GRT：高性能可定制無線網(wǎng)絡(luò)底層軟硬件開放平臺(tái)

吳浩洋，王 韜,3，陳佳華，龔 健，李曉光，張高瀚，呂松武

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GRT：高性能可定制無線網(wǎng)絡(luò)底層軟硬件開放平臺(tái)

吳浩洋1，王 韜1,3，陳佳華1，龔 健1，李曉光1，張高瀚1，呂松武2,3

(1. 北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京海淀區(qū) 100871; 2. 美國加州大學(xué)洛杉磯分校計(jì)算機(jī)系 洛杉磯加州美國 90095; 3. 北京大學(xué)洛杉磯加州大學(xué)理工聯(lián)合研究所 北京海淀區(qū) 100871)

隨著無線技術(shù)的飛速發(fā)展，無線領(lǐng)域的研發(fā)者和特殊需求的使用者亟需一種高性能、可定制的無線網(wǎng)絡(luò)底層軟硬件平臺(tái)。本文介紹了自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的GRT平臺(tái)，能夠提供高性能、高可定制性、高兼容性與開放性的特征。作為示例，已經(jīng)在GRT系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了一套基于802.11a/g協(xié)議的軟/硬件代碼，性能超過了協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于物理層最大速率的要求，且能夠與商用WiFi設(shè)備進(jìn)行互通。

可定制; 高性能; 開放平臺(tái); 無線網(wǎng)絡(luò)

隨著通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線通信與網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深入到人們的日常生活，也成為了現(xiàn)代科技研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。以WiFi為例，根據(jù)美國市場(chǎng)研究公司ABI Research的報(bào)道，2014年的WiFi芯片組出貨量已超過26億，預(yù)計(jì)2015～2019年間，WiFi芯片組的累計(jì)出貨量將接近180億[1]。

一方面，無線通信傳輸速率迅速提高，仍然以WiFi為例，從1999年開始，流行起來的WiFi標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速率以每6年11倍的速度迅速提升，到2015年802.11ac正式頒布時(shí)，WiFi標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)到6.9 Gbps。另一方面，隨著無線通信的普及，衍生出了大量相關(guān)的新應(yīng)用，小至可穿戴設(shè)備、無線電子醫(yī)療設(shè)備，大至空天一體軍事化信息網(wǎng)絡(luò)，多元化的無線應(yīng)用對(duì)無線開發(fā)平臺(tái)提出了新的需求。

目前，我國已經(jīng)投入了大量科研力量對(duì)無線相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。但受限于當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)底層平臺(tái)，研發(fā)人員往往不能對(duì)無線協(xié)議完成定制開發(fā)工作。傳統(tǒng)無線算法的物理層和鏈路層(PHY、MAC層)基本都是在芯片中實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部算法和協(xié)議固定，不具備可定制性，而且主流無線芯片均被若干家國外公司壟斷。在某些特殊行業(yè)及特殊場(chǎng)景下，會(huì)對(duì)無線通信的特性提出一些特殊的需求。例如軍事通信需要有更高的安全性、隱蔽性；可穿戴計(jì)算中的無線傳輸需要有低功率、低反應(yīng)延遲的特性；在某些工控場(chǎng)景下，又需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸或者在信道擁堵時(shí)緊急傳遞信息。當(dāng)原有的協(xié)議不能夠滿足上述類似的特殊要求時(shí)，研發(fā)人員希望能夠定制一個(gè)新的無線網(wǎng)絡(luò)底層系統(tǒng)(包括PHY、MAC層等)，并投入實(shí)際場(chǎng)景使用。因此，我國無線領(lǐng)域的研發(fā)者和特殊需求的使用者亟需一種高性能、可定制的無線網(wǎng)絡(luò)底層軟硬件平臺(tái)。

針對(duì)上述需求，本文設(shè)計(jì)了GRT系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備以下3個(gè)特征。1) 高性能。主要包括高吞吐率、低延遲兩部分。2) 高可定制性。GRT系統(tǒng)提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的無線協(xié)議軟硬件協(xié)同開發(fā)環(huán)境。3) 高兼容性與開放性。GRT系統(tǒng)可被定制為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟硬件平臺(tái)，提供與商業(yè)無線設(shè)備的兼容性。

