60 GHz無線收發(fā)實驗平臺的探究
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覃遠年，鄒川，滕召字
（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）
摘 要：詳細(xì)介紹了一種60 GHz無線收發(fā)實驗平臺設(shè)計方案，由改進后的NI USRP（收發(fā)模塊）、Net FPGA（數(shù)據(jù)處理模塊）和PC（主控模塊）組成，NI USRP與Net FPGA通過吉比特網(wǎng)口連接，Net FPGA依靠PCI與PC連接，實驗平臺工作在Linux系統(tǒng)上，并輔以Lab VIEW做編程和測試分析，能實現(xiàn)1 Gbit/s以上的理論傳輸速率。該實驗平臺方案的收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊均可編程，L mux通過PCI對數(shù)據(jù)流進行捕獲、分類、限速等操作，整個平臺具有較好的開放性和拓展性，為進一步研究60 GHz通信中的信道建模、時隙分析、多址接入算法等問題提供了便利。
關(guān)鍵詞：無線通信；60 GHz；NI USRP；Net FPGJA；實驗平臺
中圖分類號：TN925doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016052
1 引言
現(xiàn)代移動通信的高速發(fā)展，使中低頻段的頻譜資源趨于飽和。我國的5G無線技術(shù)構(gòu)架已明確指出，6～100 GHz高頻新空口是實現(xiàn)1 Gbit/s用戶體驗速率、數(shù)十Gbit/s峰值速率和數(shù)十Gbit/(s．km2)流量密度的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。
60 GHz毫米波通信憑借其大帶寬、免許可、高速率、小干擾等優(yōu)勢，引起國內(nèi)外學(xué)者的研究熱情。各個國家和地區(qū)對60 GHz頻段劃分有所區(qū)別，美國、加拿大和韓國分配的頻譜范圍為57～64 GHz，歐洲為57～66 GHz．日本為59～66 GHz，中國為59～64 GHz。IEEE 802.llad標(biāo)準(zhǔn)將頻譜范嗣劃分為若干個子信道，每個子信道的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為2.16 GHz。在單載波(SC)模式下，可實現(xiàn)1～5 Gbit/s的高速傳輸，在低功耗單載波( LPSC)模式下，可實現(xiàn)1～2.5 Gbit/s的低速傳輸。IEEE 802.llad制定的關(guān)于60 GHz的標(biāo)準(zhǔn)，國際上獲得了較多研究人員的認(rèn)可。我國在2008年成立了中國無線個域網(wǎng)(CWPAN)標(biāo)準(zhǔn)工作組，參照IEEE 802.llad協(xié)議，制定符合我國需求的下一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。表1為IEEE 802.llad的信道劃分方案。
對于60 GHz無線通信系統(tǒng)的研究，必須有合適的實驗開發(fā)平臺。60 GHz無線實驗平臺對于收發(fā)器的物理層(physical layer，PHY)和介質(zhì)接入控制(media access control，MAC)層提出了非常高的挑戰(zhàn)，而且要求實驗平臺具有一定的開放性和可擴展性，方便研究者直觀快捷地獲取實驗數(shù)據(jù)，并能及時做出調(diào)整改進。本文針對這個問題，提出一種60 GHz無線收發(fā)實驗平臺設(shè)計方案，由改進后的NI USRP(national instruments USRP)（收發(fā)模塊）、NetFPGA (net
6eld-programmable gate array)（數(shù)據(jù)處理模塊）和PC(personal computer)（主控模塊）組成，實驗平臺的靈活度較高，理論傳輸速率達到吉比特以上。此方案可以為研究人員提供一定參考。
2 60 GHz無線實驗平臺的發(fā)展現(xiàn)狀
60 GHz無線收發(fā)系統(tǒng)主要包括PHY和MAC，PHY規(guī)定了收發(fā)機的基本工作模式，MAC定義了不同設(shè)備之間的通信協(xié)議，涉及多址技術(shù)、無線資源管理和Q oS等。
