范 特 徐家輝 黃永明 楊綠溪

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211102)

1 引言

隨著通信業(yè)尤其是個人移動通信的高速發(fā)展,現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)將很難滿足未來人們的需求。工業(yè)界預(yù)測,未來幾年,無線通信數(shù)據(jù)量還將會有數(shù)十倍的增長。在此環(huán)境下,第五代移動通信技術(shù)(5G)應(yīng)運而生。從技術(shù)層面上講,5G是一種具有高速率、高效率的空口技術(shù)；從功能上說,5G應(yīng)該是能應(yīng)對各種業(yè)務(wù)需求并能夠不斷提升用戶體驗的高級智能網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍之廣、應(yīng)用之多也促使5G與其他無線移動通信技術(shù)進行融合。WLAN技術(shù)是一種比較成熟的短距離無線通信技術(shù),在用戶集中的熱點區(qū)域,5G網(wǎng)絡(luò)可能很難應(yīng)對爆發(fā)式的連接請求,合理的搭建WLAN網(wǎng)絡(luò)可以有效的對移動蜂窩網(wǎng)進行分流,從而提升用戶體驗,這勢必成為下一代移動通信技術(shù)的研究方向之一[1]。現(xiàn)有的低頻段的WLAN標(biāo)準如：IEEE 802.11n/ac等在一些新的應(yīng)用領(lǐng)域,如移動終端高清視頻直播、虛擬現(xiàn)實體驗等,已經(jīng)無法滿足人們對高吞吐、高服務(wù)質(zhì)量及可擴展性等方面的傳輸需求。這些標(biāo)準只能利用有限的低頻段頻譜帶寬資源,在很大程度上限制了傳輸速率的進一步提高。毫米波系統(tǒng)[2]具有波長短、頻帶寬等特點,能有效解決頻率資源緊張克服高速帶寬無線接入面臨的一些問題,因此在短距離無線通信中有很好的應(yīng)用前進。

毫米波無線通信目前研究較多的是SC-FDE和OFDM兩種系統(tǒng),包括具體模塊的算法研究[3]性能優(yōu)化[4- 6]及仿真驗證等。兩個系統(tǒng)都有很好的抗多徑性能,其中OFDM系統(tǒng)頻譜利用率高；發(fā)射端和接收端OFDM符號的調(diào)制與解調(diào)利用快速傅里葉變換來實現(xiàn),很大程度上提升了運算速度,同時也簡化硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然,OFDM技術(shù)也存在一定的缺陷,峰均功率比較大,容易導(dǎo)致非線性失真,還有對載波頻率偏移比較敏感等。OFDM技術(shù)的不足之處恰恰正是SC技術(shù)的優(yōu)勢所在。OFDM和SC兩種技術(shù)在性能上正好能實現(xiàn)優(yōu)勢互補,為了適應(yīng)不同的信道環(huán)境,毫米波通信系統(tǒng)中兩種技術(shù)的共存似乎是很好的選擇。2012年9月,IEEE成立了IEEE 802.11aj工作委員會,主要目的是根據(jù)中國提交的毫米波段提議去完成制定下一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準,涉及的頻段包括59～64 GHz和CWPAN提出申請使用的45 GHz。2013年1月,對應(yīng)的功能需求文件發(fā)布,其對于MAC層最大吞吐量提出了不低于1Gbps的明確要求,并能夠支持45 GHz頻段到2.4/5 GHz頻段的快速會話轉(zhuǎn)移。此外,IEEE 802.11aj標(biāo)準制定中考慮的一個比較重要的需求就是能同時支持SC和OFDM(可選)兩種模式。

基于IEEE 802.11aj標(biāo)準,本文比較分析了SC和OFDM兩種模式的性能優(yōu)劣以及具體實現(xiàn)流圖和應(yīng)用場景,并提出一種適用于毫米波無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方案,借助NI公司的PXIe mmWave收發(fā)儀系統(tǒng)平臺進行原型機開發(fā)驗證,完成毫米波單載波無線通信系統(tǒng),實現(xiàn)高速視頻流實時傳輸,對毫米波WLAN通信技術(shù)以及未來5G技術(shù)研究都具有重要價值。

