基于NI-PXI的下一代超高速无线局域网原型系统设计.doc
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1、基于NI-PXI的下一代超高速无线局域网原型系统设计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
2、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
3、.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 802.11
4、ac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
5、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平台对其原型机进行开发验证,这对新一代Wi-Fi技术及5G技术的研
6、究具有重要意义。2.设计目标本文旨在NI-PXI平台上实现一个基于IEEE802.11ac标准的系统原型机。该系统设计的参数指标如下所示:1)系统基于IEEE 802.11ac协议;2)系统运行在2.4GHz/5GHz频段;3)系统配置2个发射天线和2个接收天线;4)系统的传输带宽达到20MHz;5)调制可选方式:BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM,并可根据接收信噪比实现自适应调制;6)系统频谱效率:最高可达10 bit/s/Hz(在64QAM映射方式,码率为5/6的条件下);7)可以显示解调后的接收星座图;8)可以实现视频的高质量传输。原型机需要实现的IEEE 802.
7、11ac协议物理层内容有:1)发射端: BCC编码、流解析、调制、插入导频、加CP、IFFT;2)接收端:同步、去CP、FFT、信道估计与均衡、去导频、解调、逆流解析、维特比译码。3.基于NI的802.11ac超高速无线局域网原型机3.1 概述该项目需要达到百兆数量级的数据传输速率,因而需求高速率的数据处理,在硬件实现中,我们选择了运用高性能FPGA来达到高速率的要求,然而开发这样一个系统需要我们很好的掌握VHDL或者Verilog HDL语言。同时,该项目还涉及了射频方面,这对我们来说也是一个巨大的困难,我们只希望将重点放在802.11ac协议的基带设计上,NI的LabVIEW软件及它的硬件
8、平台对我们来说是一个福音,解决了我们的所有烦恼,让我们能专注于我们想专注的事,极大的缩短了我们的开发周期。在下文中,我们将具体描述基于NI的802.11ac超高速无线局域网原型机。3.2硬件平台原型机的硬件设计是基于NI-PXI平台来进行的,其硬件实物图如下图所示,两块FPGA板卡连接射频适配器置于机箱中,该平台主要包含机箱、控制器、FPGA模块、射频收发模块四个部分,各模块的性能及主要功能如下:(1)NI PXIe-1082机箱:采用的该机箱包含4个混合插槽, 3个PXI Express插槽, 1个PXI Express系统定时插槽,每插槽高达1 GB/s的专用带宽和7 GB/s的系统带宽,
9、与PXI、PXI Express、CompactPCI和CompactPCI Express模块兼容。机箱主要为控制器和各模块提供了电源、冷却以及PCI和PCI Express通信总线,此外还提供了一系列的I/O模块插槽类型、集成外设。(2)NI PXIe-8115控制器:本系统采用NI PXI-8115作为控制器,位于机箱最左侧插槽。它是基于Intel Core i5-2510E处理器的高性能嵌入式控制器,适用于PXI系统。具有2.5 GHz基频、3.1 GHz(单核Turbo Boost模式)双核处理器和单通道1333 MHz DDR3内存,配有以太网、串口等标准设备,可自行选择操作系统,
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- 基于 NI PXI 下一代 超高速 无线 局域网 原型 系统 设计
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