XSRP平台的TD-LTE物理层协议实验设计.pdf

第卷 第期 年月：平 台 的物 理 层 协 议 实 验 设 计李安，杨 建 文，王 玉?，周 辉 林（南 昌 大 学 信 息 工 程 学 院，南 昌）摘要：针 对 通 信 技 术 更 新 迅 速，导 致等 无 线 通 信 设 备 更 新 价 格 昂 贵，从 而 提出 使 用 通 用 软 件 无 线 电 开 发 平 台实 现物 理 层 协 议 实 验，设 计 并 实 现了物 理 层 协 议 的 收 发 通 信 实 验。设 计 的 实 验 中和 上 位 机 通 过 以 太网 口 传 输 数 据 流，基 于 软 硬 件 协 同，上 位 机 利 用负 责 获 取 处 理 基 带 数 据 流 和配 置射 频 参 数，负 责 数 据 实 时 处 理 和 射 频 收 发。通 过 实 验 表 明：基 于通 用 平 台 的 收 发 天 线，在 真 实 信 道 环 境 条 件 下 实 现 了 多 机 通 信，真 实 模 拟 了物 理 层 协 议 的 实 现 过 程，接 近 现 实 的 通 信 系 统，为 移 动 通 信 系 统 协 议 栈 的原 型 开 发 与 验 证 提 供 了 范 例。关 键 词：软 件 无 线 电 平 台；时 分 双 工 长 期 演 进；物 理 层 协 议；实 验 设 计；真 实 信 道环 境中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，（），：；（）；收 稿 日 期：基 金 项 目：江 西 省 高 等 学 校 教 学 改 革 研 究 省 级 课 题（）；江 西 省专 项 及项 目（，）作 者 简 介：李安（），女，湖 南 邵 阳 人，博 士，教 授，现 主 要 从事 无 线 通 信、软 件 无 线 电 相 关 研 究。：；：引言近 年 来，无 线 通 信 技 术 日 新 月 异，通 信 系 统 日 益 复杂，系 统 设 计 与 性 能 评 估 越 来 越 困 难。高 等 学 校里 传 统 的 无 线 通 信 系 统 的 实 验 开 展 主 要 分 为 固 化 的 实验 箱、纯 软 件 的 仿 真 和 购 买 真 实 的 移 动 通 信 系 统 设第卷备。然 而 固 化 的 实 验 箱，面 临 无 法 扩 展、弹 性 不 足的 困 难，软 件 仿 真 存 在 脱 离 实 际 环 境 过 于 理 想 化 的 情况，而 实 际 的 无 线 通 信 系 统 设 备 价 格 昂 贵，台 套 数 难 以满 足 学 生 人 数 众 多 的 需 求，难 以 大 规 模 运 用 于 高 等 学校 的 实 验 教 学。现 代 的 通 信 实 验 开 展 更 趋 于 基 于 通 用 软 件 无 线 电平 台 结 合 科 学 计 算 语 言、测 试 测 量 工 程 软 件 实 现。典 型 的 通 用 软 件 无 线 电 平 台由 软 件 和 硬 件两 类 资 源 组 成：硬 件 部 分 包 含 可 用 软 件 配 置 硬 件 的 射频 收 发 子 模 块 和 数 字 信 号 处 理（，）子 模 块，并 可 利 用 以 太 网 接 口 与 上 位机 完 成 即 时 通 信，还 具 有 扩 展 灵 活、使 用 简 单 等 特 点；软 件 部 分 基 于开 发，能 够 方 便 调 用程序 并 以 目 录 树 形 式 呈 现 实 验 项 目，可 以 通 过 软 件 配 置射 频 参 数 并 图 形 化 显 示 时 域 和 频 域 波 形，使 系 统 设 计和 评 估 变 得 更 加 便 捷 和 高 效。同 时 利 用可 以 快速 构 建 通 信 系 统，并 经 由 真 实 信 道 收 发，弥 补 传 统 无 线通 信 系 统 实 验 的 不 足。本 文 基 于通 用 软 件 无 线 电 开 发 平 台，结 合科 学 工 程 计 算 语 言，设 计 并 实 现 了物 理 层 协 议 全 流 程 数 据 传 输。