基于GRT平臺的全雙工WiFi設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳浩洋

摘要：出了一種基于GRT平臺的全雙工WiFi通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，它可以支持20 MHz的帶寬，能夠提供不同的調(diào)制/解調(diào)方式，包括802.11a/g模式中的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）、正交相移鍵控（QPSK）、16 正交振幅調(diào)制（QAM）和64 QAM調(diào)制。測試結(jié)果顯示：基于GRT的全雙工系統(tǒng)的吞吐率可以達(dá)到92.45 Mbit/s，相當(dāng)于802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)吞吐率的1.7倍，兩幀之間的延遲可以低至9.85 μs。

關(guān)鍵詞： 全雙工；WiFi；軟件定義無線電；吞吐率

Abstract： In this paper， we propose the full-duplex WiFi design and implementation based on GRT platform. The system supports 20 MHz bandwidth operation， and offers various modulation/demodulation schemes， including binary phase shift keying （BPSK）， quadrature phase shift keyin （QPSK）， 16 QAM， and 64 quadrature amplitude modulation （QAM）， for standard 802.11a/g frames in the full-duplex mode. Our system further delivers throughput up to 92.45 Mbit/s， about 1.7 times compared with the half-duplex 802.11a/g standards， and the frame interaction intervals can be as small as 9.85 us.

full duplex； WiFi； software defined radio （SDR）； throughput

1 全雙工技術(shù)和GRT系統(tǒng)

1.1 全雙工技術(shù)

由于全雙工技術(shù)理論上可以將頻譜利用率提高1倍，并能夠更加靈活地利用頻譜資源，因此近年來隨著器件技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，同頻同時全雙工技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，是5G 移動通信系統(tǒng)充分挖掘無線頻譜資源的一個重要方向。

傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)同頻同時全雙工傳輸，因?yàn)楫?dāng)無線設(shè)備處于全雙工的工作狀態(tài)時，接收天線會接收到很強(qiáng)的由其自身發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號，這一信號被稱為自干擾信號。因此，要實(shí)現(xiàn)全雙工通信，需要解決的首要問題就是如何消除自干擾信號。從理論上來講，由于設(shè)備完全了解自身的發(fā)射機(jī)所發(fā)出的信號，因此自干擾信號可以通過一些特殊的處理完成消除[1-2]。

自干擾消除方法大體分為3類：天線消除、模擬消除以及數(shù)字消除。天線消除利用了天線的極化與方向特性，盡可能地讓發(fā)射和接收天線隔離；模擬消除指的是利用設(shè)計(jì)好的模擬電路，分離出發(fā)射信號與接收信號；數(shù)字消除是通過基帶處理算法，完成自干擾信號的消除。數(shù)字消除通常分為兩個步驟：首先，在兩臺設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，訓(xùn)練信號將會被分別發(fā)送，這個過程中同時對目標(biāo)信道以及干擾信道做出估計(jì)；之后，根據(jù)已知的信道信息，就可以從接收的信號中減去自干擾信號得到目標(biāo)信號[3-4]。

1.2 GRT系統(tǒng)

GRT[5-6]系統(tǒng)是一種高性能、可編程、小型化的基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的軟件無線電系統(tǒng)。用戶可以基于GRT系統(tǒng)完成小型化無線系統(tǒng)的快速開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)當(dāng)前主流無線協(xié)議所需的性能要求（包括吞吐率和延遲）。GRT系統(tǒng)主要由4部分組成：主機(jī)、物理（PHY）層、媒體訪問控制（MAC）層和射頻前端[1]。主機(jī)為用戶提供了一些非常靈活方便的用戶接口，無線協(xié)議中MAC、PHY的大部分功能都是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的，射頻前端完成無線基帶信號和射頻信號的互相轉(zhuǎn)換。

研究人員普遍希望用于研發(fā)的軟件無線電平臺同時滿足3個要求：高性能、可編程和小型化?？删幊痰钠脚_可以讓研究者快速實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)想法，研究者同時希望無線平臺能夠提供足夠的用戶接口及應(yīng)用程序編程接口（API），保證用戶可以靈活、方便地在無線平臺上完成開發(fā)。

高性能則可以保證系統(tǒng)工作的高吞吐率和低延遲，由于無線環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的軟件仿真方式無法驗(yàn)證系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的工作情況，即便是在低速、高延遲的無線平臺上完成了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其信道模型仍然和系統(tǒng)工作于高性能時是有區(qū)別的，因此也無法完全驗(yàn)證系統(tǒng)在高性能情況下的工作情況。

