基于NI-PXI的下一代超高速无线局域网原型系统设计

"该系统方案利用NI的PXI平台及NI的LabVIEW软件平台进行研发，使我们能专注于802.11ac协议的实现，缩短了研发周期。"

-王孜, 东南大学信息科学与工程学院

挑战:

在WLAN系统开发中，如何设计合理的同步均衡调制等算法，以及达到算法、性能、资源三者之间的折中。此外，在实现数据流实时高速传输时，实现PC，HOST和FPGA三者间的同步通信问题和硬件数据通道测试也十分重要。

解决方案:

在NI-PXI平台上搭建了一个基于IEEE 802.11ac的WLAN原型机，系统主要从PC端、HOST端和FPGA端三个方面进行设计。PC端主要完成视频流的编解码、播放、MAC层协议内容以及系统性能指标的计算和显示。HOST端是连接PC、FPGA、射频卡的重要纽带，主要功能分为对PC端视频流的收发、基带参数和射频参数的传递、DMA_FIFO的建立、FPGA板卡间数据传输及同步配置等。FPGA端的设计是数据处理部分的核心，主要负责射频卡配置、P2P传输，FPGA间同步以及基带数据处理的工作；其中基带数据处理分为发射端和接收端两个部分，发射端实现BCC编码、流解析、调制、插入导频、加CP、IFFT等模块，而接收端实现同步、去CP、FFT、信道估计与均衡、去导频、解SIGB、解调、逆流解析、viterbi译码等各个模块。

作者:

张皓月- 东南大学信息科学与工程学院
张晓燕- 东南大学信息科学与工程学院
黄永明- 东南大学信息科学与工程学院
王 孜- 东南大学信息科学与工程学院
杨绿溪- 东南大学信息科学与工程学院

1、引言

面向2020年以后的第五代移动通信技术（5G）是为满足日益增长的移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。根据移动通信的发展规律，5G将具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高，其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高。5G移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。5G不再是一种只拥有高速率、高能力、高效率的空口技术，而是一种能够应对不同业务需求并不断提高用户体验的智能网络，5G与其他无线移动通信技术之间的融合将会成为一种必然趋势。Wi-Fi（wireless fidelity）技术已经成为日常生活中必不可少的无线通信技术之一。在热点区域实现Wi-Fi与5G的融合组网将能更有效地起到对现有蜂窝网分流的作用，同时可以大幅提高用户体验，是未来5G的发展方向之一。

无线局域网（Wireless Local Area Network,WLAN）的出现将个人从家中或是办公桌上解放出来，人们可以在宾馆、公园、商店、咖啡厅、机场等任意两点之间进行联网，随时随地获取信息。自1997年IEEE 802.11标准的最初版本完成以来，此后的6年时间里，包括802.11b、802.11a、802.11g在内的标准使得WLAN 的应用日趋广泛并走向成熟。2007年2月，IEEE 802.11n的2.0草案确定，这一新标准的制定具有跨时代意义，在传输速率方面有了突破性的进展，可以达到300 Mbps（20 MHz信道下）甚至600 Mbps（40 MHz信道下）。为应对爆发性增长的流量需求以及提供良好的后向兼容性，被业界认为是第五代Wi-Fi的IEEE 802.11ac呼之欲出。IEEE内部设立了两个项目工作组（Task Group,TG），以甚高吞吐率（Very High Throughput,VHT）为目标，针对未来无线网络应用方向，提出两个项目方案进行立项研究——IEEE 802.11ac与IEEE 802.11ad。2014年1月，802.11ac草案正式获得通过。

IEEE 802.11ac协议在8条空间流、256QAM调制、5/6编码码率、160MHz 传输带宽，400ns保护间隔的条件下，物理层传输速率可高达6933.3Mb/s。作为802.11n标准的一种延续，802.11ac在原有基础上有很大改进。除了使用关键的正交频分复用、多输入多输出技术以及空时编码之外，802.11ac还引入了多用户多输入多输出(MU-MIMO)技术，可以使用更高阶数的调制——256-QAM使得传输速率成倍提升。此外，802.11ac对于信道带宽进行了扩展，在802.11n的20MHz（可选40 MHz）信道的基础上增至40MHz、80MHz，甚至达到160MHz。物理层的帧结构增加了VHT_SIG_B区域，用来描述所要传输的数据长度、调制方式和编码策略（Modulation and Coding Scheme,MCS）以及单用户/多用户模式。当然，满足上述要求也面临着复杂技术带来的更大挑战。

802.11ac能提供高速的传输速率、良好的用户体验等，但由于其机制的复杂性，系统硬件实现的难度加大。目前802.11ac的设备在市场上还不是很多，本文研究基于IEEE 802.11ac的超高速WLAN系统，并借助NI-PXI平台