孙彦景， 陈 岩， 王艳芬, 李 松， 施文娟,2

(1. 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 221116；2. 盐城师范学院 物理科学与电子技术学院， 江苏 盐城 224002)

基于WARP的无线通信实验研究平台设计

孙彦景1， 陈 岩1， 王艳芬1, 李 松1， 施文娟1,2

(1. 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 221116；2. 盐城师范学院 物理科学与电子技术学院， 江苏 盐城 224002)

针对无线通信研究与教学实验软硬件分离导致的实验结果不准确与实验效果不直观问题，设计实现了基于Matlab与Wireless Open Access Research Platform(WARP)的可视化实验研究平台。该平台基于WARPLAB环境，并以802.11 n物理层标准为原型实现了2×2 MIMO-OFDM传输系统。基于该平台可以进行MIMO无线通信、信源编解码、实测信道参数与OFDM无线通信理论等研究教学实验活动。

无线通信； 实验研究平台； WARP； 802.11n

将新技术应用到研究与教学中可以有效提高研究效率与教学效果。在传统的无线通信研究中,大量研究人员单纯采用计算机软件进行仿真研究,然而当前无线通信研究面临多接入、多阻碍、多干扰、多场景(如隧道、矿井等)等问题,单纯进行仿真研究得到的结果可靠性不够高。同时高校无线通信教学实验中软硬件分离,实验效果不够直观,学生无法直观理解无线通信系统中各部分作用,教学效果不理想。针对这两个问题,设计实现了新型实验研究平台[1-2]。本文基于WARP[3]与Matlab研究设计了可视化的无线通信实验研究平台,结合当前无线宽带通信的核心技术MIMO-OFDM实现。研究人员利用该实验研究平台可以进行无线通信系统中从信源、信道到信宿等内容的系列化研究,也可以对特定通信环境进行原始信道数据参数采集,有利于研究的进一步开展。另一方面,MIMO-OFDM作为当前主流通信技术,其实现系统中包含许多无线通信的基础理论知识,高校无线通信实验教学中可以利用该平台帮助学生直观理解无线通信系统各过程的作用并掌握相关理论。

1 实验研究平台设计与实现

该实验研究平台软件与硬件相结合,基于WARPLAB环境设计实现,主要由编程实现的MIMO-OFDM系统信号处理模块、可视化界面及其对应的回调函数、两块分别用于收发的WARP(节点)与一台用于数据与指令传输的Gbit交换机组成。图1为该实验研究平台的系统框图。

图1 实验研究平台系统框图

1.1 WARP简介

WARP是基于Xilinx FPGA设计的开放式无线研究平台,能够满足研究人员从最底层开始定制无线通信研究平台的需求。本实验研究平台基于其中的WARPLAB环境,它是WARP项目推出的利用PC端Matlab联合硬件平台的无线通信研究环境,该环境利用Matlab来完成数据处理的理论运算,通过以太网(Ethernet)向WARP发送数据与指令完成发送与接收实测。

图2是WARPLAB环境搭建方式,由一个PC端控制多个WARP节点,分别配置各节点为不同工作模式。图3为根据这一模式所搭建的两节点实际硬件平台。

图2 WARPLAB多节点环境

图3 硬件平台

1.2 MIMO-OFDM系统

MIMO-OFDM是在OFDM的基础上采用多天线传输,在实现中需在解决OFDM所面临的符号同步、偏差纠正、信道估计等基础上针对MIMO系统进行信道估计与均衡[4]。针对上述问题,802.11n提供的方案是利用训练符号进行解决。

802.11n物理层帧数据结构是在802.11a基础上扩充而来,本文针对硬件平台特性,采用2×2 MIMO方式,数据结构采用V-BLAST结构。根据802.11n标准[5],采用的训练符号结构见图4,其中STS表示用于硬件自动增益控制调节的短训练符号；LTS是接收端用于误差纠正与信道估计的长训练符号；LST_B是用来消除接收端利用长训练符号进行符号同步时由前期自动增益采样所带来的偶然性误差。

图4 2×2 MIMO-OFDM前导训练符号结构

接收端符号同步采用SC算法[6],利用LST翻转的共轭复数与接收数据进行卷积计算,在相关性最大处可以得到峰值,据此来进行初步符号同步。

载波频率偏差采用Moose算法[7]进行纠正,利用接收到的两路频域LTS作为参考数据；之后利用OFDM数据结构中的4路的导频信息纠正补偿残存的频率偏差与相位误差。

