張家波,劉興迪,楊 慶
(重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重點實驗室,重慶400065)
近年來,汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展,在它給人們的交通帶來方便的同時也顯現(xiàn)出了一些問題,例如交通安全和交通堵塞等?;跓o線通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為解決這些問題提供了有效途徑。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要是指車與車(vehicle-to-vehicle,V2V)以及車與路面基礎(chǔ)設(shè)施(vehicle-to-infrastructure,V2I)之間的無線通信,它可以大大提高交通的安全性。以后車聯(lián)網(wǎng)會有更多的應(yīng)用,例如,對實時數(shù)據(jù)的交通管理以及使車輛對交通擁塞快速地做出反應(yīng)等。
車聯(lián)網(wǎng)是基于IEEE 802.11p無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的。802.11p 標(biāo)準(zhǔn)是由 802.11a 擴(kuò)充而來[1-2],針對其高速移動的使用環(huán)境對802.11a的物理層和MAC(media access control)層做了很多修改。802.11p物理層的核心技術(shù)仍然是使用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)調(diào)制技術(shù)。
本文在研究802.11p的物理層參數(shù)的基礎(chǔ)上,提出了其OFDM發(fā)送端基帶設(shè)計的總體框架和詳細(xì)流程。使用Verilog HDL硬件描述語言,在Quar-tusⅡ開發(fā)環(huán)境中設(shè)計綜合和驗證,結(jié)果證明該設(shè)計符合802.11p的要求。
802.11p在物理層上對802.11a上的修改主要是將工作頻帶變?yōu)?.850~5.925 GHz,75 MHz被劃分為7個10 MHz的信道,頻率最低的5 MHz作安全空白。其中,一個信道作為控制信道,而其他6個作為服務(wù)信道。這樣,信號的帶寬由802.11a的20 MHz變?yōu)?0 MHz,物理層的參數(shù)在時域上變?yōu)?02.11a的2倍[3]。信號帶寬的減小可以降低多普勒擴(kuò)展的影響,保護(hù)間隔的增大可以減小多徑效應(yīng)引起的碼間干擾。802.11p物理層的主要參數(shù)如表1所示[4]。
表1 802.11p物理層的主要參數(shù)Tab.1 Main characteristic values of IEEE 802.11P
從表1可以看出,802.11p的調(diào)制方式,編碼方式以及幀的結(jié)構(gòu)與802.11a都非常相似,只是與時間有關(guān)的參數(shù)變?yōu)?02.11a的2倍,相應(yīng)數(shù)據(jù)速率變?yōu)?02.11a的一半。數(shù)據(jù)速率由調(diào)制方式和編碼效率決定,三者對應(yīng)關(guān)系可以參考文獻(xiàn)[3]。
802.11p的物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(physical protocol data unit,PPDU)幀結(jié)構(gòu)主要包括3部分,即訓(xùn)練序列;SIGNAL域和DATA域。其中,訓(xùn)練序列包括10個重復(fù)的短訓(xùn)練序列和2個重復(fù)的長訓(xùn)練序列;SIGNAL域主要包含數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)速率的信息;而DATA域中的PSDU是MAC層所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),這部分?jǐn)?shù)據(jù)才是有效載荷數(shù)據(jù)[3]。
根據(jù)802.11p的物理層參數(shù)和幀結(jié)構(gòu),我們設(shè)計802.11p的發(fā)送端基帶設(shè)計如圖1所示。
基帶數(shù)據(jù)處理流程可以分成3個部分并行處理,即訓(xùn)練符號生成模塊;SIGNAL域符號和DATA域符號的形成過程。其中,訓(xùn)練符號是確定的數(shù)據(jù),將其存儲在ROM中,當(dāng)SIGNAL域和DATA域符號形成后將其按照幀格式進(jìn)行讀出,與SIGNAL域和DATA域符號合并成完整的發(fā)送端數(shù)據(jù)幀。
2.2.1 時鐘生成模塊