芯片方面，總體來看，基于CMOS技術(shù)的PHY集成芯片已經(jīng)達到了比較好的性能，2011年日本東京工業(yè)大學(xué)在ISSCC發(fā)布了16QAM直接轉(zhuǎn)換收發(fā)機，采用65 nm CMOS工藝，配置陣列天線時最大數(shù)據(jù)速率10 Gbit/s（QPSK調(diào)制下）、16 Gbit/s（16QAM調(diào)制下）；發(fā)射和接收功率分別為181 m W和138 m W。而PHY和MAC全集成的IC（集成電路）．目前的報道相對較少，比如2012年日本東芝公司在固態(tài)電路期刊上發(fā)表的短距離點對點全集成芯片組，PHY速率為2.62 Gbit/s，MAC速率為2.07 Gbit/s，能量比特比為651 pj/bit。國內(nèi)PHY集成芯片的研發(fā)已經(jīng)取得了一定的進展，中國科學(xué)院微電子研究所于2011年在《集成電路設(shè)計與應(yīng)用》上公布的90 nm CMOS工藝的60 CHz射頻前端電路，轉(zhuǎn)換增益為17 dB，接收功耗為38.4 m W。許多企業(yè)、高校和科研院所正致力于PHY和MAC全集成芯片組的研究。
實驗平臺方面，德國R＆S公司于2015年4月在《電信網(wǎng)技術(shù)》上發(fā)表的5G系統(tǒng)測試解決方案，在外接模擬I/Q輸入下，通過高頻矢量信號發(fā)生器SMW200A和外部混頻模塊，可實現(xiàn)最高頻率100 GHz、最大帶寬2 GHz的信號輸出；在信號接收方面，F(xiàn)SW型號的矢量信號分析儀可輸入信號的最高頻率為67 GHz，外接混頻模塊可輸入最高頻率100 GHz，帶寬500 MHz。2015年5月，美國是德科技（原安捷倫電子測量事業(yè)部）在《電信網(wǎng)技術(shù)》發(fā)文，其寬帶任意波形發(fā)生器M8190A和微波矢量信號源E8267D PSG能產(chǎn)生帶寬2 GHz、頻率250 kHz~44 GHz的信號，同時，其信號分析儀N9040B的輸入信號頻率范圍為3 Hz^，26.5 GHz．I/Q解調(diào)帶寬為510 MHz，90000系列信號分析儀可輸入最高信號頻率為63 GHz。
3 平臺要求
筆者的目標(biāo)是實現(xiàn)吉比特量級的傳輸速率，實驗平臺必須在信號收發(fā)和數(shù)據(jù)處理方面都具備相應(yīng)的處理能力。60 GHz無線通信系統(tǒng)尚處在研究階段，不可避免地會遇到各種問題，需要及時做出調(diào)整和修改，后續(xù)關(guān)于完整收發(fā)系統(tǒng)、時隙分配、信道及噪聲估計、均衡等的研究都是探索性的，要求實驗平臺具有一定的開放性和可擴展性，方便研究者直觀快捷地獲取實驗數(shù)據(jù)，并及時調(diào)整改進。模塊間的接口問題也應(yīng)該引起注意，PC（個人計算機）要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的捕獲、分類和速率控制等操作，就必須與實驗平臺有很好的數(shù)據(jù)交換能力：一方面，傳統(tǒng)的USB、串口等接口無法支持過高的數(shù)據(jù)傳輸：另一方面，為了簡化結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，目標(biāo)接口最好在PC主板上存在，或者經(jīng)過低成本的轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)。
4硬件模塊分析
4.1 收發(fā)模塊
實現(xiàn)60 GHz無線收發(fā)的關(guān)鍵之一是確定收發(fā)前端結(jié)構(gòu)，目前比較流行的前端結(jié)構(gòu)有兩種：零中頻結(jié)構(gòu)和超外差結(jié)構(gòu)。為了方便對比零中頻結(jié)構(gòu)接收機與超外差結(jié)構(gòu)接收機的大致性能，本文選取了國內(nèi)外較具代表性的6款I(lǐng)C，見表2。
(1)零中頻結(jié)構(gòu)接收機
零中頻結(jié)構(gòu)接收機是一種直接變換接收機，射頻信號經(jīng)過帶通濾波器后，送人低噪放大器(low noise amplifier，LNA)進行放大處理，再送入混頻器，與本振信號(localoscillator，LO)混合后產(chǎn)生兩路正交的基帶信號。零中頻接收機具有結(jié)構(gòu)簡單、線性度好、功耗低的優(yōu)點，但是會產(chǎn)生直流偏移、I/Q通道不平衡的問題。零中頻結(jié)構(gòu)接收機前端結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(2)超外差結(jié)構(gòu)接收機
超外差結(jié)構(gòu)接收機為分步式接收機，射頻信號經(jīng)過LNA放大后，進入一級混頻器，得到中頻(intermediatefrequency，IF)信號，再送人二級混頻器得到基帶信號。超外差結(jié)構(gòu)接收機的優(yōu)點是頻率選擇性好、轉(zhuǎn)換增益高，但是引入了較多的諧波頻率，鏡像頻率抑制度差。超外差接收機前端結(jié)構(gòu)如圖2所示。