另外，GRT系統(tǒng)可以與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無縫對(duì)接，易于與主計(jì)算機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跨層次優(yōu)化。并能夠給上層網(wǎng)絡(luò)層提供開放接口，通過其可定制管控的特性，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的管控能力延展到無線網(wǎng)絡(luò)底層。

1 背景介紹

1.1 軟件無線電(SDR)技術(shù)

文獻(xiàn)[2]于1992年首次明確提出了軟件無線電的概念。軟件無線電的中心思想是構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用軟硬件平臺(tái)。基于這一相對(duì)通用的軟硬件平臺(tái)，可以采用軟件編程、調(diào)用等方式，自定義地實(shí)現(xiàn)特定的通信功能。隨著研發(fā)者對(duì)可定制無線設(shè)備的需求越來越強(qiáng)，軟件無線電技術(shù)也逐漸開始吸引無線領(lǐng)域研發(fā)者的注意。

1.2 802.11技術(shù)

IEEE 802.11是現(xiàn)今WiFi通用標(biāo)準(zhǔn)。從1997年的802.11到2015年的802.11ac，中間經(jīng)歷了802.11b、802.11a/g、802.11n幾代變革，不到20年時(shí)間的發(fā)展，WiFi的數(shù)據(jù)吞吐率由最初的2 Mbps發(fā)展到了2015年將成為標(biāo)準(zhǔn)的6.9 Gbps。802.11技術(shù)的發(fā)展也對(duì)無線底層平臺(tái)的性能需求(吞吐率、延遲)提出了很大挑戰(zhàn)。

1.3 目前已有的無線底層平臺(tái)

當(dāng)前的無線設(shè)備大部分都使用標(biāo)準(zhǔn)的無線芯片，這些芯片內(nèi)部算法和協(xié)議是固定的，適合商業(yè)化的生產(chǎn)，但是無法被研發(fā)者所使用。無線芯片的物理層速率、頻帶寬度、中心頻點(diǎn)以及PHY層和MAC層的實(shí)現(xiàn)算法都是固定的，而且功率往往受限。對(duì)于研發(fā)者來說，往往希望對(duì)協(xié)議進(jìn)行修改，例如研發(fā)者希望修改802.11中MAC層的CSMA/CA算法，保證在限定時(shí)間內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)傳輸；或者希望修改802.11中PHY層的頻偏估計(jì)算法，使得WiFi協(xié)議能夠適用于更加高速的移動(dòng)環(huán)境。而這些工作很難在標(biāo)準(zhǔn)芯片中進(jìn)行定制。

針對(duì)上述矛盾，國內(nèi)外已經(jīng)開始了相應(yīng)的可定制無線網(wǎng)絡(luò)底層系統(tǒng)的研究。也產(chǎn)生了多種不同的平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

第一種方案是基于純軟件的無線開發(fā)平臺(tái)，這種方案采用通用處理器CPU作為計(jì)算工具實(shí)現(xiàn)底層協(xié)議的算法。基于CPU的無線開發(fā)平臺(tái)可以為用戶提供非常好的編程性，卻無法保證無線通信技術(shù)的兩個(gè)重要特性——高吞吐率和低延遲。無線通信協(xié)議的物理層往往需要完成大量浮點(diǎn)運(yùn)算，例如FFT、幀同步、信道估計(jì)與均衡等模塊，因此采用CPU作為計(jì)算工具不可能勝任高吞吐率的需求；另一方面，采用軟件實(shí)現(xiàn)無線開發(fā)平臺(tái)時(shí)，受到操作系統(tǒng)的一些不可控因素(中斷、搶先式調(diào)度等)，軟硬件的交互延遲難以控制在幾十微秒的量級(jí)。