同 时，该 系 统 基 于 软 硬件 协 同，可 重 构 性 好，通 过 上 位 机 可 方 便 观 测 控 制 实 验过 程 和 配 置。及 工 作 流 程软 件 无 线 电 开 发 平 台 是 一 个 通 用 平 台，适用 性 更 广，有路 射 频 收 发 通 道，可 支 持天 线 同 时 收发，多 台 同 时 使 用 可 实 现 多 输 入 多 输 出（，）的 多 天 线 收 发 系 统 设 计。的 基 本 硬 件 结 构 包 括：射 频 天 线、射 频 转 换 器、模 数 转 换 器、数 模 转 换 器 和 现 场 可 编 程 门 阵 列（，），具 体 技 术 参 数 如 下：（）硬 件 平 台 为“数 字 基 带宽 带 射 频 传 输”的结 构，其 中 数 字 基 带 必 须 包 括 与 高 速 数 据 总 线 相 连 的模 块，而 不 能 采 用 无或为 一 个 独 立 单 元的 设 计 方 法。（）至 少 提 供个千 兆 网 口，射频 端 口，个 通 用 串 行 总 线（，）接 口，个 通 用 非 同 步 收 发 传 输 器（，）接 口，个通 用 输 入输 出 口（，）接 口，个 阴 极 射 线 示 波 器 端 口，个下 载口，个下 载 口。工 作 频 段 范 围 为 ，支 持 工 作 模 式，包 括 高 精 度 模 拟 数 字 转 换 器（，）和数 字 模 拟 转 换 器（，），通 道 宽 度 范 围 为，包 含 一 个抽 头 的 有 限 脉冲 响 应（，）滤 波 器，最 高 发射 功 率 为 ，发 射 功 率 衰 减 范 围 为 （步 进），最 大 接 收 功 率，接 收 功 率 可调 范 围 为 （步 进）。（）可 利 用 千 兆 以 太 网 口 实 时 发 送 基 带 同 相 正 交（，）信 号 到 上 位 机，在 上 位 机 上除 了 完 成 通 信 算 法 的 处 理 外，还 可 以 利 用 网 口 发 送 基带 信 号 到上，完 成 数 据 的 实 时 处 理（）基 于可 以 方 便 地 使 用 文 件 程序，也 可 以 随 时 调 整、优 化 和 重 写；能 够 通 过 树 形 方 式展 示 所 有 要 完 成 的 实 验，也 能 够 添 加（移 除）新（过 时）的 实 验 项 目。实 验 过 程 中 可 在 测 试 点 观 测、对 比 输 入输 出 信 号，可 图 形 化 地 呈 现 信 号 的 时 域 和 频 域 波 形，并可 以 在 一 个 窗 口 同 时 分 组 查 看、合 并 比 较组 波 形，输出 图 片 格 式 的 波 形，也 可 以 在 软 件 界 面 上 设 置 软 件 无线 电 平 台 的 收 发 射 频 参 数。的 硬 件 连 接 如 图所 示：通 过 以 太 网线 与 上 位 机 相 连，上 位 机 产 生 信 源 参 数 通 过 以 太 网 口传 送 给的模 块 产 生 已 调 信 号 同 相正 交（，）数 据。上 位 机 一 方 面 可 以观 察 已 调 信 号 时 频 特 征，另 一 方 面 通 过 以 太 网 线 把数 据 传 送 给的，通 过 数 字 上 变 频（，）和 数 模 变 换，经 过 放 大 器和 发 射 天 线将 信 源 发 送 出 去。图 的 硬 件 连 接 示 意 图 发 射 的 信 号 经 过 实 际 的 无 线 传 播 信 道 后，由的 接 收 天 线通 道 接 收，接 收 信 号 通 过模 块 的 低 噪 音 放 大 器、数 字 下 变 频（，）和 模 数 转 换 等 处 理，产 生 数 据，首 先 通 过 以 太 网 线 将 数 据 传 送 给 上 位 机 用 于 观 察接 收 信 号 的 时 频 特 征，上 位 机 再 将 数 据 传 送 给模块，对 数 据 进 行 解 调 等 处 理，恢 复 出 原 始 信 号。恢复 出 的 原 始 信 号 和 发 送 的 原 始 信 号 可 以 在 上 位 机 上 进行 对 比，对 整 个 物 理 层 协 议 的 性 能 进 行 评 估。