WiMAX系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的分析研究

曾長(zhǎng)隆 ，魏國(guó)慶 ，何 鵬 ，梅 伶

（1.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030；2.重慶市科能高級(jí)技工學(xué)校信息中心，重慶400037）

1 引言

實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)，即實(shí)時(shí)地及時(shí)完成各種操作，在無(wú)線通信領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，以O(shè)FDM系統(tǒng)為例，一個(gè)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，可以隨時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)運(yùn)行情況，包括數(shù)據(jù)流傳輸、時(shí)頻二維數(shù)據(jù)分析、信道質(zhì)量等，作為輔助手段很好地確保分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著高性能DSP以及FPGA等處理器技術(shù)的發(fā)展，采用多個(gè)處理器并行處理是提高系統(tǒng)處理能力的有效途徑，因此系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)傳輸成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1]。

實(shí)時(shí)信號(hào)處理的仿真平臺(tái)可以分為軟件仿真平臺(tái)和硬件仿真平臺(tái)。目前，已有大量文獻(xiàn)對(duì)通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行了研究，從不同角度提出了多種解決方法。文獻(xiàn)[2-4]以MATLAB的Simulink模塊建立系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)分析，以良好的實(shí)時(shí)性分析物理層每個(gè)模塊的運(yùn)行情況，但它是脫離硬件平臺(tái)而運(yùn)行的。文獻(xiàn)[5]基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，但只能是子模塊，不能看到全套系統(tǒng)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[6]基于DSP和FPGA硬件實(shí)時(shí)信號(hào)處理，硬件操作，不能對(duì)相關(guān)PHY層算法分析處理?；谏鲜銮闆r，通過(guò)軟件和硬件結(jié)合的方式，研究一套基于OFDM系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。首先簡(jiǎn)要介紹實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的基本框架，然后對(duì)重點(diǎn)模塊展開(kāi)說(shuō)明，最后對(duì)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真和結(jié)果驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)模型

一個(gè)典型的WiMAX實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的流程框圖如圖1所示。如圖，當(dāng)物理層處在高速通信過(guò)程當(dāng)中，若出現(xiàn)信號(hào)通信質(zhì)量不好的狀況，需要對(duì)物理層信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析，那么就要實(shí)時(shí)采集當(dāng)前PHY層的信號(hào)。在PC端使用由MFC編寫(xiě)的消息界面，通過(guò)以太網(wǎng)，對(duì)MAC發(fā)布要采集數(shù)據(jù)的命令，MAC收到命令之后，通過(guò)IPC消息，對(duì)PHY層發(fā)出采集數(shù)據(jù)類型命令，DSP收到消息后，立即進(jìn)行處理，傳輸當(dāng)前接收到命令的模塊輸出數(shù)據(jù)到PC端，由MATLAB仿真軟件對(duì)PC端數(shù)據(jù)文件進(jìn)行物理層仿真，分析當(dāng)前信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)仿真平臺(tái)框圖

3 模塊分析

3.1 接口消息

PC端通過(guò)界面發(fā)出需要采集的數(shù)據(jù)類型消息命令，來(lái)采集系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理。PC端界面?zhèn)鬏斚⒚畹慕涌陬愋腿绫?所示；消息傳輸界面如圖2。

表1 PC端發(fā)送消息類型

圖2 PC端消息傳輸界面

3.2 DMA控制模塊概述

DSP中數(shù)據(jù)傳輸模塊為DMA，當(dāng)DSP核工作時(shí)，DMA控制器使能數(shù)據(jù)的傳輸，它能通過(guò)總線傳輸數(shù)據(jù)到M2、M3和DDR SDRAM。多達(dá)16個(gè)數(shù)據(jù)通道，每個(gè)通道能被DSP子系統(tǒng)調(diào)用，也可被2個(gè)外部RapidIO和PCIe接口調(diào)用。所有的通道可以進(jìn)行復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)移動(dòng)和交互。DMA控制器支持智能仲裁算法，如輪轉(zhuǎn)使用基于定時(shí)器機(jī)制的截止期最早優(yōu)先算法，也支持應(yīng)用開(kāi)發(fā)和測(cè)試的調(diào)試模式[7]。DMA的工作流程如圖3所示。MAC層通過(guò)IPC發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的消息給DSP，DSP啟動(dòng)DMA模塊，將DSP系統(tǒng)內(nèi)存當(dāng)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP與PA端共享內(nèi)存當(dāng)中，同時(shí)DSP通過(guò)IPC響應(yīng)消息給MAC，告訴MAC層可以取數(shù)據(jù)了。