基于純軟件的無線開發(fā)平臺(tái)的代表是GNU Radio[3]。GNU Radio提供了非常好用的圖形用戶接口。它不僅可編程性強(qiáng)、并且代碼開源。但受限于CPU的處理性能，GNU Radio只能提供最高2 Mbps左右的吞吐率，對(duì)802.11a/g的物理層協(xié)議處理延遲也高達(dá)幾毫秒(802.11a/g的要求則是吞吐率達(dá)到 54 Mbps、處理延遲為幾十微秒)。因此，GNU Radio只能適用于無線通信算法的初步驗(yàn)證。

Sora[4]也是一種主要采用軟件實(shí)現(xiàn)的無線開發(fā)平臺(tái)，它采用高端的多核處理器作為無線底層的計(jì)算工具，用戶在Windows操作系統(tǒng)上進(jìn)行軟件編程。為了解決軟件吞吐率低、延遲大的問題，Sora將物理層的模塊分放至不同的CPU核，并將時(shí)序性非常強(qiáng)的ACK模塊用專用的FPGA硬件進(jìn)行加速。Sora平臺(tái)可以支持802.11a/g的54 Mbps吞吐率，其2*2MIMO版本可達(dá)到117Mbps的吞吐率[5]。但Sora作為一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，仍有其局限性。首先，Sora受到Windows操作系統(tǒng)調(diào)度算法的限制，不能夠完全保證WiFi中MAC層的時(shí)序。其次，采用Sora完成開發(fā)需要具備多核、并行的編程基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)底層協(xié)議的時(shí)候，需要特地為算法進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了研發(fā)者的開發(fā)難度。最后，Sora的開發(fā)環(huán)境是基于Windows的操作系統(tǒng)，與當(dāng)前大部分的軟件無線電平臺(tái)都無法兼容。

第二種方案是基于FPGA硬件的開發(fā)平臺(tái)。FPGA是一種特殊的可重構(gòu)硬件，可以根據(jù)需要重構(gòu)成所需的功能邏輯。它可以提供比軟件高的多的吞吐率，并保證非常好的實(shí)時(shí)性。但是，硬件設(shè)計(jì)難度比軟件要大的多，導(dǎo)致平臺(tái)的可編程性降低。盡管研發(fā)者能夠自主地在FPGA上通過編寫硬件代碼做無線底層協(xié)議的開發(fā)，但他們必須分散大量的精力去考慮硬件是如何設(shè)計(jì)，大大降低了開發(fā)效率。

WARP[6]平臺(tái)是一種典型的基于FPGA的無線開發(fā)平臺(tái)。WARP通過以太網(wǎng)接口與PC機(jī)相連，它采用高性能的FPGA作為協(xié)議算法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)高吞吐率以及低延遲的要求。但是WARP更像是一個(gè)獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的設(shè)備，很難與主計(jì)算機(jī)中的上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無縫相連。另外，WARP也沒有提供對(duì)FPGA中硬件編程的友好支持。

除此之外，還有一些其他結(jié)構(gòu)的無線開發(fā)平臺(tái)，例如DSP、GPU等。DSP和ASIC芯片一樣，能夠提供非常好的性能，但是內(nèi)部算法和結(jié)構(gòu)無法修改，無法達(dá)到靈活性的要求。而基于GPU的無線開發(fā)平臺(tái)也有其局限性。GPU的數(shù)據(jù)并行計(jì)算結(jié)構(gòu)并不適用于無線底層的計(jì)算模型，而且GPU本身無法和射頻前端直接相連，這樣就需要一種辦法將GPU中的計(jì)算結(jié)果迅速地傳遞給射頻前端，這將會(huì)導(dǎo)致非常大的延遲。

綜上所述，當(dāng)前的無線底層平臺(tái)未能在高性能、高可定制性、高兼容性和開放性上均達(dá)到令人滿意的指標(biāo)。

1.4 GRT系統(tǒng)

針對(duì)于其他無線網(wǎng)絡(luò)底層平臺(tái)的弊端，本文自主設(shè)計(jì)了GRT系統(tǒng)。GRT系統(tǒng)是一個(gè)具備高可定制性、高兼容性與開放性，同時(shí)又能達(dá)到無線協(xié)議所需的性能要求的無線網(wǎng)絡(luò)底層軟硬件平臺(tái)。