由于零中頻結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，功耗較低，且可以通過在數(shù)字化的I/Q數(shù)據(jù)流中實現(xiàn)直流偏移歸零；由表2的6款I(lǐng)C性能對比可知，零中頻結(jié)構(gòu)也可以做到較好的轉(zhuǎn)換增益和較小的噪聲系數(shù)。基于以上考慮，本文采用零中頻結(jié)構(gòu)作為60 GHz無線收發(fā)實驗平臺的前端設(shè)計。
4.2數(shù)據(jù)采集模塊
在接收端，60 GHz信號經(jīng)混頻器轉(zhuǎn)換為基帶信號，根據(jù)IEEE 802.llad協(xié)議規(guī)定，每個子信道的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為2.16 GHz，按照奈奎斯特采樣定理，要完整恢復(fù)原始信號．ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器）的采樣率最低為4.32 GS/s（即每秒采集到的點數(shù)，G表示109），然而這樣高性能的ADC價格過于昂貴，另外，ADC允許的模擬帶寬應(yīng)該足夠大，以免在處理信號時出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。
為了實現(xiàn)較高的等效采樣率，同時提供較大的模擬帶寬，提出了一種基于采樣變換的超寬帶接收機設(shè)計方法，其數(shù)據(jù)采集部分由一個跟蹤保持放大器(T/H)、一個ADC和一個可編程延時芯片組成，跟蹤保持放大器使ADC的模擬帶寬擴展為5 GHz，利用延時芯片和較低采樣率的ADC即可實現(xiàn)8 GS/s的等效采樣率，滿足60 GHz接收機的要求�；诓蓸幼儞Q的超帶寬接收機架構(gòu)如圖3所示。
USRP是美國NI公司的一款優(yōu)秀的零中頻射頻收發(fā)器，具有兩組發(fā)射／接收天線，一個吉比特網(wǎng)口用于與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，通信范圍覆蓋了無線廣播、數(shù)字電視、GSM蜂窩小區(qū)、GPS、IEEE 802.11 (Wi-Fi)和Zig Bee等標(biāo)準(zhǔn)頻段。依托Lab VIEW較好的數(shù)據(jù)采集和分析功能以及圖形化的編程語言，能較大地縮短研發(fā)周期，減少設(shè)備成本投入，但這款產(chǎn)品的工作頻率大致在50 MHz～5.9 GHz，ADC采樣率只有100 MS/s(M表示l06)，帶寬20 MHz，無法適應(yīng)60 GHz無線通信，市面上也鮮有適宜研究的60 GHz收發(fā)機幫助完成60 GHz無線收發(fā)實驗平臺的搭建，因此，本文參考了USRP的優(yōu)秀電路設(shè)計，并考慮用上文所述的零中頻60 GHz接收前端代替USRP的射頻前端。具體的改進措施是，屏蔽USRP前端電路，取而代之的是60 GHz無線芯片組，同時，采樣變換思想，重新設(shè)計USRP的ADC電路。這樣，改進后的USRP可以工作在60 GHz頻段，有望實現(xiàn)大帶寬高速率的傳輸，Lab VIEW提供的虛擬測試儀器和可編程方案免去了購買高頻矢量信號發(fā)生器、信號分析儀和其他轉(zhuǎn)接設(shè)備的高昂費用．其便利性和靈活性使研究人員得以把更多的精力投入信道建模、時序分析等工作。圖4是USRP改進后的硬件原理。
4.3數(shù)據(jù)處理模塊
解決了收發(fā)前端的問題，接下來要考慮實驗平臺數(shù)據(jù)處理部分的硬件要求。吉比特的數(shù)據(jù)流要求設(shè)備具有快速的處理能力，F(xiàn)PGA憑借其主頻高、讀取快和并行執(zhí)行能力，成為了60 GHz無線接收實驗平臺的數(shù)據(jù)處理芯片的理想選擇。Net FPGA的具體硬件參數(shù)請參看《Net FPGA用戶手冊》。它的4組1 Gbit/s標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口和PCI (peripheral component interconnect)總線接口保證了吉比特速率的數(shù)據(jù)傳輸。
4.4操作系統(tǒng)和測控軟件
Linux操作系統(tǒng)優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)性能和穩(wěn)定性、安全性是各大公司選擇其作為服務(wù)器系統(tǒng)的主要原因，60 GHz無線通信系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性等有較高的要求，因此，選擇Linux作為上位機系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的捕獲、歸類以及數(shù)據(jù)流的限速、加解密等操作。Lab VIEW是科學(xué)研究和工程領(lǐng)域主要的圖形編程開發(fā)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析及嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。Lab VIEW對NI USRP編程，并輔助NI USRP完成數(shù)據(jù)收發(fā)、采集、檢測和分析。
