1.引言

面向2020年以后的第五代移動通信技術（5G）是為滿足日益增長的移動通信需求而發展的新一代移動通信系統。根據移動通信的發展規律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高一個量級或更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全和用戶體驗也將得到顯著的提高。5G移動通信將與其他無線移動通信技術密切結合，構成新一代無所不在的移動信息網絡，滿足未來10年移動互聯網流量增加1000倍的發展需求。5G不再是一種只擁有高速率、高能力、高效率的空口技術，而是一種能夠應對不同業務需求并不斷提高用戶體驗的智能網絡，5G與其他無線移動通信技術之間的融合將會成為一種必然趨勢。Wi-Fi（wireless fidelity）技術已經成為日常生活中必不可少的無線通信技術之一。在熱點區域實現Wi-Fi與5G的融合組網將能更有效地起到對現有蜂窩網分流的作用，同時可以大幅提高用戶體驗，是未來5G的發展方向之一。

無線局域網（Wireless Local Area Network,WLAN）的出現將個人從家中或是辦公桌上解放出來，人們可以在賓館、公園、商店、咖啡廳、機場等任意兩點之間進行聯網，隨時隨地獲取信息。自1997年IEEE 802.11標準的最初版本完成以來，此后的6年時間里，包括802.11b、802.11a、802.11g在內的標準使得WLAN 的應用日趨廣泛并走向成熟。2007年2月，IEEE 802.11n的2.0草案確定，這一新標準的制定具有跨時代意義，在傳輸速率方面有了突破性的進展，可以達到300 Mbps（20 MHz信道下）甚至600 Mbps（40 MHz信道下）。為應對爆發性增長的流量需求以及提供良好的后向兼容性，被業界認為是第五代Wi-Fi的IEEE 802.11ac呼之欲出。IEEE內部設立了兩個項目工作組（Task Group,TG），以甚高吞吐率（Very High Throughput,VHT）為目標，針對未來無線網絡應用方向，提出兩個項目方案進行立項研究——IEEE 802.11ac與 IEEE 802.11ad。2014年1月，802.11ac草案正式獲得通過。

IEEE 802.11ac協議在8條空間流、256QAM調制、5/6編碼碼率、160MHz 傳輸帶寬，400ns保護間隔的條件下，物理層傳輸速率可高達6933.3Mb/s。作為802.11n標準的一種延續，802.11ac在原有基礎上有很大改進。除了使用關鍵的正交頻分復用、多輸入多輸出技術以及空時編碼之外，802.11ac還引入了多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)技術，可以使用更高階數的調制——256-QAM使得傳輸速率成倍提升。此外，802.11ac對于信道帶寬進行了擴展，在802.11n的20MHz（可選 40 MHz）信道的基礎上增至40MHz、80MHz，甚至達到160MHz。物理層的幀結構增加了VHT_SIG_B區域，用來描述所要傳輸的數據長度、調制方式和編碼策略（Modulation and Coding Scheme,MCS）以及單用戶/多用戶模式。當然，滿足上述要求也面臨著復雜技術帶來的更大挑戰。

802.11ac能提供高速的傳輸速率、良好的用戶體驗等，但由于其機制的復雜性，系統硬件實現的難度加大。目前802.11ac的設備在市場上還不是很多，本文研究基于IEEE 802.11ac的超高速WLAN系統，并借助NI-PXI平臺對其原型機進行開發驗證，這對新一代Wi-Fi技術及5G技術的研究具有重要意義。

2.設計目標

本文旨在NI-PXI平臺上實現一個基于IEEE802.11ac標準的系統原型機。該系統設計的參數指標如下所示：
1）系統基于IEEE 802.11ac協議；
2）系統運行在2.4GHz/5GHz頻段；
3）系統配置2個發射天線和2個接收天線；
4）系統的傳輸帶寬達到20MHz；
5）調制可選方式：BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，并可根據接收信噪比實現自適應調制；
6）系統頻譜效率：最高可達10 bit/s/Hz(在64QAM映射方式，碼率為‘5/6’的條件下)；
7）可以顯示解調后的接收星座圖；
8）可以實現視頻的高質量傳輸。
原型機需要實現的IEEE 802.11ac協議物理層內容有：
1）發射端： BCC編碼、流解析、調制、插入導頻、加CP、IFFT；
2）接收端：同步、去CP、FFT、信道估計與均衡、去導頻、解調、逆流解析、維特比譯碼。

3.基于NI的802.11ac超高速無線局域網原型機

3.1 概述
該項目需要達到百兆數量級的數據傳輸速率，因而需求高速率的數據處理，在硬件實現中，我們選擇了運用高性能FPGA來達到高速率的要求，然而開發這樣一個系統需要我們很好的掌握VHDL或者Verilog HDL語言。同時，該項目還涉及了射頻方面，這對我們來說也是一個巨大的困難，我們只希望將重點放在802.11ac協議的基帶設計上，NI的LabVIEW軟件及它的硬件平臺對我們來說是一個福音，解決了我們的所有煩惱，讓我們能專注于我們想專注的事，極大的縮短了我們的開發周期。

