本文介紹一個Simulink模型，可做為設(shè)計無線收發(fā)器及建立無線網(wǎng)路的基礎(chǔ)架構(gòu)。這個無線收發(fā)器包含PHY層與MAC層。藉由使用通訊工具箱、事件模擬模塊組附加的功能模塊，可以將Simulink模型延伸運用到更先進(jìn)的無線收發(fā)器上，如WLAN、V2X與無線IoT。

本文介紹一個Simulink模型，可做為設(shè)計無線收發(fā)器及建立無線網(wǎng)路的基礎(chǔ)架構(gòu)。這個無線收發(fā)器包含了實體層（physical layer；PHY層）與媒介存取控制層（medium access control layer；MAC層）。而無線網(wǎng)路的模型是由多個在衰減通道（fading channel）進(jìn)行溝通的無線收發(fā)器所構(gòu)成。

我們使用了一個QPSK調(diào)變的簡易PHY層，以及兩種可選擇的MAC層協(xié)定：以ALOHA為基礎(chǔ)的隨機(jī)補(bǔ)償（ALOHA-based random back-off）和CSMA/CA（IEEE 802.11）。為了讓說明比較容易，我們省去一些常見於無線收發(fā)器的模塊，像是交錯、加密與通道編碼。

你可以使用這個無線收發(fā)器模型來研究PHY與MAC行為、PHY與MAC之間的互動、或者研究整個網(wǎng)路。你也可以將它做為一個模板，利用通訊工具箱（Communications Toolbox）、無線區(qū)域網(wǎng)路工具箱（WLAN Toolbox）、事件模擬模塊組（SimEvents）內(nèi)的工具和演算法來設(shè)計如WLAN、V2X與IoT等更複雜無線收發(fā)器的模板。PHY層模塊與MAC層的事件導(dǎo)向系統(tǒng)模擬軟體（Stateflow）圖表都讓你能夠透過硬體描述語言轉(zhuǎn)碼器（HDL Coder）產(chǎn)生HDL程式碼，並且以包含了SDR（AD9361）與FPGA（XilinxR ZynqR-7000 SoC）的ADI RF SOM板作為目標(biāo)硬體來即時實現(xiàn)無線收發(fā)器。

網(wǎng)路架構(gòu)

這個Simulink模型的頂層是由一個衰減無線電網(wǎng)路模塊與幾個無線收發(fā)器節(jié)點所構(gòu)成（圖1）。這些節(jié)點以ad hoc的方式溝通：網(wǎng)路中任一個節(jié)點皆可發(fā)射訊號至其他節(jié)點，也可以從其他節(jié)點接收訊號。這個無線收發(fā)器半雙向（half-duplex）模式運作。在網(wǎng)路架構(gòu)裡面，每一個收發(fā)器節(jié)點的輸出可到達(dá)其他收發(fā)器成為輸入。依無線電通道的互換原則，每兩個節(jié)點之間的兩條通道設(shè)定必須相同，而不同對無線收發(fā)器通道的通道設(shè)定可以不一樣。

圖1 : 無線收發(fā)器與無線電網(wǎng)路模型。

在無線收發(fā)器的設(shè)計，PHY層模型是以接近真實硬體實現(xiàn)的Simulink模塊所建立。MAC層的模型則是透過Stateflow來反映現(xiàn)實中有限狀態(tài)機(jī)器的特性。

封包資料架構(gòu)格式

這個無線收發(fā)器所使用的封包資料架構(gòu)格式與 MATLAB範(fàn)例：Packetized Modem with Data Link Layer定義的格式相同。如圖所示，PHY的表頭資料共有4個區(qū)塊，這裡負(fù)載長度（Payload Length）表示了資料連結(jié)單元（Data Link Unit）的總位元長度，並且由Header CRC覆蓋。而MAC的表頭資料有七個區(qū)塊，架構(gòu)CRC（Frame CRC）覆蓋了MAC表頭資料（MAC Header）和架構(gòu)主體（Frame Body）。架構(gòu)有兩種：資料架構(gòu)（Data frame）與認(rèn)可架構(gòu)（Ack frame）。認(rèn)可架構(gòu)的架構(gòu)主體長度為零。資料架構(gòu)與認(rèn)可架構(gòu)都有如同在IEEE 802.11所定義的格式。