由于802.11p的信號帶寬為10 MHz,因此,使用10 MHz時鐘作為整個基帶處理器的系統(tǒng)時鐘(SYS_CLK)。對于DATA域而言,由于該設(shè)計采用的是16QAM調(diào)制,因此,星座映射模塊輸入端的時鐘為40 MHz(CB_CLK);編碼效率為3/4,因此,在編碼前數(shù)據(jù)輸入時鐘為30 MHz(DIN_CLK);MAC層送往物理層的數(shù)據(jù)為字節(jié)格式,因此,MAC層時鐘大小為30 MHz/8=3.75 MHz(MAC_CLK)。對于SIGNAL域而言:由于調(diào)制使用的是BPSK調(diào)制,因此,映射模塊輸入端時鐘為系統(tǒng)時鐘,編碼效率為1/2,因此,編碼輸入時鐘為 5 MHz(SIG_CLK)[5]。
圖1 802.11p發(fā)送端OFDM基帶設(shè)計框圖Fig.1 802.11p transmitter block diagram for the OFDM baseband
2.2.2 主控模塊
主控模塊MCU用來控制與協(xié)調(diào)子模塊的工作,以保證整個處理器時序的精確同步,另外,還承擔(dān)著與 MAC 層的握手[6]。
MCU的工作過程可以用狀態(tài)機(jī)來描述,如圖2所示。
圖2 主控模塊MCU狀態(tài)機(jī)Fig.2 State machine of MCU block
系統(tǒng)啟動時glb_rst為低電平,完成系統(tǒng)時鐘模塊和MCU中控制信號的復(fù)位。當(dāng)MCU收到請求信號txstart_req后,發(fā)送復(fù)位信號phy_rst進(jìn)行各個模塊(除系統(tǒng)工作時鐘和MCU模塊外)的初始化。同時輸入21 bits的phy_txstart信號,包含PSDU幀長,用length(12 bits)表示;數(shù)據(jù)速率 rate_con(6 bits)和發(fā)射功率(3 bits)。當(dāng)MCU接收完phy-txstart信號后,將 length,rate_con及加擾模塊初始化信號scram_seed送入相應(yīng)模塊輸入端口。接下來啟動主計數(shù)器 main_counter,按照要求的時序依次輸出短訓(xùn)練序列啟動信號short_ack,長訓(xùn)練序列啟動信號long_ack和SIGNAL域啟動信號signal_ack。
接下來MCU用一個模30的計數(shù)器來產(chǎn)生date_req信號,請求MAC層返回一個OFDM符號所需的18 Bytes數(shù)據(jù),同時用計數(shù)器n_sym_counter(PSDU包含的字節(jié)數(shù)length)減去18。由于MAC層時鐘為3.75 MHz,因此,OFDM 符號間隔正好為 8 μs。當(dāng)計數(shù)器小于或等于0時,發(fā)送結(jié)束,請求信號data_req復(fù)位。
2.2.3 SIGNAL信號生成模塊
當(dāng)主控模塊發(fā)出SIGNAL域啟動信號signal_ack時,SIGNAL域首先經(jīng)過SIG_BUFFER模塊,生成24 bits的 SIGNAL域信號,包括 rate(4 bits)、length(12 bits)、保留位(1 bit)、奇偶校驗位(1 bit)和尾比特(6 bits)。其中,rate和length分別表示主控模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)長度。另外,此模塊還實現(xiàn)了并串變換,形成24 bits數(shù)據(jù)以5 MHz時鐘進(jìn)行串行輸出。
2.2.4 DATA域信號生成模塊
本設(shè)計采用的是16QAM調(diào)制,編碼效率為3/4[7],得到數(shù)據(jù)速率為18 Mbit/s,每個OFDM符號的數(shù)據(jù)為144 bits,即18 Bytes。在設(shè)計中,假設(shè)從MAC層傳來100 Bytes的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)存放在ROM里,在收到主控模塊MCU發(fā)出的數(shù)據(jù)請求信號date_req之后,將數(shù)據(jù)輸入確認(rèn)信號(DATA_CONF)拉高18時鐘,讀取一個OFDM符號數(shù)據(jù)。
從ROM里讀出的數(shù)據(jù)要按照幀結(jié)構(gòu),添加service字段、尾比特和填充比特以形成完整的DATA域數(shù)據(jù)。這一過程利用一個8位寬的雙口RAM配合計數(shù)器來完成,將地址0和1里的8位數(shù)據(jù)填充0,作為16 bits的service字段[8]。然后,從地址2開始寫入從ROM里讀出的數(shù)據(jù),一直到地址length+1(這里length為100),尾部填上6 bits的“0”當(dāng)作尾比特位,后面添加42 bits的填充比特(PAD)位(全部為“0”)[9]。填充比特的計算公式為
NPAD=NDPS×(ceil(16+8×length+6)/NDPS)-(16+8×length+6)