小型化對于研究者來說是一個比較容易忽略的特征。一般情況下，無線設(shè)備的終端是具備移動性的。如果研究者在大型化的系統(tǒng)中完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，就很難模擬無線終端在無線環(huán)境中的移動，大型化無線系統(tǒng)同樣也不利于在不同無線環(huán)境中的系統(tǒng)測試。

1.3 相關(guān)工作

人們已經(jīng)在一些軟硬件開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)過全雙工系統(tǒng)，包括開源軟件無線電平臺（GNU Radio）[5]，基于FPGA的無線平臺WARP[2，4，6]，以及基于WARPLab[7]實(shí)現(xiàn)的全雙工系統(tǒng)?；贕NU Radio實(shí)現(xiàn)的全雙工系統(tǒng)最多只能支持幾個Mbit/s速率的實(shí)時吞吐率，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到當(dāng)前WiFi標(biāo)準(zhǔn)（例如802.11a/g要求達(dá)到54 Mbit/s的數(shù)據(jù)吞吐率[1]）?；赪ARP實(shí)現(xiàn)的全雙工系統(tǒng)[2，4，6]可以工作在20 MHz帶寬，但幀與幀之間的響應(yīng)延遲較大（75 μs）[4]，因此無法滿足短幀間間隔（SIFS）的定時標(biāo)準(zhǔn)?；赪ARPLab實(shí)現(xiàn)的全雙工系統(tǒng)使用WARPLab來完成全雙工的核心算法，其處理延遲最高可達(dá)50 ms[7]，這比802.11a/g的延遲要求整整高出了3個數(shù)量級。根據(jù)我們的調(diào)研，當(dāng)前已有的全雙工系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺在性能上還有許多不足之處[8-10]。

2 全雙工WiFi系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 GRT平臺設(shè)計(jì)

GRT平臺的系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨以下兩個挑戰(zhàn)：

（1）對于一個軟件無線電平臺，要同時達(dá)到可編程性與高性能的目標(biāo)是較為困難的。基于軟件的無線平臺，中央處理器 （CPU）的處理速度是主要的瓶頸。雖然軟件平臺具有良好的可編程性，但它們卻不能保證當(dāng)前主流無線協(xié)議的吞吐率和延遲要求?；谟布钠脚_雖然有較好的性能，但因其邏輯結(jié)構(gòu)固定，不易編程，因此大幅度地延長了無線系統(tǒng)的開發(fā)周期和成本。

（2）全雙工WiFi平臺應(yīng)能夠提供多變的應(yīng)用編程接口。一般一個全雙工WiFi系統(tǒng)由以下幾個組件構(gòu)成：PHY、MAC、射頻（RF）前端以及用于控制的主計(jì)算機(jī)。在不同的應(yīng)用設(shè)置下，研究人員會應(yīng)用不同的模塊，且需要模塊間實(shí)現(xiàn)不同的連接方式，因此各模塊之間必須要有靈活的接口。

為解決第1個問題，GRT平臺中的PHY層基于FPGA，并采用模塊式設(shè)計(jì)以同時滿足系統(tǒng)高性能與可編程性的需求。FPGA能夠確保PHY層模塊的并行處理，確保了無線系統(tǒng)的高性能要求，在GRT平臺中，每一個PHY模塊作為一個算術(shù)單元獨(dú)立工作。通過使用通用異步先進(jìn)先出（FIFO），信號可以在任意兩個模塊之間互相傳輸，且每個模塊可以工作于不同的時鐘域。

圖1展示了PHY層中的模塊連接架構(gòu)。例如，如果要將模塊5插入到模塊1與模塊2之間，只需要刪除原來連接它們的FIFO并直接插入模塊5即可。這種靈活的模塊設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)PHY結(jié)構(gòu)，包括全雙工、多輸入多輸出（MIMO）以及其他異構(gòu)型PHY架構(gòu)。

為了解決第2個問題，可以使用不同的接口來保證靈活的連接方式。GRT有4個組成部分：PHY層、MAC層、RF前端以及主計(jì)算機(jī)。它們彼此之間共有3種交互式接口：直接存儲器存儲接口（DMA）、可編程輸入輸出接口（PIO）和中斷接口，以滿足不同的需要。特別地，DMA接口支持高速數(shù)據(jù)流，PIO接口可以傳輸某些狀態(tài)信息，中斷接口能夠保證低延遲控制。

靈活的系統(tǒng)連接方式保證了系統(tǒng)的小型化需求。對于需要開發(fā)小型化無線系統(tǒng)的研究者來說，可以選擇更為小型的RF前端和便攜性高的筆記本電腦作為主計(jì)算機(jī)。GRT平臺如圖2所示。