2 IEEE 802.11aj 系統(tǒng)模型

2.1 IEEE 802.11aj分組結(jié)構(gòu)

毫米波SC-FDE和OFDM系統(tǒng)模式各有優(yōu)劣,不同應(yīng)用場景可以選擇不同的系統(tǒng)模型。IEEE 802.11aj 標(biāo)準必須支持SC-FDE模式,而OFDM模式是可選支持[7]。IEEE 802.11aj系統(tǒng)物理層幀結(jié)構(gòu)[8],包含兩部分前導(dǎo)字段和數(shù)據(jù)字段。圖1是IEEE 802.11aj系統(tǒng)支持可選OFDM模式的幀結(jié)構(gòu)圖。

STF字段和CEF字段,主要用于包檢測、自動增益控制、時域同步、頻率偏移估計、物理層幀類型(SC或者OFDM)指示、帶寬指示(540 MHz或1080 MHz)和信道估計等。STF字段由長度為256的零相關(guān)區(qū)(ZCZ: zero correlation zone)序列重復(fù)14次構(gòu)成。CEF字段由4個長度為256的分別與一個單獨分配的符號相乘的ZCZ序列串聯(lián)組成。ZCZ序列具有很好的相關(guān)特性,自相關(guān)性強,互相關(guān)性弱。

圖1 802.11aj 物理層幀格式(支持OFDM模式)

SIG[9]為信令字段,其載有數(shù)據(jù)部分的指示信息,包含編碼調(diào)制方式、分組的速率和長度等。IEEE 802.11aj的SIG還具有指示SC與OFDM模式切換的信息。

OSTF[10]為OFDM短訓(xùn)練字段,在OFDM模式下用于提高MIMO傳輸時的自動增益控制估計。

OCEF[10]為OFDM信道估計字段主要用于OFDM模式中MIMO信道估計。假設(shè)發(fā)射端有NSTS個時空流,每個子載波分別計算其信道矩陣,對應(yīng)是一個NRx×NSTS矩陣,其中NRx表示接收天線數(shù)。每一幀數(shù)據(jù)中都含有OCEF符號的前導(dǎo)碼,接收端用此來估計信道信息。OCEF符號數(shù)NOCEF是由時空流NSTS決定的,具體對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 不同時空流數(shù)與OCEF數(shù)對應(yīng)關(guān)系

Data為數(shù)據(jù)字段,用來承載發(fā)射端需要傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)。SC模式下數(shù)據(jù)字段發(fā)射端要經(jīng)過加擾、信道編碼、流解析、星座映射、插導(dǎo)頻等過程；OFDM模式與SC模式相比,主要區(qū)別在于發(fā)射端需進行子載波映射、IFFT、循環(huán)移位等過程。

2.2 IEEE 802.11aj系統(tǒng)架構(gòu)

IEEE 802.11aj標(biāo)準OFDM模式與現(xiàn)有的IEEE 802.11ac標(biāo)準在發(fā)射接收機流程設(shè)計上比較類似,而IEEE 802.11aj標(biāo)準SC模式設(shè)計流程與OFDM模式存在一些區(qū)別。本文提出的毫米波WLAN原型機系統(tǒng)模型,基于IEEE 802.11aj標(biāo)準的單載波系統(tǒng)架構(gòu)而設(shè)計。下面分別介紹IEEE 802.11aj的SC和OFDM兩種模式的發(fā)射接收系統(tǒng)架構(gòu)。

首先介紹IEEE 802.11aj單載波模式下的系統(tǒng)架構(gòu)。信道編碼方式采用低密度奇偶校驗碼編碼(LDPC)。單用戶MIMO系統(tǒng),發(fā)射機設(shè)計流程圖如圖2所示。

單載波模式下一個完整的發(fā)射過程包括加擾碼、信道編碼、流解析、星座點映射、插入導(dǎo)頻(包括保護間隔)、濾波脈沖成形、升采樣、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)以及由基帶到毫米波射頻處理等操作。

對應(yīng)單載波接收端,操作過程與發(fā)射端相對應(yīng),且一些操作互為逆過程,其中均衡采用分數(shù)間隔頻域均衡的方式,均衡同時完成降采樣。接收端流程圖如圖3所示。

IEEE 802.11aj OFDM模式[11],同樣信道編碼采用LDPC編碼方式,發(fā)射機設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖2 SC模式發(fā)射機流程圖