圖2 : 使用在這個無線收發(fā)器的封包資料架構(gòu)格式

我們現(xiàn)在來更仔細(xì)地查看頂層Simulink模型的每一個元件。

無線收發(fā)器

無線收發(fā)器節(jié)點模型使用了半雙向（half-duplex）的Tx/Rx模式（圖3）。

圖3 : 無線收發(fā)器模型

它由一個PHY層、一個MAC層、一個邏輯鏈路控制（Logic Link Control；LLC）層組成。PHY層有三個主要的模塊：發(fā)射器、接收器與Tx/Rx切換開關(guān)。這三個模塊皆以Simulink建模。MAC和LLC層則透過Stateflow圖表來建模，以顯示無線收發(fā)器MAC和LLC層的狀態(tài)變遷與邏輯運作。

發(fā)射器

在無線收發(fā)器的發(fā)射器模型，TxOn輸出控制了RF雙向切換開關(guān)來決定發(fā)射或接收，而TxSymbl輸出在發(fā)射時讓經(jīng)過調(diào)變的訊號流出至雙向切換開關(guān)（圖4）。

圖4 : 無線收發(fā)器的發(fā)射器模型

輸入訊號TxDataOn和TxAckOn分別控制了資料架構(gòu)和認(rèn)可架構(gòu)的發(fā)射期間長短。資料架構(gòu)與認(rèn)可架構(gòu)分別載入至查找表TxData_LUT和TxAck_LUT。查找表變數(shù)的變更將改變被發(fā)射出去的內(nèi)容。

發(fā)射器的符元速率（symbol rate）為10M symbols/sec，而位元速率（bit rate）為20 Mbit/sec。如果沒有符元要發(fā)射，或者節(jié)點處於接收模式時，TxSymbl會被設(shè)定為零。發(fā)射與接收的脈衝成形濾波器（pulse shaping filter）則在Tx/Rx Switch模塊裡面。

接收器

無線收發(fā)器的接收器有三個主要的功能模塊：訊號偵測（Signal Detection；SD）、決策回授等化器（Decision Feedback Equalizer；DFE）、解調(diào)器CRC（DCRC）（圖5）。SD模塊監(jiān)控接收到訊號的功率等級。

圖5 : 無線收發(fā)器的接收器模型

一旦功率等級超出界限，SD模塊會產(chǎn)生一個訊號來啟動DFE與DCRC模塊，並開始將收到的訊號給DFE。DFE會以每個符元取樣兩次做為間隔。訓(xùn)練參考前言被儲存在REF_LUT模塊。訓(xùn)練資料會在等化訓(xùn)練期間的一開始被呼叫出來。DCRC模塊負(fù)責(zé)將經(jīng)過等化的符號流解調(diào)為一個位元流，辨認(rèn)負(fù)載長度區(qū)塊的定界符號，以及執(zhí)行表頭CRC來取得無錯誤的負(fù)載長度。

當(dāng)負(fù)載長度被取得，模塊會執(zhí)行負(fù)載（payload）的CRC操作，辨認(rèn)收到的封包是資料架構(gòu)還是認(rèn)可架構(gòu)，並且將架構(gòu)類型資料提供給MAC層。如果任一個CRC失敗了，架構(gòu)會被捨棄，且接收器會轉(zhuǎn)換回備用狀態(tài)。

訊號偵測器

圖6所示的訊號偵測器（signal detector；SD）被使用來偵測訊號何時抵達(dá)無線收發(fā)器。SD的波形呈現(xiàn)如圖7。訊號的絕對值會透過一個兩段指數(shù)移動平均濾波器（two-stage exponential moving average filter）來過濾。當(dāng)移動平均濾波器的輸出超出界限，偵測器會產(chǎn)生啟動訊號SigDe來開啟DFE和DCRC模塊。位於輸出SigOut的緩衝模塊會產(chǎn)生二維（取樣）資料給部分的DFE。

圖6 : 訊號偵測模型

圖7 : 來自訊號偵測器的訊號波形

決策回授等化器

無線收發(fā)器的DFE扮演了相當(dāng)重要的角色。DFE的功能為移除符間干擾（intersymbol interference；ISI）、符元計時的同步、架構(gòu)範(fàn)圍的排列、頻率偏差的補(bǔ)償[1-2]。如圖8所示，DFE以符元速率來操作，並且在等化器權(quán)重的每一次疊代取兩個新的樣本。

圖8 : DFE模型

由於前饋細(xì)胞（DFE_Cell_FFW）的輸入維度為2，每一個DFE_Cell_FFW模塊會執(zhí)行兩個前向開關(guān)的過程。因此，在DFE的向前部分，9個Cell_FFW模塊被用來實現(xiàn)18個前向開關(guān)。在回授的部分，每一個DFE_Cell_FBW有一個一維輸入，並處理一個回饋開關(guān)。因此DFE有6個回饋開關(guān)。訓(xùn)練的長度是在DFE內(nèi)的N-Sample Switch模塊來設(shè)定。轉(zhuǎn)換器權(quán)重純量是在DFE內(nèi)由「mu」命名的常數(shù)模塊設(shè)定。圖9為DFE前後的星座圖。