上式中,ceil為取不小于該值的最小整數(shù);NDPS為一個OFDM符號的數(shù)據(jù)比特數(shù)目,本設(shè)計為144。因此,經(jīng)過組裝后的DATA域數(shù)據(jù)為864 bits數(shù)據(jù),共6個OFDM符號。
2.2.5 IFFT模塊
在該設(shè)計中,IFFT是通過 Altera公司的 FFT V11.0 IP核來實現(xiàn)的,它與個人編寫的IFFT模塊相比,占用的資源更少,還可根據(jù)需求配置參數(shù),提高了系統(tǒng)開發(fā)的靈活性。
在用IFFT核實現(xiàn)時,為了減小變換后的數(shù)據(jù)誤差,要對IFFT輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)放大。通過多次對IFFT IP核計算結(jié)果和MATLAB計算結(jié)果進(jìn)行比較,最后,確定將IFFT模塊輸入數(shù)據(jù)放大比例確定為64倍。這可以在IFFT模塊前通過乘法器左移6位實現(xiàn)。由于16QAM變換后的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)是8位,我們將IFFT核的輸入和輸出位數(shù)設(shè)為16位。
2.2.6 添加循環(huán)前綴模塊
為了最大程度的消除符號干擾(inter symbol interference,ISI)和信道間干擾(inter channel interference,ICI),802.11p 規(guī)定符號間間隔為 1.6 μs,并在保護(hù)間隔內(nèi)添加循環(huán)前綴。硬件實現(xiàn)時,將一個OFDM符號的前48個數(shù)據(jù)被存入RAM中,后16個數(shù)據(jù)一邊存入RAM中,一邊直接輸出,然后,再將RAM 中的 64 個數(shù)據(jù)依次讀出[10-12]。在實際實現(xiàn)時,使用2塊寬度為16 bits,深度為64的RAM進(jìn)行乒乓?guī)僮?,?dāng)前一幀數(shù)據(jù)從第1個RAM輸出時,后一幀數(shù)據(jù)存入第2個RAM,兩者輪流進(jìn)行讀寫操作,使數(shù)據(jù)實時連續(xù)處理,大大減少延時。
在驗證了設(shè)計中要用到的各個模塊功能正確后,在QuartusⅡ11.0sp1軟件開發(fā)環(huán)境中采用自頂向下的設(shè)計思想,依據(jù)圖1來完成整個基于802.11p的OFDM基帶系統(tǒng)設(shè)計。在設(shè)計中使用Verilog HDL硬件描述語言來完成各個模塊的設(shè)計輸入。硬件開發(fā)環(huán)境是 DE2-115開發(fā)板,F(xiàn)AGA芯片為ALTERA公司的CycloneⅣEP4CE115F29C7。
在設(shè)計時采用系統(tǒng)內(nèi)部時鐘50 MHz作為輸入時鐘,利用鎖相環(huán)產(chǎn)生設(shè)計中所需要的各個時鐘。并充分利用IP核里的現(xiàn)有模塊,例如PLL,RAM,F(xiàn)IFO、計數(shù)器和IFFT等,以提高系統(tǒng)設(shè)計的簡便可靠性,并縮短開發(fā)時間,節(jié)省硬件資源。
在對整個系統(tǒng)編譯無誤后,調(diào)用Mentor公司的Modelsim仿真軟件進(jìn)行功能仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,幀的形成過程與我們設(shè)計的完全相符,SIGNAL域符號在插入導(dǎo)頻后與DATA域的6個符號組裝在一起,然后,進(jìn)行IFFT變換及添加循環(huán)前綴操作。然后與延遲后的長短訓(xùn)練序列組裝成幀。其中,ofdm_re為輸出的OFDM符號的實部;ofdm_im為輸出的OFDM符號的虛部;ofdm_dv為輸出有效信號。
圖3 基于802.11p的OFDM基帶調(diào)制仿真圖Fig.3 Simulation of IEEE 802.11P OFDM baseband
本文在研究802.11p標(biāo)準(zhǔn)的物理層參數(shù)以及幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用FPGA來設(shè)計整個OFDM基帶調(diào)制系統(tǒng)。在設(shè)計中采用了自頂向下設(shè)計思想,并把系統(tǒng)劃分為很多子模塊,以提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。在設(shè)計中盡量使用現(xiàn)有的IP核來簡化設(shè)計,提高設(shè)計進(jìn)度,減少資源開銷。通過仿真驗證,該設(shè)計完全達(dá)到了802.11p標(biāo)準(zhǔn)所要求的功能。
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