圖3 SC模式接收機流程圖

圖4 OFDM模式發(fā)射機流程圖

圖5 OFDM模式接收機流程圖

OFDM模式下一個完整的發(fā)射過程包括加擾碼、信道編碼、流解析、星座點映射、插入導(dǎo)頻、循環(huán)移位(CSD)、快速傅里葉變換(IFFT)、加循環(huán)前綴(CP)、升采樣、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)以及由基帶到毫米波射頻處理等操作。

OFDM模式接收端處理流程圖如圖5所示。

根據(jù)上文介紹的SC-FDE和OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)流程圖可知,與OFDM系統(tǒng)相比SC-FDE系統(tǒng)發(fā)射端數(shù)據(jù)處理相對簡單,而接收端更復(fù)雜,計算量更大。OFDM和SC-FDE兩種系統(tǒng)都具有較好的對抗多徑性能。OFDM模式中子載波之間兩兩相互正交,即使相鄰的子載波之間頻譜存在輕微的重疊,在接收端也能有效的解調(diào),這一特性使得OFDM系統(tǒng)具有較好的頻譜利用率。收發(fā)端OFDM符號的調(diào)制與解調(diào)利用快速傅里葉變換來實現(xiàn),很大程度上提升了運算速度,同時也簡化硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然,OFDM技術(shù)也存在一定的缺陷,峰均功率比較大,容易導(dǎo)致非線性失真,還有對載波頻率偏移比較敏感等。這些不足之處恰恰正是SC技術(shù)的優(yōu)勢所在。

OFDM和SC兩種技術(shù)在性能上的優(yōu)勢互補,可以很好的應(yīng)對不同的信道環(huán)境。因此,OFDM和SC兩種模式在IEEE 802.11aj中的共存讓其具有更強的適應(yīng)性和更廣闊的應(yīng)用前景。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

毫米波系統(tǒng)對硬件損傷非常敏感,故其對硬件儀器精密性要求非常高,尤其是射頻端處理。目前實驗室設(shè)備只支持實現(xiàn)毫米波單載波單發(fā)單收通信系統(tǒng)。本文設(shè)計的原型機系統(tǒng)理論上支持2×2 MIMO系統(tǒng),由于硬件資源的限制,目前僅能實現(xiàn)單發(fā)單收。下面從系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)、Host和FPGA設(shè)計等幾個方面進行詳細介紹,其中FPGA設(shè)計重點介紹同步和均衡模塊。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

為了匹配設(shè)備的采樣速率,硬件實現(xiàn)起來更方便,將IEEE 802.11aj幀格式進行了簡化設(shè)計。首先系統(tǒng)參數(shù)如表2。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

具體的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6。

圖6 單載波幀結(jié)構(gòu)

圖7 數(shù)據(jù)slot結(jié)構(gòu)圖

一幀長度取10 ms(毫秒),分成100個子幀slots,其中前面幾個(一般要求大于兩個)slots為同步slot,后面為數(shù)據(jù)slot。每個slot長度為100 μs(微秒),分成150個blocks。150個block中,前面8個blocks為保護間隔,不傳數(shù)據(jù)補零；第8,9號block為導(dǎo)頻block；第9,10號block暫時保留,作為擴展block；后面138個blocks為數(shù)據(jù)block,傳輸有效數(shù)據(jù)。每個block長度為1024符號symbols,為一個FFT單位。前960個symbols傳數(shù)據(jù),后面64個symbols為保護間隔補零。以2×2 MIMO系統(tǒng)為例具體數(shù)據(jù)slot結(jié)構(gòu)圖如圖7。

其中P1和P2對應(yīng)兩個不同的導(dǎo)頻序列,把數(shù)據(jù)slot的8,9號blocks全部插入導(dǎo)頻P1即為同步slot。

3.2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框架

本文原型機系統(tǒng)設(shè)計包括三大塊分別是上位機PC、Host端和FPGA端。其中上位機PC部分通過VLC(VideoLAN)視頻播放器,編寫簡單腳本語言實現(xiàn)；Host端和FPGA端設(shè)計是基于LabVIEW 2015進行編程開發(fā)。PC端模塊主要是對視頻流進行拆分與組合以及視頻的實時播放。Host端負責(zé)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?；FPGA端負責(zé)數(shù)據(jù)的處理包括物理層的所有模塊功能實現(xiàn)。整體系統(tǒng)硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框架如圖8所示,具體實現(xiàn)后文會詳細介紹。