GRT系統(tǒng)的前期相關(guān)工作已經(jīng)在HEART 2014[7]和ICFPT 2014[8]兩處國際會(huì)議中做過介紹。第一篇文章重點(diǎn)敘述GRT的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二篇文章重點(diǎn)敘述802.11a/g協(xié)議在GRT平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。

本文將重點(diǎn)介紹GRT在高性能、高可定制性、高兼容性與開放性這3方面的相關(guān)技術(shù)，同時(shí)還展示評(píng)測(cè)了GRT系統(tǒng)的最新成果。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1) 高性能

對(duì)于一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)底層平臺(tái)來說，高吞吐率和低延遲是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的迅猛發(fā)展，未來的無線平臺(tái)應(yīng)當(dāng)提供至少100 Mbps的數(shù)據(jù)吞吐率及微秒量級(jí)的延遲。采用普通的CPU作為計(jì)算平臺(tái)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的，即便是采用硬件作為計(jì)算工具，也需要對(duì)算法、底層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，才可以滿足系統(tǒng)在無線環(huán)境中真實(shí)全速率通信的要求。

2) 高可定制性

作為無線領(lǐng)域的研發(fā)者，總是希望在最短的時(shí)間內(nèi)在平臺(tái)上完成自主定制的協(xié)議設(shè)計(jì)。這就要求系統(tǒng)給用戶提供良好的用戶接口，并保證良好的高可定制性，即研發(fā)者可以方便地修改、添加、移除相關(guān)的軟硬件功能模塊；也能方便地修改、調(diào)整底層軟硬件平臺(tái)的參數(shù)。

3) 高兼容性與開放性

對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說，僅有無線網(wǎng)絡(luò)底層的研究是不夠的。無線網(wǎng)絡(luò)底層必須和上層協(xié)議的研究相結(jié)合。因此，研究的目標(biāo)是能夠?qū)⒌讓訜o線平臺(tái)和上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無縫對(duì)接，使得研發(fā)者能夠靈活自主地完成網(wǎng)絡(luò)跨層次優(yōu)化。這就要求GRT系統(tǒng)能夠定制成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟硬件平臺(tái)，并提供開放接口，易于上層網(wǎng)絡(luò)獲取信息及控制。

2.2 GRT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 GRT系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

GRT系統(tǒng)如圖1所示，主要由PC機(jī)、FPGA和USRP共3部分組成。

圖1 GRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PC機(jī)主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上層協(xié)議棧的相連以及完成一些控制與調(diào)度的工作。GRT系統(tǒng)在PC機(jī)中提供了一個(gè)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，用于協(xié)調(diào)MAC層與TCP/IP層之間的交互，在不考慮性能的情況下，PC機(jī)端也能基于軟件完成所有的PHY層、MAC層算法。另外，在PC端，GRT系統(tǒng)提供了一個(gè)友好的圖形化編程軟件和測(cè)試軟件，用戶可以基于GRT系統(tǒng)快速自主開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法。

FPGA是GRT系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要計(jì)算平臺(tái)，PHY層的基帶處理算法和MAC層的調(diào)度算法均在FPGA中實(shí)現(xiàn)。FPGA與計(jì)算機(jī)之間采用PCIe接口連接，GRT系統(tǒng)提供了一個(gè)高速的PCIe接口驅(qū)動(dòng)，使得計(jì)算機(jī)和FPGA之間能夠高速、低延遲的傳輸數(shù)據(jù)，在全雙工模式下，可提供高達(dá)43.02 Gbps的傳輸速率[9]。

USRP是一個(gè)通用軟件無線電外設(shè)，它完成了上下變頻和射頻信號(hào)的收發(fā)等工作。當(dāng)USRP作為發(fā)送設(shè)備時(shí)，它從以太網(wǎng)口獲得基帶采樣信號(hào)，最終形成射頻信號(hào)發(fā)送出去；當(dāng)USRP作為接收設(shè)備，它從空口獲得射頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換成基帶采樣信號(hào)后，從以太網(wǎng)口傳遞出來。在GRT系統(tǒng)中，提供兩種不同的USRP連接方式，包括以太網(wǎng)直連方式與非直連方式。使用直連方式時(shí)，USRP和FPGA直接連接；使用非直連方式時(shí)，USRP與PC機(jī)連接。在非直連的情況下，F(xiàn)PGA和USRP之間的交互需要經(jīng)過PC機(jī)的協(xié)調(diào)才能完成。