圖3 DMA工作流程

3.3 Socket網(wǎng)絡(luò)通信

Socket（套接字）是建立在傳輸層協(xié)議（主要是TCP和UDP協(xié)議）上的一種套接字規(guī)范，用于描述IP地址和端口，是一個(gè)通信鏈句柄。應(yīng)用程序通常通過(guò)Socket向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求[8]。如圖1中的PC機(jī)即是通過(guò)Socket傳遞消息和應(yīng)答請(qǐng)求，以及需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的。

3.4 物理層仿真系統(tǒng)說(shuō)明

PC機(jī)采集到實(shí)時(shí)射頻數(shù)據(jù)，生成的射頻數(shù)據(jù)文件，即可以通過(guò)仿真系統(tǒng)加載射頻文件，分析當(dāng)前物理層譯碼情況。射頻數(shù)據(jù)格式分為實(shí)部和虛部，分別以I、Q來(lái)表示，所接收的數(shù)據(jù)表示為D，單位為字節(jié)。WiMAX物理層仿真系統(tǒng)界面如圖4。其工作流程可歸納為以下4點(diǎn)：

1)通過(guò)加載的射頻文件，進(jìn)行子模塊數(shù)據(jù)分析，包含收端信號(hào)頻譜分析、FFT輸出數(shù)據(jù)分析、插值結(jié)果分析、均衡輸出數(shù)據(jù)分析、解調(diào)軟信息分析以及最后的譯碼結(jié)果分析等，在圖形界面當(dāng)中顯示得出系統(tǒng)的分析可視化結(jié)果；

圖4 收端物理層仿真系統(tǒng)界面

2)通過(guò)不同的算法比較分析譯碼性能，有效提升系統(tǒng)仿真分析效果；

3)以信噪比和場(chǎng)強(qiáng)顯示當(dāng)前信道質(zhì)量，用以指導(dǎo)判斷系統(tǒng)性能；

4)通過(guò)收端計(jì)算出同步參數(shù)，判斷相關(guān)峰的同步位置信息、頻偏信息，為后續(xù)譯碼提供參考。

4 系統(tǒng)仿真

物理層協(xié)議以WiMAX協(xié)議為例，驗(yàn)證該仿真分析系統(tǒng)在通信當(dāng)中的有效性，分別通過(guò)ping包通信和灌包查看流量的方式說(shuō)明仿真系統(tǒng)作為測(cè)試工具在系統(tǒng)中所起的作用。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)ping包通信掉包或者系統(tǒng)流量異常的情況下，通過(guò)仿真平臺(tái)對(duì)采集到的系統(tǒng)物理層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

下行調(diào)制階數(shù)為QPSK 1/2時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)ping包通信。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象，如圖5所示。通過(guò)系統(tǒng)仿真軟件平臺(tái)采集到均衡模塊輸出后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)星座點(diǎn)有頻偏，說(shuō)明在收端的頻偏糾正過(guò)程，頻偏計(jì)算不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)糾正不完全，導(dǎo)致最后出現(xiàn)數(shù)據(jù)解析出錯(cuò)的情況發(fā)生，如圖6所示。

圖5 ping包通信掉包

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤

下行調(diào)制階數(shù)為16QAM 1/2時(shí)，在數(shù)據(jù)灌包過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)流量監(jiān)控軟件發(fā)現(xiàn)，接收信號(hào)出現(xiàn)突然下降的情況，通過(guò)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，抓取PHY層信號(hào)進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 發(fā)現(xiàn)速率流量下降

針對(duì)這一數(shù)據(jù)流量下降的異常，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中發(fā)現(xiàn)，在信道插值過(guò)程中信道系數(shù)發(fā)生了變化，一幀信號(hào)內(nèi)，前幾個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)和后幾個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的信道特性不一致，如圖8所示。這一變化導(dǎo)致最后數(shù)據(jù)突發(fā)解析出錯(cuò)，造成數(shù)據(jù)丟失。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)特性，進(jìn)行分析，最終定位信號(hào)出問(wèn)題的模塊為信道估計(jì)模塊。

圖8 數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)信道特征變化

5 結(jié)束語(yǔ)

從理論分析出發(fā)，結(jié)合軟件硬件平臺(tái)特性，研究了基于WiMAX協(xié)議的通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真系統(tǒng)以ping包和灌包兩種通信方式進(jìn)行說(shuō)明，表明在設(shè)備通信過(guò)程當(dāng)中，仿真系統(tǒng)可以很好地監(jiān)控收發(fā)端的物理層數(shù)據(jù)、信道數(shù)據(jù)以及譯碼數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，快速判斷出PHY層信號(hào)中是哪個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題，并及時(shí)解決，確保了調(diào)試系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。