用到的硬件平臺資源皆為NI公司產(chǎn)品,具體見表3。

表3 系統(tǒng)硬件資源

發(fā)射端和接收端的系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)發(fā)射端和接收端結(jié)構(gòu)框架

3.3 Host端設(shè)計

Host端主要負責(zé)連接PC端和FPGA端,分為發(fā)射端和接收端兩部分。發(fā)射端Host主要負責(zé)的工作包括：通過UDP協(xié)議接收PC傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)包、發(fā)射端射頻參數(shù)的配置、DMA_FIFO配置、FPGA板卡間數(shù)據(jù)傳輸P2P配置(多流時候會涉及到)、調(diào)制方式設(shè)置等。接收端Host主要完成的工作包括：通過UDP協(xié)議傳輸組合后的視頻數(shù)據(jù)包給PC、接收端射頻參數(shù)的配置、DMA_FIFO配置、FPGA板卡間數(shù)據(jù)傳輸P2P配置、同步參數(shù)設(shè)置、自動增益控制(AGC)、對應(yīng)解調(diào)方式設(shè)置以及一些狀態(tài)信息顯示等。

3.3.1視頻流傳輸

PC端與Host端之間視頻流傳輸是通過UDP網(wǎng)絡(luò)通信來實現(xiàn)。UDP通信的特點是無連接、速度快,知道IP地址和端口號就能進行網(wǎng)絡(luò)通信,傳輸數(shù)據(jù)。

本文介紹的原型機PC端,利用VLC播放器實現(xiàn)視頻的播放以及視頻流的拆分發(fā)送和接收組合,發(fā)送端具體實施過程：編寫腳本語言,配置通信的IP地址、端口號以及要傳輸?shù)囊曨l文件路徑,每次需要傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)長度等信息；通信時只需執(zhí)行腳本文件,就可以完成視頻的傳輸與播放。接收端與發(fā)射端類似,主要實現(xiàn)打開接收端口號,進行視頻接收組合以及播放。

Host分為發(fā)射端和接收端兩個部分,發(fā)射端打開端口綁定Socket套接字,通過UDP方式直接接收PC傳輸過來的視頻流數(shù)據(jù)；接收端Host,收到FPGA處理后的接收數(shù)據(jù),先做CRC校驗,然后打開通信的端口綁定Socket套接字,把正確的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給接收PC。

3.3.2調(diào)制方式配置

高階調(diào)制、高的編碼速率可以更高的利用頻率資源,實現(xiàn)更高速的通信；同時為了保證通信質(zhì)量,得到有效數(shù)據(jù),通信系統(tǒng)接收端信噪比必須達到一定要求。通信的有效性和可靠性本身就是一對相對的性能指標(biāo)。在信道環(huán)境一定的條件下,如何保證在可靠性要求范圍之內(nèi)實現(xiàn)最有效的通信,是需要我們?nèi)パ芯康膯栴}。

本文設(shè)計的原型機,幀結(jié)構(gòu)設(shè)定可以滿足不同的子幀使用不同的調(diào)制方式,并且能夠同時支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調(diào)制方式?？梢愿鶕?jù)信道環(huán)境的好壞,選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式進行通信。

3.4 FPGA設(shè)計

FPGA端是基帶數(shù)據(jù)處理的主要和核心部分。分發(fā)射端和接收端兩部分,其中發(fā)射端需要的硬件資源包括一臺機箱PXIe 1085、一塊7902 FPGA、一塊3610 FPGA、一塊3620 FPGA以及一個發(fā)射射頻頭mmWave Heads。接收端需要硬件資源包括一臺機箱PXIe 1085、兩塊7902 FPGA、一塊7976 FPGA、一塊3620 FPGA、一塊3630 FPGA以及一個接收射頻頭mmWave Heads。根據(jù)圖8可知,各硬件模塊實現(xiàn)的具體功能,下文將對部分重要模塊的具體實現(xiàn)細節(jié)做詳細介紹。