在下文中，我們將具體描述基于NI的802.11ac超高速無線局域網原型機。

3.2硬件平臺
原型機的硬件設計是基于NI-PXI平臺來進行的，其硬件實物圖如下圖所示，兩塊FPGA板卡連接射頻適配器置于機箱中，該平臺主要包含機箱、控制器、FPGA模塊、射頻收發模塊四個部分，各模塊的性能及主要功能如下：

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圖1 系統硬件平臺實物圖

（1）NI PXIe-1082機箱：采用的該機箱包含4個混合插槽, 3個PXI Express插槽, 1個PXI Express系統定時插槽，每插槽高達1 GB/s的專用帶寬和7 GB/s的系統帶寬，與PXI、PXI Express、CompactPCI和CompactPCI Express模塊兼容。機箱主要為控制器和各模塊提供了電源、冷卻以及PCI和PCI Express通信總線，此外還提供了一系列的I/O模塊插槽類型、集成外設。

（2）NI PXIe-8115控制器：本系統采用NI PXI-8115作為控制器，位于機箱最左側插槽。它是基于Intel Core i5-2510E處理器的高性能嵌入式控制器，適用于PXI系統。具有2.5 GHz基頻、3.1 GHz（單核Turbo Boost模式）雙核處理器和單通道1333 MHz DDR3內存,配有以太網、串口等標準設備，可自行選擇操作系統，本設計選用了Windows系統。

（3）NI PXIe-7966R：針對無線局域網的數據傳輸，主要考慮數據的運算處理能力，選用FlexRIO模塊。它包含兩個主要部分：FPGA模塊和提供高性能模擬和數字I/O的FlexRIO適配器模塊。這些都可以被LabVIEW FPGA軟件配置。

其中FPGA模塊選用NI PXIe-7966R，它包含了一塊Virtex-5 SX95T FPGA和512 MB的板載DDR2雙端口RAM。這塊FPGA包含了640 DSP slices，可以用它來實現信號處理，數字濾波，FFT邏輯等。另外，板載的雙端口RAM理論吞吐量為3.2GB/s。PXIe-7966R支持高性能的P2P數據流傳輸。本系統中FPGA模塊主要實現發射端、接收端的基帶數據處理工作。

（4）NI 5791射頻適配器： NI 5791是一款具有200 MHz到4.4 GHz連續頻率覆蓋范圍的RF收發器，其中TX和RX端均具有100 MHz的瞬時帶寬。它具有單級轉向架構，在NI FlexRIO適配器模塊的小巧組成結構中提供了超高的帶寬。板載合成器（本地振蕩器）用于設定采集和生成的中心頻率，且可導出至其他模塊，以實現多輸入多輸出(MIMO)同步。用戶可直接訪問NI FlexRIO FPGA模塊的原始ADC和DAC數據。 此外，NI FlexRIO FPGA模塊和PXI平臺提供了一種實現通道擴展必需的ADC和DAC數據同步方法。

3.3系統設計
在這樣一個實時高速傳輸系統里，系統架構設計尤為重要，良好的架構設計是系統正確運行的前提，也是提高系統性能的關鍵所在，本文原型機整個系統的結構框架如圖2所示，系統設計主要分為PC端設計、HOST端設計、FPGA端設計三個部分，PC端設計基于C#語言實現視頻的編解碼等工作，而HOST端和FPGA端設計主要是基于LabVIEW編程實現，前者負責參數配置、數據傳輸等工作，后者負責實現IEEE 802.11ac協議的物理層模塊。這三者之間也要進行數據同步。下文將對各個部分的設計進行詳細的敘述。

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圖2 系統總體架構圖

3.3.1 物理層數據通信
原型機物理層數據通信主要在PC端、HOST端和FPGA端之間進行，其流向如圖3所示。系統發送端采用兩路數據流形式，因此需要兩塊FPGA進行數據的生成并與發送射頻天線進行對接。為完成無線數據的傳輸，系統架構中還配有數據發送用戶Local_PC以及數據接收用戶Remote_PC，另外還有一臺控制器Host作為中間載體，對數據的基帶收發處理進行LabVIEW算法開發。假設傳送的數據為視頻流。首先，發送端Local_PC將視頻流數據封裝成U8格式并打包，FPGA1產生中斷向Host請求數據，Host得到該中斷請求后，向Local_PC產生新的中斷，以請求封裝好的數據。Local_PC等待中斷請求到來，即向Host發送U8數據包。Host獲得U8 數據后會響應FPGA1的中斷，通過DMA_FIFO向FPGA2發送數據。FPGA2完成發送端基帶處理過程中的各模塊操作，形成兩路數據流。其中一路數據流通過P2P機制傳送給FPGA1。兩路數據流通過硬件接口發送至射頻卡中，在射頻卡中對數據流進行射頻信號處理并通過發送天線發出；接收信號經過射頻卡傳送至兩塊FPGA中，將FPGA2中的數據通過P2P傳送至 FPGA1中，在FPGA1中完成后續基帶接收過程，將處理完的比特流通過DMA_FIFO傳回Host，Host將數據傳給Remote_PC，在Remote_PC中顯示視頻流。

