无线局域网虚拟仿真实验平台设计与实现

2019-07-12李晓辉刘乃安刘晋东

实验技术与管理 2019年6期

李晓辉, 李毅, 刘乃安, 刘晋东

(1. 西安电子科技大学网络与信息安全虚拟仿真实验中心, 陕西西安 710071;2. 西安电子科技大学通信工程学院, 陕西西安 710071;3. 美国国家仪器公司, 陕西西安 710075)

IEEE 802.11[1]系列标准由IEEE 802委员会发起和维护,其基本版协议在1997年发布。目前,IEEE 802.11已经有了许多演进版本,例如802.11a[2]、802.11b[3]、802.11g[4]、802.11n[5]、802.11ac[6]、802.11ad[7]、802.11ax[8]等。随着协议种类的不断丰富,越来越需要一个统一、灵活的平台来支撑新技术研究和系统的演示与验证。美国国家仪器公司(NI)的通用软件无线电平台(USRP)具有统一和系统功能灵活可变的优势,研究人员可以在此框架基础上直接进行新技术优化,大大提升科研和教学的效率,因此被广泛应用在虚拟仿真实验平台中[9-12]。

本文利用NI公司的LabVIEW语言和USRP,设计了一种IEEE 802.11无线局域网虚拟仿真实验平台,给出了平台的系统组成和架构,重点阐述了FPGA(现场可编程门阵列)和Host(上位机)的实现,并给出了部分实验的演示。

1 IEEE 802.11实现框架

IEEE 802.11无线局域网虚拟仿真实验平台根据IEEE 802.11无线标准,提供即插即用、方便修改的实时物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)实现方案。物理层包括同步、调制解调、信道编/解码等;媒体接入控制层包括MAC协议数据单元(MPDU)生成、时隙管理和退避程序、帧校验序列(FCS)生成、MAC服务数据单元(MSDU)提取、信道状态处理等。该平台包含802.11发射机和接收机的RF(射频)硬件、FPGA和上位机Host等部分,以及各部分中时序实现的功能,其架构如图1所示。

RF硬件部分实现RF信号的转换(ADC/DAC、上/下变频、混频、增益控制等)。

FPGA部分实现发射机(TX)和接收机(RX)中的802.11 MAC底层和物理层(如调制解调、信道编/解码、信道估计和均衡、时频同步和RF信号校正等)功能,RF器件采样流式传输的前端控制功能和将基带信号接口到RF前端的采样速率转换。上位机Host部分实现802.11 MAC高层和人机交互界面等功能。

Host上位机和FPGA之间的数据通路接口使用专有的基于消息的接口通信协议(ICP)来实现。用于基带配置的Host上位机和目标FPGA之间的控制路径接口使用LabVIEW控制和指示器来实现。射频配置使用目标硬件特定的驱动程序VI完成。

2 FPGA实现

IEEE 802.11无线局域网虚拟仿真实验平台的FPGA实现,包括接收(RX)链路、发射(TX)链路和射频(RF)通道。

2.1 接收链路

接收(RX)链路物理层框图如图2所示,包括接收数据源、功率测量、同步、IQ处理,比特处理和MAC层接收等部分。

图2 接收(RX)链路物理层框图

接收数据源模块的数据可以来自RF,也可以来自内部回送,还可以来自Host上位机或Host上位机的目标FIFO。对于所有数据,采样率总是80 MS/s。

功率测量模块计算接收的信号功率和RF输入功率。

同步模块的功能是在连续采样流中查找数据包的起始位置,同步从数据源以80 MS/s的采样率被馈送。在250 MHz的基带时钟域中,大约每3个时钟周期中有1个有效采样。每个VI必须使用启用链来更新有效的样本。数据速率不会被任何VI改变。同步检测到分组开始并补偿估计的载波频率偏移,数据源被提供给RX I/Q处理模块,在这个模块中采样被转换到频域，然后进行信道估计、均衡和相位跟踪。

具有字段分配信息的星座被提供给RX位处理模块。在这个模块内部完成信号解调和解交织,使用维特比解码器解码并解扰,得到比特流。该比特流被提供给RX PHY状态机。状态机解释PPDU中诸如L-SIG,VHT-SIG-A等的信号字段,并产生用于I/Q处理、比特处理和MAC的控制信息。PSDU(可以是MPDU或A-MPDU)从比特流中移除并作为无符号字节传递给MAC。MAC解释PSDU的头部信息,并使用LabVIEW目标机到主机接口将数据传输到主机应用程序。

RXIQ处理模块的作用是恢复发送的I/Q星座。RX位处理模块对数据进行解交织、解码和解扰,将接收到的比特提供给RX PHY状态机,并将PSDU字节提供给MAC。

MAC RX模块接收数据包,并实现帧验证以及触发ACK响应。模块MAC RX还进一步分为MPDU帧验证、MPDU验证、MPDU识别、MPDU过滤器和信道状态指示等5个主要的子模块。