2.2.2 GRT系統(tǒng)的高性能設(shè)計(jì)

GRT系統(tǒng)的高性能體現(xiàn)在高吞吐率和低延遲兩個(gè)方面。為了達(dá)到高性能這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)采用了多時(shí)鐘域流水線結(jié)構(gòu)和USRP與FPGA直連的設(shè)計(jì)方案。

1) 多時(shí)鐘域流水線結(jié)構(gòu)。在GRT系統(tǒng)的FPGA中，PHY層采用模塊化設(shè)計(jì)方案，模塊之間采用異步FIFO進(jìn)行連接，模塊與模塊之間采用流水線結(jié)構(gòu)。由于PHY層不同的模塊的數(shù)據(jù)吞吐率是不同的，因此采用了多時(shí)鐘域技術(shù)，解決不同模塊之間的速率匹配問題。這樣可以保證GRT系統(tǒng)不被吞吐率最低的模塊的速率所限制，達(dá)到高吞吐率的特征。

2) USRP與FPGA直連。如圖1所示，GRT系統(tǒng)提供了兩種不同的USRP連接方式，與FPGA直連或者非直連。采用非直連的方式時(shí)，每當(dāng)基帶采樣信號(hào)需要在USRP和FPGA之間傳遞時(shí)，都需要通過計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的傳遞。整個(gè)傳遞過程需要完成FPGA與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞、PC機(jī)與USRP之間的數(shù)據(jù)傳遞兩個(gè)步驟。若采用直連方式，F(xiàn)PGA直接通過以太網(wǎng)接口與USRP相連，基帶采樣信號(hào)直接在FPGA于USRP之間傳遞，不再經(jīng)過PC機(jī)。這樣的設(shè)計(jì)大大減少了數(shù)據(jù)繞路所造成的延時(shí)。

在802.11a/g協(xié)議中，ACK幀需要在數(shù)據(jù)幀發(fā)完后的16 us(SIFS時(shí)間)被發(fā)出。根據(jù)測(cè)試，采用非直連的方式時(shí)，ACK的響應(yīng)時(shí)間約為600～800 us；而采用直連的方式時(shí)，此時(shí)間會(huì)縮短到幾十微秒。

2.2.3 GRT系統(tǒng)的高可定制性設(shè)計(jì)

為了達(dá)到自主可定制這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)采用了以下設(shè)計(jì)方案。

1) 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。GRT的每一個(gè)模塊既可以在硬件中實(shí)現(xiàn)，也可以在軟件中實(shí)現(xiàn)。軟硬件之間采用高速PCIe總線進(jìn)行通信，且軟硬模塊可以隨時(shí)切換。

如圖2所示，PHY層的發(fā)送端前3個(gè)模塊分別是擾碼、FEC編碼和交織。在GRT系統(tǒng)中，所有模塊可以全部采用軟件進(jìn)行開發(fā)、也可以全部采用硬件進(jìn)行開發(fā)，分別對(duì)應(yīng)上半部分、下半部分的流水線結(jié)構(gòu)。除此之外，GRT系統(tǒng)還提供軟硬件交錯(cuò)開發(fā)的模式，所有模塊都可以自由地在軟硬件之間進(jìn)行切換。例如擾碼和交織模塊選用軟件模塊、而FEC編碼選用硬件模塊。

圖2 軟硬件協(xié)同開發(fā)結(jié)構(gòu)

這樣的設(shè)計(jì)為開發(fā)者提供了一套非常靈活的結(jié)構(gòu)，即開發(fā)者需要對(duì)協(xié)議進(jìn)行修改時(shí)，可以任意選擇在軟件或者硬件中做開發(fā)，并支持開發(fā)者從快速的純軟件開發(fā)開始，逐步修改相應(yīng)模塊轉(zhuǎn)為高性能的硬件流水線。

