協議模塊

緩存模塊包含應用層時鐘信號、復位信號、寫數據接口以及讀數據接口等信號，如圖4所示。其主要功能是將網絡層PCIe接口傳輸的視頻數據進行暫存，同時進行大量數據幀的跨時鐘傳輸，實現了應用層的時鐘頻率和發送數據通路的時鐘頻率之間的轉換，防止數據發生亞穩態錯誤，保證了數據傳輸的準確性，緩存模塊主要由buffer和一個異步先入先出模塊組成。

圖4 緩存模塊Fig.4 Cache module

發送模塊如圖5所示，其包含 3個子模塊。控制消息生成模塊的主要功能是請求幀和回復幀控制消息的生成；數據聚合幀生成模塊的主要功能是當d_frame_tx_start接口信號置高時，緩存數據開始寫入，然后將數據緩存中的數據幀進行幀聚合，接著將聚合后的數據幀通過物理層GTX接口進行發送；Beacon幀生成模塊的主要功能是生成協議中的Beacon幀，然后將生成的Beacon幀通過s_frame_tx_dat發送接口進行發送。

圖5 發送模塊Fig.5 Transmission module

Beacon幀生成模塊主要用于將MAC協議收到的Beacon幀進行重新組合，將其加入幀頭，然后通過CRC校驗，在幀的尾部插入校驗序列，生成的Beacon幀準備發送到GTX接口處。而Beacon幀生成模塊的另一個作用是用來生成超幀結構，然后將超幀結構發往每個模塊，用于對每個模塊進行同步。

數據聚合幀生成模塊由Buffer模塊和FIFO模塊兩個部分組成。Buffer模塊對PCIe接口傳輸的MSDU數據單元進行暫存，FIFO則對MSDU第一個雙字節的單元長度信息進行了緩存，這樣就將MSDU數據單元的長度信息與數據進行了分離，方便幀聚合模塊對PCIe接口傳輸的數據單元進行幀聚合操作。根據長度信息和數據部分進行計算得到需要傳輸的子幀個數，然后將子幀個數寫入到MAC header中。同時，將FIFO暫存的長度信息寫入到MSDU Suheader中，對所有的子幀頭部進行組幀生成聚合幀頭部，然后將buffer模塊中的數據負載添加到聚合頭部之后進行聚合幀。最后，將聚合幀通過物理接口進行發送。

控制消息生成模塊的主要功能是生成在MAC協議運行時的各種控制消息，如ACK消息、入網請求消息及時隙申請消息等。該模塊根據MAC協議控制模塊發送過來的幀類型進行判斷，然后將消息進行校驗，再將校驗結果一并插入到幀的尾部，最后將整個消息，以每個時鐘周期32 bit的速率發送到GTX接口處。

接收模塊主要包括Beacon解析模塊、數據幀解聚合模塊和控制消息解析模塊，其主要作用是為了解析發送模塊發送過來的控制消息和數據消息，此過程是發送模塊的逆過程，在此不再贅述。圖6為接收模塊的實現圖，使用Vivado軟件進行設計。

圖6 接收模塊Fig.6 Receiving module

波束賦形模塊是在MAC協議模塊里實現的，如圖7所示。該模塊采用狀態機機制，首先是Beam狀態，在此狀態下，對每個方向進行波束訓練操作，與標準不同的是，該模塊是根據節點的歷史消息，選擇性地發送波束訓練幀，即只在目的節點的方向發送波束訓練幀，對于其他方向，則不發送訓練幀。然后進入Send狀態，該狀態是目的節點回復源節點的訓練幀，之后進入Success狀態，該狀態表明源節點與目的節點已經完成波束賦形訓練操作。

圖7 MAC協議控制模塊Fig.7 MAC protocol control module

3 系統測試

Vivado軟件是Xilinx公司推出的一款針對其FPGA產品的設計工具。Vivado 設計套件采用了用于快速綜合和驗證C 語言算法IP 的ESL 設計，實現重用的標準算法和RTL IP 封裝技術，標準IP 封裝和各類系統構建模塊的系統集成，模塊和系統驗證的仿真速度提高3倍，與此同時，硬件協仿真性能提100倍[11]。將MAC協議模塊以及接口模塊在Vivado上進行設計與實現，然后將生成的比特流文件燒錄到KC705開發板上，然后搭建如圖8的硬件平臺進行數據通信測試。為了測試設計的MAC協議的性能，使用了帶有Linux系統的上位機。在Linux平臺上，首先使用pin工具，分別測試采用原始標準協議和新協議的端到端時延，如圖9和圖10所示。

圖8 硬件測試平臺Fig.8 Hardware test platform

圖9 IEEE802.15.3c協議端到端時延Fig.9 End to end delay of IEEE802.15.3c protocol

圖10 新協議端到端時延Fig.10 End to end delay of new protocol

由測試結果可知，新協議的端到端平均網絡時延約為0.284 ms。對比兩個結果可以看出新協議的平均端到端時延要小于標準協議。主要是因為新協議采用了波束賦形新機制，使得波束賦形時間減少，從而減小了端到端時延。

在Linux平臺上使用GTK測速軟件進行吞吐量的測試，測試結果如圖11和圖12所示。結果表明，新協議在帶寬不低于3.0 Gbit/s下，平均數據傳輸速率能夠達到約2.70 Gbit/s。對比兩組結果可知，新協議的吞吐量明顯高于IEEE802.15.3c標準協議，主要是因為新協議在波束賦形過程中，只對特定方向發送訓練幀，從而使得節點間能夠更快地將天線對準彼此，進而單位時間內傳輸的數據更多，所以其吞吐量有較大改善。之后又重復性地繼續進行多組實驗，得到結果統計如圖13所示。

圖11 IEEE802.15.3c吞吐量Fig.11 IEEE802.15.3c throughput

圖12 新MAC協議吞吐量Fig.12 Throughput of new MAC Protocol

圖13 新MAC協議吞吐量統計Fig.13 Throughput statistics of new MAC Protocol

從圖13中可以看出，在多組不同的時間參數下，數據的吞吐量穩定在2.7 Gbit/s以上，說明所設計的MAC協議性能較穩定。

4 結論

本設計通過FPGA實現了太赫茲無線個域網的MAC協議，并且針對IEEE802.15.3c的不足之處作出相應改進，隨后分別在Linux上位機上測試了標準協議和新協議的相關性能。實驗結果表明，所設計的協議無論是在端到端時延方面，還是在網絡吞吐量方面都有極大的改善。本文只是針對太赫茲MAC協議的部分進行了設計與實現，對于太赫茲的其他應用場景暫未考慮進去，比如空間復用的情況，后面的工作將對空間復用進行研究并實現。