2.2 发射链路

发射(TX)链路如图3所示,包括TX数据源、MPDU准备、MAC TX、PHY TX请求处理、TX位处理、TX IQ处理等模块。

图3 发射链路框图

为了产生数据帧,从缓存中提取待发送消息,将待发送消息经过处理并加上帧头生成MPDU块字节流。在发送帧的退避请求之后,触发TX流程。

MAC TX模块实现MAC传输功能,即定时向TX PHY提供有效载荷数据和相关控制信息。模块的输入是MPDU块,包括MAC头和帧体。这些块由FCS字段扩展以形成完整的MPDU。

TX位处理模块的目的是生成信号字段并将PSDU排入数据流,然后这个数据流被串行化、加扰、编码、穿孔和交错,传递给TX I/Q处理。

TX IQ处理模块的目的是添加训练序列并将来自TX比特处理的比特转换为基带I/Q采样。每个OFDM符号将包含256个I/Q采样,IFFT将该I/Q数据转换成时域并加上保护间隔,这个转换需要360个周期加上FIFO延迟。

如果TX请求无效,则没有数据包生成,PHY TX请求处理程序立即生成TX结束指示。

2.3 射频通道

在FPGA上实现的射频通道部分包括数字下变频(DDC)和数字上变频(DUC)两部分,如图4所示。

图4 射频通道框图

在DDC中,需要直流(DC)偏移校正模块估计和补偿来自RX本振(LO)的残余DC偏移。该模块减小了对同步块内自相关计算的影响。DC偏移校正模块估计使用平均超过512个样本。在每个平均窗口之后,校正值的最低有效位(LSB)增加或减少。随着时间的推移,校正值迭代地接近DC偏移。

3 Host上位机实现

Host上位机是涵盖了IEEE 802.11应用程序框架所有重要功能的示例应用程序。它涵盖了FPGA目标的配置,交换有效载荷数据和监视系统状态。

3.1 Host上位机架构

Host上位机分为6个回路,其中有1个配置回路、3个数据交换回路和2个状态显示回路,如图5所示。

在图5中,框图的左上角和右上角分别是系统的初始化和清理模块。在会话簇的帮助下传递系统状态,该会话簇将所有句柄存储到主机应用程序使用的设备和队列中。

图5 Host上位机实现框图

目标和Host上位机之间，以及Host上位机和UDP端口之间的数据传输的循环采用无节流的运行模式,以实现最大的吞吐量。用于配置和CPU集中状态显示的循环每100 ms运行一次,以启用响应式系统。简单状态显示(包括事件、星座、信道估计和频谱图等)的循环运行速度较慢(每250 ms运行一次),因为它消耗了大量处理能力。

3.2 系统配置

为了保证IEEE 802.11无线局域网虚拟仿真平台的正常运行,还需要对系统参数进行配置。系统配置参数分为3组,从上到下依次排列在LabVIEW的前面板上。

第1组：参数只能在系统启动时更改,可以在右上角看到。这些是RIO设备和参考时钟。

第2组：参数只能在电台关闭的情况下更改,可以在每个选项卡的灰线上方找到。这些参数是操作模式、载波频率、功率电平以及TX和RX端口号。

第3组：参数可以随时更改,例如副载波格式、MCS、数据源选项等，可以在每个选项卡的灰线下方看到它们。

4 测试结果与分析

为了验证设计的IEEE 802.11无线局域网虚拟仿真平台的无线接入和传输效果,从视频传输和与LTE融合下的频谱等方面进行了演示验证。

4.1 高清视频传输

图6给出了用IEEE 802.11无线局域网虚拟仿真平台进行高清视频传输的演示,该演示是基于单台USRP设备开发的。数据源发出的数据经过主机(Host)传输给USRP的发送(TX)模块,通过线缆连接到接收(RX)模块,然后再传递给主机,经过相应的处理后显示出来。

图6 基于802.11应用程序框架实现高新视频传输

经实验验证,所开发的IEEE 802.11无线局域网虚拟仿真平台能够实现高清的视频传输,并可以通过主机的前面板,观测发射和接收信号的频谱图等。

4.2 IEEE 802.11与LTE的异构组网

在IEEE 802.11无线局域网虚拟仿真平台的基础上,可以实现更多的功能扩展。例如IEEE 802.11与LTE(3G移动通信系统的长期演进,也被称为4G移动通信系统)的异构组网实现(见图7)。图中采用2台主机和2台USRP设备,其中一台作为发射机,另一台作为接收机。发射机同时发送IEEE 802.11与LTE信号。从图7所示的发射和接收信号的星座图、频谱可以看到,所搭建的虚拟仿真平台能够实现IEEE 802.11无线局域网与LTE移动通信系统的共存。