對(duì)于FPGA硬件編程，GRT還支持采用C/C++編寫硬件模塊(C-to-RTL，例如AutoESL或者Vivado HLS[10])。

2) 軟件設(shè)計(jì)框架。對(duì)于FPGA中的PHY層的模塊，GRT提供一套開發(fā)環(huán)境，能夠自動(dòng)地生成硬件的互連部分并將硬件模塊組成流水線。這樣，用戶在設(shè)計(jì)PHY層模塊的時(shí)候，就不必關(guān)注到硬件具體的設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)當(dāng)中，能夠?qū)⒕性谀K算法的設(shè)計(jì)當(dāng)中。這樣的設(shè)計(jì)既保證了高吞吐率的特性，又保證了良好的可編程性。

2.2.4 GRT系統(tǒng)的高兼容性與開放性設(shè)計(jì)

GRT提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，能夠和主計(jì)算機(jī)中的TCP/IP層進(jìn)行交互。加載驅(qū)動(dòng)后，GRT系統(tǒng)能夠作為一個(gè)可定制無線網(wǎng)卡使用。當(dāng)定制為標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)卡時(shí)，能夠和商業(yè)WiFi設(shè)備進(jìn)行交互。

GRT系統(tǒng)還提供開放的字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)，提供信息和控制接口，使進(jìn)一步對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)底層進(jìn)行管控成為了可能(例如與軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN進(jìn)行對(duì)接)。

3 系統(tǒng)評(píng)測(cè)

3.1 評(píng)測(cè)環(huán)境

GRT的測(cè)試環(huán)境如圖3所示，包括普通的PC機(jī)、FPGA開發(fā)板和USRP。PC機(jī)上安裝有Linux 12.04版本的操作系統(tǒng)，F(xiàn)PGA開發(fā)板的型號(hào)為Xilinx ML605，USRP的母板型號(hào)為USRP N210[11]，射頻子板型號(hào)為XCVR 2450。

圖3 GRT系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

FPGA開發(fā)板直接插在計(jì)算機(jī)主機(jī)的PCIe插槽中，USRP和FPGA之間采用以千兆太網(wǎng)線直接相連。這樣，每一臺(tái)PC機(jī)就對(duì)應(yīng)了一個(gè)無線系統(tǒng)的終端。

3.2 GRT對(duì)802.11a/g的支持

作為應(yīng)用示例，在GRT系統(tǒng)上“定制”了標(biāo)準(zhǔn)的802.11a/g無線協(xié)議。

3.2.1 理論速率測(cè)試

表1、表2給出了基于GRT系統(tǒng)的802.11a/g的硬件PHY層理論性能測(cè)試。由于PHY層采用模塊化流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)PHY層性能限制于模塊中吞吐率最慢的模塊。因此，PHY層流水線在這個(gè)設(shè)計(jì)中最高可能達(dá)到的吞吐率為125 Mbps(802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)中的最高吞吐率為54 Mbps)。

表1 PHY層發(fā)送端主要模塊性能評(píng)測(cè)

表2 PHY層接收端主要模塊性能評(píng)測(cè)

3.2.2 單向傳輸速率測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)基于802.11a/g協(xié)議的GRT系統(tǒng)，一臺(tái)作為發(fā)送端，一臺(tái)作為接收端。無線收發(fā)采用標(biāo)準(zhǔn)802.11a/g MAC層協(xié)議的DCF(分布式協(xié)調(diào)功能)機(jī)制。

測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)，頻段為WiFi支持的標(biāo)準(zhǔn)頻段信道10(即中心頻率為2.457 GHz)。測(cè)試采用64-QAM的調(diào)制方式、3/4的卷積編碼率，數(shù)據(jù)幀的長度為4 095 byte。本文在不同的帶寬下，測(cè)試GRT系統(tǒng)的單向傳輸速率。

圖4是在12.5 MHz的帶寬情況下，單向傳輸?shù)乃俾式y(tǒng)計(jì)情況。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置傳輸總時(shí)間為15 s，每秒統(tǒng)計(jì)一次平均速率。圖4主要展現(xiàn)了傳輸平均速率隨時(shí)間變化的結(jié)果。