4.5模塊間的接口
實驗平臺主要由3個模塊組成，分別為NI USRP、Net FPGA和PC．在接口方面，如上文所述，NI USRP和Net FPGA都具有吉比特以太網(wǎng)口，可以通過該端口進行數(shù)據(jù)交換：Net FPGA自帶PCI，而PCI插槽幾乎存在于所有的PC主板，因此．Net FPGA與PC通過PCI互連。
基于以上考慮，確定以改進后的NI USRP作無線收發(fā)模塊，Net FPGA作數(shù)據(jù)處理模塊，借助Linux的網(wǎng)絡(luò)性能和Lab VIEW的輔助測試，通過以太網(wǎng)口和PCI把各模塊有機組合，搭建了60 GHz無線收發(fā)實驗平臺。
5無線收發(fā)實驗平臺設(shè)計與仿真
60 GHz無線收發(fā)實驗平臺的模型如圖5所示。下面簡要介紹系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)過程。
發(fā)射端：Linuxl將用戶數(shù)據(jù)封裝為PCAP格式的數(shù)據(jù)分組(packet)，通過PCI送至Net FPGAl并存儲于SRAM。同時，Net FPGAl對數(shù)據(jù)分組進行時隙分配、波速控制和QoS管理等處理。借助Net FPGA Kernel Driver，可以在Linux上對數(shù)據(jù)分組的發(fā)送個數(shù)、發(fā)送時延、發(fā)送速率做出精確配置，指定發(fā)送的端口，也可以統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)送所用時間、總字節(jié)數(shù)和標(biāo)記時間戳等信息。上述配置完成后，數(shù)據(jù)分組經(jīng)由特定網(wǎng)絡(luò)端口（假設(shè)從端口0）發(fā)出，進入NI USRP1的數(shù)據(jù)緩沖控制器，數(shù)據(jù)緩沖控制器與上變頻器和DAC模塊一起完成數(shù)模轉(zhuǎn)換工作，通過
Lab VIEW的圖形化編程實現(xiàn)MASK/MFSK/MPSK/MDPSK等多種調(diào)制，經(jīng)過OFDM（或其他方式）后，調(diào)制到60 GHz頻段，調(diào)用虛擬儀器可以獲取信號在各個節(jié)點的頻譜、相位等信息。接著，信號經(jīng)過濾波和相位修正后，由天線發(fā)射出去。
接收端：NI USRP2接收到信號后，經(jīng)過相位修正、濾波、解調(diào)，得到原數(shù)據(jù)分組，送人接收緩沖控制器，經(jīng)由高速網(wǎng)絡(luò)端口進入NetFPGA2，解碼、解密后交給Linux2進行相應(yīng)的處理。
至此，系統(tǒng)完成了一次數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收工作。圖6是Linux終端顯示以太網(wǎng)口的數(shù)據(jù)監(jiān)測，它統(tǒng)計了某一時段收到的數(shù)據(jù)分組個數(shù)、總字節(jié)數(shù)以及傳輸速率，圖6中顯示端口1的數(shù)據(jù)傳輸速率為967.23 Mbit/s，如果4個端口同時傳送數(shù)據(jù)，那么其理論的極限速率將達到4 Gbit/s。圖7是對圖6時段內(nèi)數(shù)據(jù)分組的捕獲，并統(tǒng)計分組丟失率，圖7中顯示該段時間捕獲的數(shù)據(jù)分組個數(shù)與圖6發(fā)送的個數(shù)基本一致，分組丟失率接近0。
由于NI USRP和Net FPGA都具有可編程能力，借助相應(yīng)軟件可以獲取實時數(shù)據(jù)分析，研究人員可以在此平臺上進行信道建模、時隙分析、多址接入算法等研究，該平臺具有較好的開放性和拓展性。
6結(jié)束語
本文介紹了各國家和地區(qū)對60 GHz頻段的劃分，指出60 GHz技術(shù)將在未來5G架構(gòu)的高頻新空口應(yīng)用中扮演重要角色，詳細(xì)分析了搭建“NI USRP+ NetFP GA+PC”作為60 GHz無線通信實驗平臺的理論依據(jù)，并對NI USRP的前端結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集部分進行合理改進，實驗表明該實驗平臺的單個端口數(shù)據(jù)傳輸速率接近1 Gbit/s，若4個端口同時傳輸數(shù)據(jù)，其理論極限速率將達到4 Gbit/s。該實驗平臺具有較高的開放性和擴展性，為進一步研究60 GHz通信中的信道建模、時隙分析、多址接人算法等問題提供了便利。
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