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圖3 原型機物理層數據流向圖

3.3.2 HOST端設計
在此系統設計中，HOST端是連接PC，FPGA，射頻卡的重要紐帶。其主要完成工作為：
a. 完成對PC端視頻流的收發，這部分通過網線利用UDP協議，在這方面LabVIEW具有成熟的設計，調用并配置IP地址，包長參數等等。對于接收到的數據，考慮到Viterbi設計時的咬尾操作，必須對數據包進行補零，利用數組轉換等設計完成，同樣對于發送給PC端的比特流，需要進行去尾操作。

b.完成基帶參數的傳遞及DMA_FIFO的建立。需要考慮的基帶參數有：調制方式，每一幀的長度，Viterbi每個Block的長度。DMA_FIFO建立了兩個：HOST端的比特流傳遞給FPGA（HOST to Target），FPGA端的解出的比特流傳遞給HOST端（Target to HOST）。

c.完成射頻參數的傳遞，主要包含帶寬的選擇，載波頻率的選擇，直流偏置修復參數，發送功率值，放大器增益設置等。

d.還需完成兩塊FPGA板卡間數據傳輸及同步配置等問題，這一部分在FPGA設計中作詳細討論。

e.完成自動增益控制（AGC）和自適應調制（AMC）功能模塊。

下面詳細討論一下HOST端主要功能模塊的實現。
（1）視頻流收發配置
PC與HOST之間的通信是通過UDP協議完成的。UDP有連接簡單，速度快的特點，只要保證發送端PC、NI-PXI的主控器、接收端PC三者都連接在同一個局域網內，即可利用UDP實現數據的高速通信。

HOST具體設置如下：發送端PC將本機IP地址設為回送地址192.168.1.7，目的IP地址設為HOST的實際地址，目的設備端口號設為12270。此外還需設置一個接收HOST發來的數據請求中斷的端口號，設其為2000；接收端PC將本機IP地址和遠程設備IP地址均設為實際地址，再定義一個接收遠程數據的端口號12271。這樣就可以利用Socket套接字進行UDP數據的發送和傳輸了。

（2）自適應調制（AMC）方案
盡管高階調制、高編碼速率可以使頻譜效率提高，但這對通信系統的信噪比參數提出了較為嚴格的要求，如果噪聲能量達到一定程度會造成系統誤碼率上升，誤碼性能大大下降，從而降低了系統的吞吐量。為確保系統的有效吞吐性能，當信噪比較低時，應選擇低階調制方式與編碼速率，當信噪比較高時，可以選擇高階調制方式與編碼速率。因此，設計采用自適應調制(AMC)技術，在發射功率恒定的情況下，通過調整無線鏈路傳輸的調制方式與編碼速率確保鏈路的傳輸質量。

實現AMC的過程需要穩定的信號功率，這需要引入自動增益控制(AGC)技術以確保信號能量的穩定性。在AGC的工作過程中，初始化功率p0讓射頻放大器得到初始化的放大系數，對于接收端來說，需要設置一個預期能量pref，用來確定AGC過程趨于穩定時信號的能量。在通信過程中，當信道環境發生變化時，接收信號的能量pr會不斷發生變化，調整功率參數pd也會隨之變化(pd是一個負值參數，用于控制射頻放大系數)。接收信號能量降低時，接收天線的射頻放大器會提高放大系數，接收信號能量提高時，接收天線的射頻放大器會降低放大系數，這樣使得信號能量維持在預期能量pref附近。在通信過程的開始，調整功率參數pd可以任意設置。AGC過程中調整功率參數pd(對數形式)滿足公式(1)，其中pd_new為pd的更新值。

考慮采用BCC信道編碼方式的單用戶MIMO2×2系統，固定BCC編碼速率為1/2，一種簡單的AMC設置方案如下表所示，表中pd所在區間是在NI-PXI平臺上使用NI-5791射頻適配模塊進行測試的一組參考區間，此時對應的預期能量pref = -8dBm。

表1 AMC調制方式與調整功率參數pd的關系

pd所在區間(dB

選擇調制方式

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(-27，-18)

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BPSK

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(-18，-12)

?

QPSK

?

(-12，-8)

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16QAM

?

(-8，-5.5)

?

64QAM

?

(-5.5，-4)

?

256QAM