圖4 12.5 M帶寬時(shí)GRT系統(tǒng)單向速率測(cè)試

表3表示在不同帶寬時(shí)，單向傳輸速率的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果包括平均速率以及最大瞬時(shí)速率。

表3 不同帶寬時(shí)單向傳輸速率測(cè)試

由于采用的射頻前端USRP N210母板對(duì)20 MHz的頻寬支持不好，導(dǎo)致其平均速率受限。最高的平均速率在12.5 MHz的頻寬處。

3.2.3 GRT系統(tǒng)與商業(yè)WiFi設(shè)備的交互

實(shí)驗(yàn)遵循802.11a/g協(xié)議，采用20 MHz的帶寬，將GRT系統(tǒng)配置為AP模式。實(shí)驗(yàn)中，將AP的SSID設(shè)置為“GRT_AP”，之后手機(jī)可以通過WiFi搜索到該SSID，成功連接上“GRT_AP”并通過瀏覽器訪問網(wǎng)絡(luò)。

圖5的左半部分顯示了手機(jī)連上GRT_AP的信息，GRT_AP為手機(jī)分配了IP地址。圖5的右半部分顯示手機(jī)通過GRT_AP訪問視頻網(wǎng)站，流暢地觀看網(wǎng)絡(luò)視頻。

圖5 手機(jī)通過GRT_AP上網(wǎng)

3.3 MIMO測(cè)試

GRT平臺(tái)已經(jīng)在軟件端實(shí)現(xiàn)了2*2 MIMO，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，接收端可以成功解調(diào)發(fā)送端通過無線信道發(fā)出的數(shù)據(jù)。GRT的MIMO系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試環(huán)境如圖6所示。

圖6 基于GRT的MIMO系統(tǒng)

圖7是某次MIMO接收端信道估計(jì)得到的4組信道參數(shù)(H11、H21、H12、H22)的模值。

圖7 2*2 MIMO信道估計(jì)參數(shù)

4 總結(jié)與展望

GRT系統(tǒng)是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)底層軟硬件開放平臺(tái)，為定制無線的研發(fā)者和特殊需求的使用者提供了高性能、可定制的無線網(wǎng)絡(luò)底層環(huán)境。目前已經(jīng)在GRT系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了一套完全自主編寫的基于802.11a/g協(xié)議的硬件代碼，性能超過了協(xié)議的要求，且能夠與商用WiFi設(shè)備進(jìn)行互通。GRT系統(tǒng)對(duì)802.11n協(xié)議的支持正處于開發(fā)過程中。

未來的GRT系統(tǒng)將會(huì)繼續(xù)發(fā)展。實(shí)現(xiàn)更高的速率、更好的編程性，并為用戶提供更加豐富、開放的可定制功能。

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編 輯 蔣 曉

GRT: a High-Performance Customizable HW/SW Open Platform for Underlying Wireless Networks

WU Hao-yang1, WANG Tao1,3, CHEN Jia-hua1, GONG Jian1, LI Xiao-guang1, ZHANG Gao-han1, and Lü Song-wu2,3

(1. School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University Haidian Beijing 100871; 2. Computer Science Department, University of California, Los Angeles Los Angeles CA USA 90095; 3. PKU-UCLA Joint Research Institute in Science and Engineering Haidian Beijing 100871)

With the rapid development of wireless technology, wireless developers and users for special needs require a high-performance, customizable hardware/software(HW/SW) open platform for underlying wireless networks. This paper describes the design and implement of our proposed GRT platform, which can provide the features of high-performance, highly customizability, compatibility, and openness. As an example, we have implemented a set of SW/HW codes following 802.11a/g protocol. The system based on these codes exceeds the maximum data rate of the physical layer specified in the protocol, and can communicate with commodity WiFi devices.

customizable; high-performance; open platform; wireless

TP393.02

B

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.01.021

2014-04-09；

2014-12-01

國家自然科學(xué)基金(61370056)

吳浩洋(1991-)，男，博士生，主要從事無線通信、無線局域網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究.