当前对于采样频率误差估计的研究较少,且原有的估计算法存在实现复杂或估计不准确、误差率高等问题[8-9],设计采用文献[10]提出的基于导频易于实现的误差估计算法。

信道估计在频域基于训练符号完成,常用的有最小二乘法(LS)和最小均方误差法(MMSE)[5]。MMSE算法性能优于LS算法,但其复杂度远远大余LS算法,且需要知道信道的相关值,但在实际使用中难以取得[11]。所以本设计采用LS算法。最终计算方式见式(1),其中RLTS为接收到的长训练符号,LTS为原发送训练符号。

(1)

1.3 可视化平台

实验研究平台基于WARPLAB环境设计实现,因此采用Matlab GUI来完成可视化平台的编写与实现。Matlab由于其强大的数字信号处理与仿真建模功能为大部分研究人员所采用,也是国内大量高校在教学过程中主要使用的教学软件[12],因此不需要专门学习即可以快速、高效地利用该平台进行研究与实验教学。

可视化平台的主要功能是完成WARPLAB环境配置、发送数据选取、调用MIMO-OFDM通信系统模块进行数据处理、硬件参数配置、过程与结果信息显示等。可视化平台的回调函数通过调用WARPLAB提供的库函数并利用UDP协议，通过以太网进行数据与指令的传输,主要涉及节点功能配置、配置收发节点的天线功能与天线对应的收发寄存器使能与数据读取写入。可视化平台的回调函数通过调用编写的通信系统各模块算法完成无线通信传输过程中除收发之外的所有数据处理过程。针对WARPLAB环境特性收发数据必须为正交数据,因此在进行数据收发之前必须对数据进行正交调制。

图5为所编写的可视化实验平台界面,平台可以直接设置选取WARP节点基本参数配置WARPLAB环境,如图5中环境参数配置部分。平台可以设计系统运行方式、正交调制类型、收发模式与运行模式,针对运行模式中的教学模式可以对MIMO-OFDM通信系统中的各种误差纠错模块选择是否加载,也可以控制发射天线功率增益,有利于教学实验中帮助学生直观理解通信系统各过程。研究模式下程序按照实际通信系统运行,研究人员可以通过替换部分原有的算法处理模块来进行算法验证研究。平台显示系统包括收发图片、符号同步效果、收发星座图、信道估计、矢量幅度误差，并以数值形式显示信噪比、误码数、误比特数与对应总值,通过性能分析可以输出多次实验中信噪比与误码率关系。图6为平台使用中符号同步和手法星座图显示图。

图5 可视化实验平台界面

2 实验研究平台使用

利用该实验研究可以进行包含通信系统中信源至信宿的所有过程的研究,包括信源编解码、信道编解码、信道估计、误差纠错方法研究等。实现过程仅需要修改简单添加、修改主程序中算法调用步骤与简单修改前后函数的接口函数。比如进行信源编码研究可在图片像素点提取算法之后加入所设计的编码模块接收像素点提取模块输出，并将编码结果输出到下一步执行函数,最后在接收端对应部分添加解码模块即可。针对误差纠错算法研究可以在原有算法上进行修改或直接替换即可运行。平台还可以利用方便移动的天线对信道环境进行测量。

该平台用于实验教学时可以用于OFDM无线通信理论教学,通过显示通信过程中符号同步与星座图等帮助学生掌握相应的通信理论,同时可以通过勾选与配置误差处理方法之后观察效果图,使学生对相应的误差影响与纠错作用理解更直观。在相关理论部分可以引导学生对算法进行简单修改,通过观察实际效果可以帮助学生有效地理解,加强实验效果。

3 平台优势

实验研究平台优势体现在以下几个方面：

(1) 系统传输链路采用802.11n物理层传输标准,MIMO-OFDM是当前无线通信物理层核心技术,是当前无线通信研究的切入点,这一通信链路的搭建有利于进一步进行研究。MIMO-OFDM包含许多无线通信理论,用于实验教学有利于帮助学生掌握相关理论,并跟上通信研究方向。

(2) 系统软硬件结合,信息在实际信道传输,较传统的软件仿真研究结果更加具有说服力。

(3) 实验研究开展容易,平台主要基于Matlab实现。Matlab由于其强大的数字信息处理能力与使用灵活性被很多研究人员和高校教学所采用,因此平台使用无门槛。

(4) 该实验研究平台易于扩展改进,平台将通信系统模块化,研究人员可以较为灵活地进行系统模块算法改进与增加其他处理模块研究。

(5) 中间过程显示直观。平台通过图形方式显示通信系统过程误差纠错、符号同步与星座图等效果图,用在教学实验中可以通过选取有无误差处理方式等参数改变显示效果,可以帮助学生直观理解相应差错的影响与纠错算法原理作用。

