郭 黎，蘇 新，王 磊

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引言

現(xiàn)如今，人們對短程無線通信的要求越來越高。不久的將來，甚至需要幾十Gbit/s的數(shù)據(jù)速率來滿足高速通信的要求。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)(<5 GHz)和毫米波(30～300 GHz)的頻率無法支撐如此高的數(shù)據(jù)速率[1-2]，因此人們在這種背景下展開了對太赫茲頻段[3]的探索。

THz頻段的頻率范圍在0.1～10 THz之間[4]，不使用大帶寬，可以支持幾十Gbit/s或更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。然而，由于太赫茲波在空中的損耗極為嚴重，使得數(shù)米外的通信變得困難，基于這一特點，確定了太赫茲波更適合于短程通信場景，如無線個人局域網(wǎng)[5]。

由于太赫茲無線網(wǎng)絡的高傳輸特性，因此需要相關的MAC協(xié)議來支撐?，F(xiàn)有的IEEE802.15.3c[6]標準和IEEE802.11ad[7]標準適用于高頻段的數(shù)據(jù)傳輸，但是通過比較發(fā)現(xiàn)，15.3c在波束賦形上的開銷要小于11ad，所以太赫茲協(xié)會建議學者在太赫茲方面的研究基于IEEE802.15.3c標準。

太赫茲無線通信適用于短距離通信，為了增大通信距離，通常采用波束賦形技術[8],即在某個方向的發(fā)射/接收功率最大化，而在其他方向上的功率最小化。文獻[9]指出隨著頻率增大，波束變得也越窄，在60 GHz的通信中，如此窄的波束用于波束賦形的話，會產(chǎn)生大量浪費。文獻[10]為了解決這一浪費，提出一種快速波束賦形方案：首先在低頻段進行信道掃描及信令交互，通過在2.4 GHz頻段確定方位角和發(fā)射角大致方位，然后在太赫茲頻段進行定向數(shù)據(jù)傳輸，但該方案會增加設備成本。

本文基于IEEE802.15.3c標準，針對波束賦形現(xiàn)存的控制開銷大的問題，提出了按需波束賦形的方案，并且在KC705開發(fā)板上加以實現(xiàn)。

1 太赫茲無線網(wǎng)網(wǎng)絡模型

如圖1所示，太赫茲無線個域網(wǎng)由一個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器(PNC)和多個網(wǎng)絡中的設備(DEV)組成。PNC主要負責整個網(wǎng)絡的管理以及時隙的分配：DEV可以在PNC的控制下，進行入網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

圖1 網(wǎng)絡拓撲Fig.1 Network topology

太赫茲無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡運行時間由首尾相連的超幀組成，其中超幀由3個時間段組成，如圖2所示，分別為Beacon時段、CAP時段以及CTAP時段。網(wǎng)絡中的設備在這3個時段內(nèi)進行不同的操作。

圖2 超幀結(jié)構Fig.2 Superframe structure

在Beacon時段內(nèi)，PNC旋轉(zhuǎn)天線，循環(huán)發(fā)送Beacon幀。Beacon幀的作用主要是為了使周圍的DEV知道網(wǎng)絡的存在，以及同步整個網(wǎng)絡。在CAP時段，想要入網(wǎng)的設備首先需要向PNC申請入網(wǎng)，PNC根據(jù)網(wǎng)絡資源允許或不允許其入網(wǎng)。之后，入網(wǎng)后的設備想與網(wǎng)絡中的某個設備通信，還需要向PNC申請時隙。在CTAP時段，各DEV根據(jù)PNC分配的時隙，在里面進行數(shù)據(jù)的傳輸。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計

本設計采用的硬件平臺是Xilinx公司推出的K系列開發(fā)板KC705，由于經(jīng)費原因，本設計實現(xiàn)的是端到端的太赫茲無線通信。但是設計的MAC協(xié)議是參照IEEE802.15.3c標準實現(xiàn)的，所以適用于多DEV的應用場景。圖3為其系統(tǒng)框圖。

