基于 GRT 平台的全双工 WiFi 设计与实现

灵活的系统连接方式保证了系 统的小型化需求。对于需要开发小 型 化 无线系 统的研 究者来说，可以 选 择 更 为 小 型 的 RF 前 端 和 便 携 性 高 的 笔 记 本 电 脑 作 为 主 计 算 机 。 GRT 平 台如图 2 所示。
（2）全双工 WiFi 平台应能够提供 多变的应用编程接口。一般一个全 双 工 WiFi 系 统 由 以 下 几 个 组 件 构 成 ：PHY、MAC、射 频（RF）前 端 以 及 用于控制的主计算机。在不同的应 用 设 置下，研 究人员 会 应用不同 的模 块 ，且 需要模块 间实现 不 同的 连接方 式 ，因 此各模块 之间必 须 要有 灵活的 接口。
研究人员普遍希望用于研发的 软件无线电平台同时满足 3 个要求： 高 性 能、可 编 程和 小型 化。可 编程的 平台可以让研究者快速实现新的设 计 想 法，研 究 者同 时希 望无线平台能 够提供足够的用户接口及应用程序 编 程 接 口（API），保 证 用 户 可 以 灵 活 、 方便地在无线平台上完成开发。
延 迟）。 GRT 系 统 主 要 由 4 部 分 组 成 ：主 机 、物 理（PHY）层 、媒 体 访 问 控 制（MAC）层 和 射 频 前 端 [1]。 主 机 为 用 户提供了一些非常灵活方便的用户 接 口 ，无 线 协 议 中 MAC、PHY 的 大 部 分 功 能 都 是 基 于 FPGA 实 现 的 ，射 频 前端完成无线基带信号和射频信号 的互相转换。
关 键 词 ： 全 双 工 ；WiFi ；软 件 定 义 无 线 电 ；吞 吐 率
Abstract: In this paper, we propose the full-duplex WiFi design and implementation based on GRT platform. The system supports 20 MHz bandwidth operation, and offers various mncluding binary phase shift keying (BPSK), quadrature phase shift keyin (QPSK), 16 QAM, and 64 quadrature amplitude modulation (QAM), for standard 802.11a/g frames in the full-duplex mode. Our system further delivers throughput up to 92.45 Mbit/s, about 1.7 times compared with the half-duplex 802.11a/g standards, and the frame interaction intervals can be as small as 9.85 us.
高性能则可以保证系统工作的 高 吞 吐率和 低延迟，由 于无线 环境的 复 杂 性，传 统 的软 件仿 真方式无法验
2016 年 6 月 第 22 卷第 3 期 Jun. 2016 Vol.22 No.3 31 中兴通讯技术
ZTE TECHNOLOGY JOURNAL
专题
吴浩洋 等
基于 GRT 平台的全双工 WiFi 设计与实现
基于 GRT 平台的全双工 WiFi 设计与实现
Full-Duplex WiFi Design and Implementation Based on GRT platform
吴浩洋/WU Haoyang 王韬/WANG Tao 焦秉立/JIAO Bingli
（北 京 大 学 ，北 京 100871） (Peking University, Beijing 100871, China)
1.3 相关工作 人们已经在一些软硬件开发平
台 上 实现过全双 工系统，包括开 源 软 件 无 线 电 平 台（GNU Radio）[5]，基 于 FPGA 的 无 线 平 台 WARP[2,4,6] ，以 及 基 于 WARPLab[7] 实 现 的 全 双 工 系 统 。 基 于 GNU Radio 实现的全双工系统最多 只能支持几个 Mbit/s 速率的实时吞吐 率 ，这 远 远 达 不 到 当 前 WiFi 标 准（例 如 802.11a/g 要 求 达 到 54 Mbit/s 的 数 据 吞 吐 率 [1]）。 基 于 WARP 实 现 的 全 双 工 系 统 [2,4,6] 可 以 工 作 在 20 MHz 带 宽 ，但 帧 与 帧 之 间 的 响 应 延 迟 较 大 （75 μs）[4]，因 此 无 法 满 足 短 帧 间 间 隔 （SIFS）的 定 时 标 准 。 基 于 WARPLab 实 现 的 全 双 工 系 统 使 用 WARPLab 来 完 成 全双工的核 心算法，其处理 延 迟 最 高 可 达 50 ms[7]，这 比 802.11a/g 的 延 迟要求整整高出了 3 个数量级。根 据 我 们的调研，当前已 有 的全 双工 系 统实验平台在性能上还有许多不足 之 处 。 [8-10]