總之，我們提出了一種新型的基于硬件的模塊化結(jié)構(gòu)，以保證高性能、可編程和小型化的需求。這種設(shè)計(jì)不僅適合全雙工WiFi的研究，還適用于不同的復(fù)雜PHY層的實(shí)現(xiàn)，包括MIMO系統(tǒng)等。

2.2 全雙工幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)基帶部分的數(shù)字消除，需要完成目標(biāo)信道與干擾信道的信道估計(jì)。為此需要在數(shù)據(jù)幀發(fā)送之前發(fā)送若干訓(xùn)練序列，很顯然，訓(xùn)練序列所占時間越長，信道估計(jì)結(jié)果也越為準(zhǔn)確。但由于冗余增多，數(shù)據(jù)傳輸速率也會大幅度降低。因此設(shè)計(jì)高效的幀交互方式是全雙工設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字消除，我們同時對目標(biāo)信道與干擾信道做出估計(jì)。當(dāng)兩臺設(shè)備工作于全雙工模式時，目標(biāo)信號與干擾信號會混合在一起，使得信道估計(jì)難度增大。因此需要設(shè)計(jì)一種新的幀交互方式。圖3中可以看到全雙工幀交互的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

全雙工MAC使用點(diǎn)協(xié)調(diào)信道接入機(jī)制。為了開始全雙工數(shù)據(jù)交換，無線訪問節(jié)點(diǎn)（AP）和某裝置必須分別先傳輸一個訓(xùn)練幀。首先，AP發(fā)出一個AP訓(xùn)練幀，此時AP和設(shè)備分別對干擾信道與目標(biāo)信道進(jìn)行估計(jì)；隨后，設(shè)備發(fā)出一個設(shè)備訓(xùn)練幀，AP和設(shè)備再次分別對目標(biāo)信道與干擾信道進(jìn)行估計(jì)；在兩次握手過程后，AP和設(shè)備同時發(fā)出和接收對方的等長幀，并用32位循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）來驗(yàn)證收到幀的有效性。如果CRC校驗(yàn)錯誤，則需要完成重發(fā)。

訓(xùn)練幀與全雙工數(shù)據(jù)幀都是標(biāo)準(zhǔn)的802.11a幀。因此，其他的非全雙工設(shè)備可以解調(diào)這個全雙工幀，全雙工設(shè)備在完成“握手”過程之前也可以看做是一個非全雙工設(shè)備。在全雙工設(shè)備發(fā)出訓(xùn)練幀之前，它應(yīng)當(dāng)先完成退避過程。這里設(shè)置了SIFS時間（16 μs）使得全雙工設(shè)備可以在非全雙工環(huán)境下工作。

3 全雙工WiFi系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 高性能、可編程的全雙工WiFi實(shí)現(xiàn)

為了確保全雙工系統(tǒng)的高性能，我們需要考慮每一個運(yùn)算模塊的運(yùn)算性能。由于采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，且模塊之間相互獨(dú)立，系統(tǒng)的總延遲等同于每個模塊的延遲之和，每個模塊的延遲需要盡可能地將至最低。因此，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，就將整個系統(tǒng)的性能優(yōu)化簡化為對每個模塊的性能優(yōu)化，有效地提升了開發(fā)效率。

對于射頻部分，這里考慮了兩種射頻前端設(shè)備，包括了通用軟件無線電外設(shè)（USRP）和一款高性能射頻前端設(shè)備AD9361。USRP使用以太網(wǎng)絡(luò)電纜來同時傳輸數(shù)據(jù)以及控制信息，這會造成系統(tǒng)的高延遲。其中以太網(wǎng)絡(luò)電纜至少會引起20～30 μs的延遲，達(dá)不到全雙工通信中的SIFS實(shí)時性要求（16 μs）。因此我們選擇了只有不到2 μs延遲的AD9361 RF前端。

在模塊化的設(shè)計(jì)框架下，用戶可以靈活的增、刪、改其中的任何模塊。此外，我們還提供了很多的用戶接口及API，用戶可以靈活地對系統(tǒng)進(jìn)行編程開發(fā)。

3.2 小型化全雙工WiFi的實(shí)現(xiàn)

之前提到，GRT系統(tǒng)主要由4部分組成，且每一部分都可以按照研究者的需求進(jìn)行設(shè)備的選擇。這里選取了筆記本電腦作為主機(jī)，射頻前端也采用了AD9361設(shè)備，直接通過AD9361和FPGA進(jìn)行連接，盡可能地減小天線和射頻消除設(shè)備的體積與重量。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