3.4.1并行處理

根據(jù)前面的參數(shù)設(shè)置表可知,本文介紹的原型機采樣率為3.072GS/s。2倍升采樣之前,基帶數(shù)據(jù)采樣率為1.536GS/s,目前基帶的FPGA處理時鐘速率還達不到這么高的要求。采用并行數(shù)據(jù)處理方式,可以有效的解決FPGA 處理時鐘不夠的問題。

這里提出一個新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念WDP。WDP8表示8路數(shù)據(jù)并行時,一個時鐘點的數(shù)據(jù)；WDP16表示16路數(shù)據(jù)并行時,一個時鐘點的數(shù)據(jù)。本文介紹的原型機發(fā)射端采用2倍的升采樣。發(fā)射端升采樣之前和接收端降采樣(通過分數(shù)間隔頻域均衡實現(xiàn))之后的數(shù)據(jù)采樣率為1.536GS/s,可將其轉(zhuǎn)換成WDP8；發(fā)射端升采樣之后和接收端降采樣之前的數(shù)據(jù)采樣率為3.072GS/s,可將其轉(zhuǎn)換成WDP16。因此,基帶數(shù)據(jù)處理部分采用并行處理思想,利用WDP數(shù)據(jù)格式,FPGA 處理時鐘只需1.536GS/s的8分之一,即192 MHz。

3.4.2星座點映射與解映射

星座點映射即將一個或者多個連續(xù)的比特點映射到復(fù)平面上的一個點,以此來壓縮數(shù)據(jù),提高傳輸速率。本文介紹的原型機支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調(diào)制方式,調(diào)制方式越高系統(tǒng)傳輸速率也越高,對應(yīng)調(diào)制方式下每個子載波復(fù)數(shù)星座點解調(diào)出的比特信息分別為1、2、4、6。本原型機還支持一幀中的每個子幀采用不同的調(diào)制方式,同時進行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)Host調(diào)制參數(shù)配置決定采用何種調(diào)制方式進行通信。

3.4.3同步

實際實現(xiàn)時由于兩個機箱共用一個時鐘,所以載波頻偏影響可以忽略。同步過程主要分為信號的檢測和定位,包括幀同步和符號同步[1]。幀同步即粗同步,用于檢測信號是否到來；符號同步即精同步,用于精確定位數(shù)據(jù)的起始位置。

本文介紹的原型機粗同步采用延時互相關(guān)與自相關(guān)的峰值比來確定幀頭信息。根據(jù)幀中的數(shù)據(jù)塊進行同步,同步序列表達式如下：

(1)

當(dāng)r(n)達到設(shè)定的閾值后,開始進行峰值探測,保持一定的采樣時間來判定導(dǎo)頻序列的到來,從而避免了較大噪聲對判決的影響,因此確定了粗同步的起始位置Ic。起始點在導(dǎo)頻序列開始點附近,將粗同步之后的接收到的導(dǎo)頻序列取出用于后面的精同步。

利用上述過程得到的導(dǎo)頻接收信號和理想導(dǎo)頻序列,可以得到信道脈沖響應(yīng)(CIR：Channel Impulse Response),通過尋找CIR最強的抽頭來實現(xiàn)精同步,具體步驟如下：

利用式(2)估計信道脈沖響應(yīng)

(2)

因為存在多徑干擾,通過式(2)得到的CIR估計值會存在多個峰值,需要利用式(3)計算信噪比(SNR),尋找SNR最高的峰值,即主徑。

(3)

然后根據(jù)選取的主徑實現(xiàn)精同步。確定主徑后,尋找它的信道脈沖響應(yīng)最強的抽頭的索引nmax,這樣就確定了精同步的位置If。

(4)

結(jié)合粗同步和精同步,將粗同步位置Ic和精同步位置If相加,就能確定符號數(shù)據(jù)的起始位置,得到數(shù)據(jù)起始位置之后就可以取出數(shù)據(jù)進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

3.4.4信道估計與均衡

信道估計換言之即根據(jù)導(dǎo)頻信息估計信道矩陣,估計出來的信道信息用于接收信號的均衡處理,從而盡量消除信道環(huán)境對信號的影響,恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的原型機,信道均衡采用的是分數(shù)間隔頻域均衡的方法。為了說明該方法同樣適合多流的情況,下面以2×2系統(tǒng)為例進行介紹,具體實施步驟如下。