协 议 实 验 的 实 现 过 程物 理 层 协 议 的 实 验 分 为 发 送 和 接 收 两 个模 块，发 送 模 块 通 过 上 位 机 端软 件 编 程 产 生第期李安，等：平 台 的物 理 层 协 议 实 验 设 计原 始 信 源 数 据 流，经 过编 码，正 交 幅 度 调 制（，）调 制 和 正 交频 分 复 用（，）调 制 产 生标 准 协 议 的帧 基 带 数 据，包括个 点 的符 号 和 点 的 循 环 前 缀（，），共 计 点 复 值 数 据，然 后 通过 以 太 网 线 传 输 给的，按 的 顺 序 进行 格 式 转 换 后 通 过 低 电 压 差 分 信 号（，）接 口 送 到 射 频 模 块，经 滤波、上 采 样 和 混 频 等 处 理 后 由 发 射 天 线发 射 出 去。相 应 的，在 接 收 模 块 中通 过接 收 到 射 频 信号 后，先 经 射 频 模 块 对 接 收 信 号 放 大、混 频、滤 波、等 输 出 数 据 送 到转 换 为 的 复 值 基带 信 号，然 后 通 过 以 太 网 线 将 信 号 传 输 给 上 位 机，基 于对 信 号 进 行解 调、解 调 和译码 等 处 理，最 后 将 数 据 还 原 出 来。发 送 模 块 和 接 收 模块 框 图 如 图所 示。图 物 理 层 协 议 实 现 框 图 在 整 个 实 验 中，上 位 机 端软 件 的 控 制 起 到了 非 常 重 要 的 作 用，可 以 用 来 实 时 监 测 信 号 的 时 频 特性，还 可 以 用 于 获 取 数 据 流、处 理 数 据 流 和 配 置射 频 参 数。发 送 模 块 的 实 现物 理 层 协 议 实 现 的 发 送 模 块 组 成如 图所 示：将 产 生 的 信 源 按 照协 议 规 定 插 入 循 环冗 余 校 验 码（，）并 进 行 码块 分 割；然 后 将 每 个 码 块 通 过编 码 转 换 成码，接 着 每 个 码 块 之 间 进 行 交 织 以 及 速 率 匹 配；最 后 将码 块 级 联 起 来 组 成 整 个 码 块，整 个 码 块 通 过 信 道 交 织、加 扰 产 生 扰 码，通 过调 制、导 频 生 成、资 源 映 射将 数 据 映 射 到 频 域，再 进 行调 制 和 插 入 导频 形 成 一 个 完 整 的 发 送 端 帧 结 构，具 体 的 帧 结 构 如 图所 示。图发 送 模 块 框 图图帧 结 构 图 以 调 制 子 模 块 设 计 而 言，按 照标 准 协 议 中协 议 可 得，调 制 子 模 块 可 以 采 用 正 交 相 移 键 控（，）、不 同 调 制 方 式，对 经 过 加 扰 后 的 二 进 制 比 特 序列 调 制，从 而 形 成 复 值 调 制 符 号，图为 上 述种 不 同调 制 方 法 的 星 座 图。图星 座 图 为 了 使 不 同 调 制 方 式 的 平 均 功 率 相 同 而 方 便 比 较系 统 性 能，必 须 对 符 号 的 能 量 进 行 归 一 化 处 理，即 确 保在 统 计 上 任 一 符 号 的 能 量 都 为。这 里 以为例 阐 述 如 何 对 符 号 的 能 量 进 行 归 一 化。假 设 每 个 符 号的 发 送 概 率 相 等，均 为，则 映 射 的 目 的 除 要 求 每个 符 号 点 的 相 对 位 置 都 正 确 之 外，还 必 须 对 每 个 符 号的 能 量 归 一 化。根 据 图中 显 示 的的 星 座 图，不 难 计 算 出 每 个 符 号 的 平 均 能 量 为 （）则 归 一 化 参 数槡，同 理 可 以 得 到中槡，中槡。表和所 示 分 别 为协 议 规 定 的 调 制 方 式第卷传 输 数 据 比 特 序 列与映 射 表。表 算 法与映 射 表槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