其中，基于GRT的PHY層以及MAC層在Xilinx Virtex-7 FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)。同時又加裝了包括天線對消以及模擬對消模塊設(shè)置的兩個AD9361前端，并使用一臺電腦，采用PIO接口來監(jiān)測全雙工的工作狀態(tài)以及控制操作模式。這里采用VIVADO 2013.4版本完成系統(tǒng)的Verilog代碼。此外采用自主研發(fā)的前端設(shè)備實(shí)現(xiàn)了模擬消除與天線消除——通過這兩部分的消除算法，能夠去除40～50 dB的自干擾。

3.3 GRT模塊庫

商用WiFi網(wǎng)卡一般采用無線芯片完成WiFi的PHY層算法，因此用戶無法在上面進(jìn)行編程?；谄渌脚_實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)WiFi系統(tǒng)也很難將其擴(kuò)展為全雙工WiFi。因此我們首先實(shí)現(xiàn)了一套完整的802.11a協(xié)議模塊庫，再利用這一模塊庫實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的802.11a協(xié)議。在主機(jī)上增加無線驅(qū)動，系統(tǒng)就可以像普通網(wǎng)卡一樣工作。之前的工作顯示：GRT系統(tǒng)已經(jīng)可以完成802.11a的完整功能，手機(jī)等商用WiFi設(shè)備可以順利連接上GRT搭建的AP，并通過GRT搭建的AP連接上網(wǎng)絡(luò)。

3.4 GRT系統(tǒng)PHY層實(shí)現(xiàn)

圖5表示了基于GRT的全雙工WiFi的PHY層硬件架構(gòu)。其中黑色模塊代表現(xiàn)存庫內(nèi)提供的模塊，綠色部分表示為實(shí)現(xiàn)全雙工而新增的模塊。從圖中可以看出，由于GRT平臺的可編程特性，只需要做少量的修訂就能夠?qū)崿F(xiàn)較為完整的全雙工WiFi系統(tǒng)。

4 測試評估

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

用戶可以通過PIO接口任意設(shè)置GRT平臺的中心頻率、采樣率，以及發(fā)送與接收增益。實(shí)驗(yàn)平臺支持802.11a協(xié)議中的所有數(shù)據(jù)速率（6～54 Mbit/s）以及幀長度（1～4 095字節(jié)）。每一個GRT設(shè)備都可以通過PIO接口的適當(dāng)設(shè)置來作為AP或者用戶設(shè)備。

在實(shí)驗(yàn)中采用802.11a中的所有8種調(diào)制方案，數(shù)據(jù)幀長度定為1 500字節(jié)，中心頻率為2.457 GHz，抽樣率為20 MHz——這些參數(shù)正是工作于10頻道上的商用WiFi設(shè)備的典型參數(shù)。在MAC層上的CRC結(jié)果可以表明一幀是否被成功接收。

4.2 GRT系統(tǒng)可編程性評估

GRT提供標(biāo)準(zhǔn)化802.11協(xié)議中的19個模塊[10-12]。為實(shí)現(xiàn)全雙工WiFi，實(shí)驗(yàn)中修訂了模塊庫中的3個模塊，并額外添加了4個模塊用于進(jìn)行數(shù)字對消。通過分析，得知GRT系統(tǒng)的模塊庫中有92%的代碼是可以直接復(fù)用的。

4.3 全雙工系統(tǒng)性能評估

實(shí)驗(yàn)中，一個終端能夠在9.85 μs內(nèi)對對方的請求幀作出回應(yīng)，而標(biāo)準(zhǔn)802.11a要求在16 μs內(nèi)對接收到的幀作出回應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)802.11WiFi的要求，還額外增加了6.15 μs的容度。

考慮到訓(xùn)練幀的開銷，實(shí)驗(yàn)還測試了MAC層的理論吞吐率并將結(jié)果列在了表1中。結(jié)果表明：吞吐率提高到標(biāo)準(zhǔn)WiFi系統(tǒng)的1.71～1.96倍。

5 結(jié)束語

文章介紹了一種基于GRT平臺的全雙工WiFi通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)可以利用GRT提供的802.11a協(xié)議模塊庫，完成了高性能、可編程、小型化的全雙工無線系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于GRT平臺實(shí)現(xiàn)的全雙工WiFi系統(tǒng)達(dá)到92.45 Mbit/s的吞吐率，幀響應(yīng)延遲最低達(dá)9.85 μs。

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