步驟1對同步后的數(shù)據(jù)做T/ 2分數(shù)間隔處理,具體步驟為：采用T/ 2分數(shù)間隔法,對數(shù)據(jù)進行分割。將數(shù)據(jù)按奇偶進行分流,每一路信號按照奇和偶間隔采樣形成奇偶兩個流,每個流重新形成塊(可以理解為分割前的一路信號中的兩個相鄰的塊,分離之后重新組成兩個奇偶塊)。兩路信號同時并行執(zhí)行形成四個流。同步后兩路數(shù)據(jù)y1[n],y2[n],分割之后為ye,1[n],yo,1[n],ye,2[n],yo,2[n]形式。

步驟2將數(shù)據(jù)做FFT,生成頻域數(shù)據(jù),具體步驟為：同步后的數(shù)據(jù),經(jīng)過分數(shù)間隔處理之后,每時隙內(nèi)相鄰兩個塊間隔采樣重新組成一個偶數(shù)塊一個奇數(shù)塊,分別處于兩個流中,處理效果如圖9。

然后根據(jù)此時的塊單位,以1024個符號為一個塊做離散傅里葉變換,采用FFT方法將時域數(shù)據(jù)變換到頻域。4個流同時并行進行快速離散傅里葉變換。此處FFT變換用的是LabVIEW中的快速傅里葉變換IP核來實現(xiàn)。變換之后的數(shù)據(jù)為Ye,1(k),Yo,1(k),Ye,2(k),Yo,2(k),下標(biāo)1、2分別表示第1路和第2路,e、o分別表示每路分割的偶、奇流。

圖9 分數(shù)間隔頻域均衡實現(xiàn)流程框圖

步驟3根據(jù)導(dǎo)頻數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行信道估計,獲得信道估計矩陣H,具體為：

步驟3.1,根據(jù)導(dǎo)頻,進行信道估計。每個時隙內(nèi)第8,9號塊為導(dǎo)頻塊,用來進行信道估計。根據(jù)已知的導(dǎo)頻序列和接收端收到的導(dǎo)頻信號,就可以計算出信道估計矩陣。具體步驟如下：

步驟3.1.1,分別計算以下公式：

(5)

步驟3.1.2,將得到的He(k),Ge(k),Ho(k),Go(k),組合得到信道矩陣如下：

(6)

其中,k表示第k個頻點,H中的元素都為復(fù)數(shù)。

步驟4根據(jù)信道矩陣H,進行頻域均衡,具體步驟如下：

步驟4.1,根據(jù)估計得到的信道矩陣H,利用最小均方差(MMSE)均衡方法,根據(jù)式(7)獲取均衡權(quán)值矩陣W。

(7)

步驟4.2,根據(jù)矩陣W,對接收端分數(shù)間隔處理之后的數(shù)據(jù)進行均衡,計算過程如下：

(8)

其中,

分數(shù)間隔頻域均衡方法利用了發(fā)射端升采樣提供的分集增益信息,結(jié)合硬件實現(xiàn)過程中矩陣分塊運算特點和最小均方差均衡技術(shù),在不明顯影響運算復(fù)雜度情況下,能夠有效改善毫米波通信系統(tǒng)中定時相位誤差和信道延時失真的影響,提高系統(tǒng)的誤比特性能；同時均衡過程即完成信號的降采樣。

4 測試與分析

下文是對原型機的測試結(jié)果,主要從接收端均衡之后的星座圖性能、系統(tǒng)傳輸速率、誤碼率以及接收端視頻清晰流暢度幾個方面來進行分析。

4.1 接收星座圖

根據(jù)前文的介紹可知,系統(tǒng)支持多種調(diào)制方式同時工作,不同的調(diào)制方式性能存在差異,比較理想信道環(huán)境下,可采用高階的調(diào)制方式,信道干擾嚴重時可采用低階的調(diào)制方式,來實現(xiàn)信息傳輸。以16QAM調(diào)制方式和64QAM調(diào)制方式為例,圖10分別對應(yīng)16QAM和64QAM下系統(tǒng)接收端均衡之后一個完整子幀數(shù)據(jù)的星座圖。相同的條件下僅調(diào)制方式不同時,根據(jù)星座圖可知與64QAM相比16QAM對應(yīng)的星座點之間間隔更明顯,區(qū)分度更高,測試中誤碼率也更低視頻更流暢；但同時16QAM調(diào)制方式傳輸速率比64QAM調(diào)制方式傳輸速率低。不同的調(diào)制方式對應(yīng)的理論與實際測試中得到的傳輸速率如表4。