4 结语

基于WARP的MIMO-OFDM实验研究平台提供一种新型高效的实验研究模式。平台软硬件结合,既可以进行仿真研究,也可以进行实际收发信道研究测试,研究结果更加真实可靠。研究人员可以利用平台进行无线通信系统中各模块算法理论研究与测试,也可以在该实验研究平台基础上深入研究,减少基础模型搭建的时间,提高研究效率。同时平台可以作为系统原型帮助研发人员进行相关产品的开发测试。平台用于高校实验教学时可以与相关课程进行结合使用,学生能够自己搭建通信系统模型,实验效果直观,可以帮助学生在实际通信环境中学习掌握相关知识。

致谢：感谢南京南瑞继保电气有限公司对本研究的资助。

References)

[1] 杨宇红,袁焱,田砾,等.基于软件无线电平台的通信实验教学[J].实验室研究与探索,2015,34(4):186-188.

[2] 邢鑫,赵慧. 基于LabVI EW和USR P的软件无线电通信实验平台设计[J]. 实验技术与管理,2016,33(5)：160-164.

[3] Rice University WARP Project[EB/OL].[2016-10-21].Available:http://warpproject.org/trac/.

[4] Yong Soo Cho,Jaekwon Kim,等著. MIMO-OFDM无线通信技术及MATALB实现[M].孙锴,黄威,译.北京：电子工业出版社,2013.

[5] IEEE.IEEEstd 802.11n-2009 Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control( MAC ) and Physical Layer( PHY ) specifications Amendment 5 : Enhancements for Higher Throughputp[S].2009.

[6] Schmidl T M,Cox D C. Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM[J]. IEEE Transactions on Communications,1998,45(12):1613-1621.

[7] Moose P H. A Technique for Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Frequency Offset Correction[J].IEEE Transactions on Communications,1994,42(10):2908-2914.

[8] Wu Y,Zhao Y,Li D. Sampling Frequency Offset Estimation for Pilot-Aided OFDM Systems in Mobile Environment[J]. Wireless Personal Communications,2012,62(1):215-226.

[9] Sliskovic M. Sampling frequency offset estimation and correction in OFDM systems[C]// The IEEE International Conference on Electronics,Circuits and Systems. 2001:437-440 .

[10] 曲亮,史治国,顾宇杰,等. 易于硬件实现的OFDM系统采样频率同步算法[J]. 浙江大学学报(工学版),2007,41(6):935-940.

[11] 崔丽珍,孙瑞璇. 基于IEEE 802.11a的OFDM系统信道估计算法研究及实现[J]. 电视技术,2012,36(15):97-99.

[12] 王艳芬,张晓光,李剑. 加强Matlab实验环节,促进研究性课程教学改革[J]. 实验技术与管理,2010,27(11):111-113.

Design of experimental research platform for wireless communication based on WARP

Sun Yanjing1， Chen Yan1， Wang Yanfen1， Li Song1， Shi Wenjuan1,2

(1. School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China; 2. College of Physical Science and Electronic Technology，Yancheng Teachers University，Yancheng 224002，China)

Aiming at the problem that the experimental results are inaccurate and non-intuitive, which are brought about by the separation of the wireless communication research from the hardware and software of the teaching experiment, a visualized experimental research platform is designed and realized on the basis of Matlab and WARP(wireless open access research platform). The platform is based on WARPLAB environment, and by using the 802.11n physical layer standard as the prototype, 2×2 MIMO-OFDM transmission system is achieved. Based on this platform, the research, teaching and experimental activities can be carried out for the MIMO wireless communication, the signal source coding and decoding, the real measurement of the signal channel parameters, the OFDM wireless communication theory, etc.

wireless communication; experimental research platform; WARP; 802.11n

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.019

2016-10-25 修改日期：2016-12-08

江苏省高等教育教改研究立项课题(2015JSJG275)；教育部第六批国家特色专业建设项目(TSlZ293)；全国工程专业学位研究生教育教改项目(2016-ZX-224)；中国矿业大学课程建设与教学改革项目(201208)

孙彦景(1977—)，男，江苏徐州，博士，教授，主要从事无线通信与嵌入式系统方面的科研和教学工作.

E-mail：yanjingsun_cn@163.com

TN911；G484

A

1002-4956(2017)4-0074-04