圖3 系統(tǒng)設計框圖Fig.3 System design block diagram

其中，PCIE接口接收來自上層的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)PCIE的相關協(xié)議，將其轉(zhuǎn)換成MSDU單元，以便MAC協(xié)議模塊能夠識別。在上行鏈路通信過程中，MAC模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至PCIE接口處，由PCIE模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TTL格式的數(shù)據(jù)包，之后將TTL數(shù)據(jù)包發(fā)送到PC機。GTX接口部分主要用到了GTX的IP核，其目的是為了進行高速的數(shù)據(jù)傳輸，以便模擬出太赫茲高速的數(shù)據(jù)傳輸特性。對于MAC模塊的數(shù)據(jù)，GTX模塊進行并串、預加重及D/A轉(zhuǎn)換等操作，然后送到物理介質(zhì)層；在下行鏈路通信過程中，GTX模塊接收物理介質(zhì)層傳輸?shù)男盘?，之后在GTX模塊，對這些信號進行A/D轉(zhuǎn)換、均衡及串并轉(zhuǎn)換等操作，最終將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送至MAC模塊。

2.2 MAC協(xié)議模塊

緩存模塊包含應用層時鐘信號、復位信號、寫數(shù)據(jù)接口以及讀數(shù)據(jù)接口等信號，如圖4所示。其主要功能是將網(wǎng)絡層PCIe接口傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)進行暫存，同時進行大量數(shù)據(jù)幀的跨時鐘傳輸，實現(xiàn)了應用層的時鐘頻率和發(fā)送數(shù)據(jù)通路的時鐘頻率之間的轉(zhuǎn)換，防止數(shù)據(jù)發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)錯誤，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，緩存模塊主要由buffer和一個異步先入先出模塊組成。

圖4 緩存模塊Fig.4 Cache module

發(fā)送模塊如圖5所示，其包含 3個子模塊?？刂葡⑸赡K的主要功能是請求幀和回復幀控制消息的生成；數(shù)據(jù)聚合幀生成模塊的主要功能是當d_frame_tx_start接口信號置高時，緩存數(shù)據(jù)開始寫入，然后將數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)幀進行幀聚合，接著將聚合后的數(shù)據(jù)幀通過物理層GTX接口進行發(fā)送；Beacon幀生成模塊的主要功能是生成協(xié)議中的Beacon幀，然后將生成的Beacon幀通過s_frame_tx_dat發(fā)送接口進行發(fā)送。

圖5 發(fā)送模塊Fig.5 Transmission module

Beacon幀生成模塊主要用于將MAC協(xié)議收到的Beacon幀進行重新組合，將其加入幀頭，然后通過CRC校驗，在幀的尾部插入校驗序列，生成的Beacon幀準備發(fā)送到GTX接口處。而Beacon幀生成模塊的另一個作用是用來生成超幀結(jié)構，然后將超幀結(jié)構發(fā)往每個模塊，用于對每個模塊進行同步。

數(shù)據(jù)聚合幀生成模塊由Buffer模塊和FIFO模塊兩個部分組成。Buffer模塊對PCIe接口傳輸?shù)腗SDU數(shù)據(jù)單元進行暫存，F(xiàn)IFO則對MSDU第一個雙字節(jié)的單元長度信息進行了緩存，這樣就將MSDU數(shù)據(jù)單元的長度信息與數(shù)據(jù)進行了分離，方便幀聚合模塊對PCIe接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元進行幀聚合操作。根據(jù)長度信息和數(shù)據(jù)部分進行計算得到需要傳輸?shù)淖訋瑐€數(shù)，然后將子幀個數(shù)寫入到MAC header中。同時，將FIFO暫存的長度信息寫入到MSDU Suheader中，對所有的子幀頭部進行組幀生成聚合幀頭部，然后將buffer模塊中的數(shù)據(jù)負載添加到聚合頭部之后進行聚合幀。最后，將聚合幀通過物理接口進行發(fā)送。

控制消息生成模塊的主要功能是生成在MAC協(xié)議運行時的各種控制消息，如ACK消息、入網(wǎng)請求消息及時隙申請消息等。該模塊根據(jù)MAC協(xié)議控制模塊發(fā)送過來的幀類型進行判斷，然后將消息進行校驗，再將校驗結(jié)果一并插入到幀的尾部，最后將整個消息，以每個時鐘周期32 bit的速率發(fā)送到GTX接口處。

接收模塊主要包括Beacon解析模塊、數(shù)據(jù)幀解聚合模塊和控制消息解析模塊，其主要作用是為了解析發(fā)送模塊發(fā)送過來的控制消息和數(shù)據(jù)消息，此過程是發(fā)送模塊的逆過程，在此不再贅述。圖6為接收模塊的實現(xiàn)圖，使用Vivado軟件進行設計。