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2016) 03-0031-005
摘 要 ： 提 出 了 一 种 基 于 GRT 平 台 的 全 双 工 WiFi 通 信 系 统 设 计 和 实 现 ，它 可 以 支 持 20 MHz 的 带 宽 ，能 够 提 供 不 同 的 调 制 / 解 调 方 式 ，包 括 802.11a/g 模 式 中 的 标 准 二 进 制 相 移 键 控（BPSK）、正 交 相 移 键 控（QPSK）、16 正 交 振 幅 调 制（QAM）和 64 QAM 调 制 。 测 试 结 果 显 示 ：基 于 GRT 的 全 双 工 系 统 的 吞 吐 率 可 以 达 到 92.45 Mbit/s ，相 当 于 802.11a/g 标 准 吞 吐 率 的 1.7 倍 ，两 帧 之 间 的 延 迟 可 以 低 至 9.85 μs。
Key words: full duplex; WiFi; software defined radio (SDR); throughput
离 ；模拟消 除指的是 利 用设计 好的 模 拟 电 路 ，分 离 出 发 射 信 号 与 接 收 信 号 ；数 字 消 除 是 通 过 基 带 处 理 算 法 ， 完成自干扰信号的消除。数字消除 通 常 分 为 两 个 步 骤 ：首 先 ，在 两 台 设 备 同 时发送 数据帧 之前，训练 信号 将 会 被 分别发 送，这 个过 程中同 时对 目 标 信 道 以 及 干 扰 信 道 做 出 估 计 ；之 后 ，根 据 已 知 的 信 道 信 息 ，就 可 以 从 接收的信号中减去自干扰信号得到 目 标 信 号 [3-4] 。
1 全双工技术和 GRT 系统
1.1 全双工技术
由于 全 双 工 技 术 理 论 上 可 以 将 频 谱利用率提高 1 倍，并能够更加 灵 活 地利用频谱资 源，因此 近 年来 随 着器件技术和信号处理技术的发展， 同频同时全双工技术逐渐成为研究 热 点 ，是 5G 移 动 通 信 系 统 充 分 挖 掘 无线频谱资源的一个重要方向。
传统的无线通信系统无法实现 同 频 同时全双工传 输，因为 当 无线 设 备 处 于全双工的工 作 状态 时，接收 天 线会接收到很强的由其自身发射机 产 生 的信号，这一 信 号 被称 为 自干 扰 信 号 。 因 此 ，要 实 现 全 双 工 通 信 ，需 要解决的首要问题就是如何消除自 干 扰 信号。从理 论上来 讲，由于 设 备 完全了解自身的发射机所发出的信 号，因此 自干扰信号 可 以通 过 一些 特 殊 的 处 理 完 成 消 除 [1-2] 。
为 解 决 第 1 个 问 题 ，GRT 平 台 中 的 PHY 层 基 于 FPGA，并 采 用 模 块 式 设计以同时满足系统高性能与可编 程 性 的 需 求 。 FPGA 能 够 确 保 PHY 层 模 块 的并行处 理，确保 了 无线 系统的 高 性 能 要 求 ，在 GRT 平 台 中 ，每 一 个 PHY 模 块 作 为 一 个 算 术 单 元 独 立 工 作。通过使用通用异步先进先出 （FIFO），信 号 可 以 在 任 意 两 个 模 块 之 间 互 相传输，且每个模 块 可以 工作于 不同的时钟域。
自干扰消除方法大体分为 3 类： 天 线 消 除 、模 拟 消 除 以 及 数 字 消 除 。 天线消除利用了天线的极化与方向 特 性，尽 可能地让 发 射 和接 收 天线 隔
收 稿 时 间 ：2016-02-18 网 络 出 版 时 间 ：2016-04-26 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 （61531004）；港 澳 台 科 技 合 作 专 项 资 助 （2014DFT10290）
1.2 GRT 系统 GRT[5-6] 系 统 是 一 种 高 性 能 、可 编
程、小型化 的基于现 场 可编程 门阵 列 （FPGA）的 软 件 无 线 电 系 统 。 用 户 可 以 基 于 GRT 系 统 完 成 小 型 化 无 线 系 统 的 快速开 发，并 实现 当前主 流无 线 协 议 所需的 性能要 求（包括吞 吐率 和
异构型 PHY 架构。 为 了 解 决 第 2 个 问 题 ，可 以 使 用
不同的接口来保证灵活的连接方 式 。 GRT 有 4 个 组 成 部 分 ：PHY 层 、 MAC 层 、RF 前 端 以 及 主 计 算 机 。 它 们 彼 此 之 间 共 有 3 种 交 互 式 接 口 ：直 接 存 储 器 存 储 接 口（DMA）、可 编 程 输 入 输 出 接 口（PIO）和 中 断 接 口 ，以 满 足不同的需要。特别地，DMA 接口支 持 高 速 数 据 流 ，PIO 接 口 可 以 传 输 某 些 状 态信息，中断 接口 能够保 证低延 迟控制。
证 系 统在真实环 境中的 工作情 况，即 便 是 在低速、高 延迟的 无 线平 台上 完 成 了 系统实现，其信道 模 型仍 然和 系 统 工 作于高性能 时是有 区别的，因 此 也无法完全验证系统在高性能情况 下的工作情况。