表4 原型機不同調(diào)制方式對應(yīng)的傳輸速率

由于本系統(tǒng)目前采用的是喇叭天線,其具有較強的方向性和較高的增益,有效通信距離可以達到近10 m；16QAM調(diào)制方式進行視頻傳輸收發(fā)天線距離2 m以內(nèi)時,系統(tǒng)的誤碼率在0.1%以內(nèi),接收端視頻播放非常流暢。

圖10 16QAM和64QAM調(diào)制方式接收端均衡之后的星座圖

4.2 視頻實時傳輸

圖11是基于NI-PXIe毫米波平臺開發(fā)的SISO演示系統(tǒng),圖中左右分別是接收部分和發(fā)射部分。由于系統(tǒng)通信實時速率達到Gbps量級,而實時傳輸一路高清視頻遠不需要這么高的速率,所以在通信時僅用一個子幀(時隙slot)傳輸視頻即可,其他的子幀傳發(fā)射端Host生成的隨機數(shù)。事實上如果所有傳輸數(shù)據(jù)都用視頻數(shù)據(jù)源,那么必須要有處理能力非常強大的上位機進行視頻的拆分與組合,而實驗室的上位機遠遠達不到這個要求,因此只能用隨機數(shù)代替。此處傳輸視頻的子幀是隨機選擇的,一幀中的100個子幀任意一個子幀都可以用來傳輸視頻。實驗結(jié)果表明,子幀的選取對視頻傳輸沒有影響,選取不同的子幀傳輸視頻,誤碼率保持不變。16QAM調(diào)制方式下,發(fā)射接收天線在2 m距離以內(nèi)時,誤碼率維持在0.1%以內(nèi)。

圖11 NI-PXIe毫米波平臺SISO演示系統(tǒng)

視頻的演示只是為了方便說明通信的實時性和可靠性,實驗中傳輸數(shù)據(jù)一幀中用一個子幀數(shù)據(jù)來傳輸視頻,而系統(tǒng)CRC校驗是針對接收到的所有數(shù)據(jù)(包含一幀中的所有子幀)進行校驗檢測。因此實驗中測試得到的誤碼率即所有傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率,系統(tǒng)物理層硬件部分以及Host端的數(shù)據(jù)處理是實時有效的,誤碼率較低。

具體工作過程,發(fā)射端PC將視頻流拆分成數(shù)據(jù)包,通過UDP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳送給發(fā)射端Host；發(fā)射端Host通過DMA_FIFO將數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)射端FPGA；發(fā)射端FPGA完成數(shù)據(jù)處理之后,通過射頻天線,以電磁波的方式將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。接收端射頻部分接收到數(shù)據(jù),接收端FPGA進行同步、信道估計均衡等后續(xù)處理之后,恢復(fù)出“原始信號”,并通過DMA_FIFO將數(shù)據(jù)傳輸給接收端Host；接收端Host再通過UDP協(xié)議把視頻數(shù)據(jù)傳送給接收端PC進行視頻數(shù)據(jù)的組合并播放。

5 結(jié)論

本文介紹的原型機系統(tǒng)方案,基于NI-PXIe毫米波系統(tǒng)平臺和LabVIEW軟件進行開發(fā),該平臺能讓開發(fā)者專注于IEEE 802.11aj協(xié)議基帶系統(tǒng)的實現(xiàn)上,一定程度上縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。圖形化的編程語言LabVIEW,非常適合系統(tǒng)的搭建,其支持的IP核能為開發(fā)者提供很多便利。系統(tǒng)中的信道編解碼以及FFT運算等,用IP核處理可以減輕很多工作。系統(tǒng)的測試結(jié)果表明,原型機系統(tǒng)能穩(wěn)定高速的進行高清視頻流實時通信,并且支持多種調(diào)制方式,系統(tǒng)實時傳輸速率最高(采用64QAM調(diào)制方式)可以達到7Gbps。本文設(shè)計的原型機系統(tǒng),只是階段性的研究成果,后面還將進行OFDM系統(tǒng)以及MIMO系統(tǒng)的研發(fā)。

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