圖6 接收模塊Fig.6 Receiving module

波束賦形模塊是在MAC協(xié)議模塊里實現(xiàn)的，如圖7所示。該模塊采用狀態(tài)機機制，首先是Beam狀態(tài)，在此狀態(tài)下，對每個方向進行波束訓練操作，與標準不同的是，該模塊是根據(jù)節(jié)點的歷史消息，選擇性地發(fā)送波束訓練幀，即只在目的節(jié)點的方向發(fā)送波束訓練幀，對于其他方向，則不發(fā)送訓練幀。然后進入Send狀態(tài)，該狀態(tài)是目的節(jié)點回復源節(jié)點的訓練幀，之后進入Success狀態(tài)，該狀態(tài)表明源節(jié)點與目的節(jié)點已經(jīng)完成波束賦形訓練操作。

圖7 MAC協(xié)議控制模塊Fig.7 MAC protocol control module

3 系統(tǒng)測試

Vivado軟件是Xilinx公司推出的一款針對其FPGA產(chǎn)品的設計工具。Vivado 設計套件采用了用于快速綜合和驗證C 語言算法IP 的ESL 設計，實現(xiàn)重用的標準算法和RTL IP 封裝技術，標準IP 封裝和各類系統(tǒng)構建模塊的系統(tǒng)集成，模塊和系統(tǒng)驗證的仿真速度提高3倍，與此同時，硬件協(xié)仿真性能提100倍[11]。將MAC協(xié)議模塊以及接口模塊在Vivado上進行設計與實現(xiàn)，然后將生成的比特流文件燒錄到KC705開發(fā)板上，然后搭建如圖8的硬件平臺進行數(shù)據(jù)通信測試。為了測試設計的MAC協(xié)議的性能，使用了帶有Linux系統(tǒng)的上位機。在Linux平臺上，首先使用pin工具，分別測試采用原始標準協(xié)議和新協(xié)議的端到端時延，如圖9和圖10所示。

圖8 硬件測試平臺Fig.8 Hardware test platform

圖9 IEEE802.15.3c協(xié)議端到端時延Fig.9 End to end delay of IEEE802.15.3c protocol

圖10 新協(xié)議端到端時延Fig.10 End to end delay of new protocol

由測試結(jié)果可知，新協(xié)議的端到端平均網(wǎng)絡時延約為0.284 ms。對比兩個結(jié)果可以看出新協(xié)議的平均端到端時延要小于標準協(xié)議。主要是因為新協(xié)議采用了波束賦形新機制，使得波束賦形時間減少，從而減小了端到端時延。

在Linux平臺上使用GTK測速軟件進行吞吐量的測試，測試結(jié)果如圖11和圖12所示。結(jié)果表明，新協(xié)議在帶寬不低于3.0 Gbit/s下，平均數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達到約2.70 Gbit/s。對比兩組結(jié)果可知，新協(xié)議的吞吐量明顯高于IEEE802.15.3c標準協(xié)議，主要是因為新協(xié)議在波束賦形過程中，只對特定方向發(fā)送訓練幀，從而使得節(jié)點間能夠更快地將天線對準彼此，進而單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更多，所以其吞吐量有較大改善。之后又重復性地繼續(xù)進行多組實驗，得到結(jié)果統(tǒng)計如圖13所示。

圖11 IEEE802.15.3c吞吐量Fig.11 IEEE802.15.3c throughput

圖12 新MAC協(xié)議吞吐量Fig.12 Throughput of new MAC Protocol

圖13 新MAC協(xié)議吞吐量統(tǒng)計Fig.13 Throughput statistics of new MAC Protocol

從圖13中可以看出，在多組不同的時間參數(shù)下，數(shù)據(jù)的吞吐量穩(wěn)定在2.7 Gbit/s以上，說明所設計的MAC協(xié)議性能較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本設計通過FPGA實現(xiàn)了太赫茲無線個域網(wǎng)的MAC協(xié)議，并且針對IEEE802.15.3c的不足之處作出相應改進，隨后分別在Linux上位機上測試了標準協(xié)議和新協(xié)議的相關性能。實驗結(jié)果表明，所設計的協(xié)議無論是在端到端時延方面，還是在網(wǎng)絡吞吐量方面都有極大的改善。本文只是針對太赫茲MAC協(xié)議的部分進行了設計與實現(xiàn)，對于太赫茲的其他應用場景暫未考慮進去，比如空間復用的情況，后面的工作將對空間復用進行研究并實現(xiàn)。