圖9 : 說明了ISI上通道等化效果的圖表

解調(diào)器CRC

DCRC模塊（圖10）將來自於DFE經(jīng)過等化的符號流解調(diào)為位元流。它接下來檢查表頭架構(gòu)CRC並解碼負(fù)載架構(gòu)的長度。當(dāng)取得負(fù)載架構(gòu)的長度，DCRC內(nèi)的Payload CRC模塊會啟動。當(dāng)負(fù)載CRC通過，RxType Gen模塊會檢查MAC Header的To Address欄位。若To Address欄位符合節(jié)點的位址，模塊會依MAC Header的Type欄位產(chǎn)生RxDataOk或RxAckOk的訊號給MAC層。只要CRC失敗，或者是位址或資料類型不適當(dāng)，則架構(gòu)會被捨棄。

圖10 : 解調(diào)器與CRC模塊

MAC層

MAC對無線收發(fā)器執(zhí)行有智慧的控制。MAC實現(xiàn)兩個可選擇的MAC功能：ALOHA-based（MAC_Sel=1）與CSMA/CA（MAC_Sel=0）。ALOHA-based MAC較為直接，而CSMA/CA MAC則更有效率。

對於以ALOHA為基礎(chǔ)的MAC（圖11與12），當(dāng)一個節(jié)點發(fā)射出一個資料架構(gòu)時，它會期待在AckW定義的期間之內(nèi)收到一個來自接收端節(jié)點的認(rèn)可架構(gòu)。如果在AckW內(nèi)沒有接收到Ack，MAC會進(jìn)入隨機(jī)的補(bǔ)償（back-off）程序。這一個補(bǔ)償程序會重複直到資料架構(gòu)成功送出或者達(dá)到最大的重試次數(shù)。

圖11 : 在ALOHA-Based MAC的資料架構(gòu)傳輸

圖12 : ALOHA-based MAC的Stateflow圖表

對於CSMA/CA MAC（圖13與14），媒介在DIFS發(fā)射之前這段期間必須靜止，接下來節(jié)點會開始隨機(jī)的競爭視窗（Contention Window；CW）期。當(dāng)CW結(jié)束，如果媒介仍為靜止，節(jié)點會開始發(fā)射一個資料架構(gòu)，否則，節(jié)點會等到另一個靜止的DIFS期。當(dāng)發(fā)射的節(jié)點在SIFS期收到認(rèn)可架構(gòu)，它會發(fā)射出下一個資料架構(gòu)；否則會再一次進(jìn)入DIFS期間。

圖13 : 在CSMA/CA MAC的資料架構(gòu)傳輸

圖14 : CSMA/CA MAC的Stateflow圖表

圖15為有兩種MAC功能可選擇的MAC層結(jié)構(gòu)。

圖15 : 具有可選MAC功能的MAC層結(jié)構(gòu)

邏輯鏈路控制層

邏輯鏈路控制層（Logical Link Control Layer；LLC層）掌管較上層與無線收發(fā)器之間的隨機(jī)資料封包（圖16）。它產(chǎn)生隨機(jī)抵達(dá)的資料封包。對於一個很長的資料封包，LLC層會把它分割為幾個資料架構(gòu)。LLC層也控制資料架構(gòu)的排列，以及監(jiān)控資料封包的傳送狀態(tài)。

圖16 : 邏輯鏈路控制層（Logical Link Control layer）的Stateflow圖表

結(jié)果與呈現(xiàn)

本文描述的Simulink模型有三個以輪替的方式溝通的無線收發(fā)器節(jié)點：節(jié)點1 →節(jié)點3→節(jié)點2→節(jié)點1。在每一個節(jié)點，由LLC層產(chǎn)生的資料封包抵達(dá)時間是隨機(jī)的。一個資料封包可能有多達(dá)四個資料架構(gòu)。資料框負(fù)載長度設(shè)定為126 bytes。系統(tǒng)位元率為20 Mbit/Sec。通道模型是透過一個雙路徑瑞利通道模式（two-path Rayleigh channel mode）搭配50 Hz的都卜勒頻率擴(kuò)展（Doppler frequency spreading）和25 dB SNR（Eb/No）的AWGN來建立。

在ALOHA-based MAC（圖17），上面三個圖表為來自三個節(jié)點的發(fā)射波形，而底下的圖表為節(jié)點1的補(bǔ)償計數(shù)值。在這個圖表，持續(xù)時間較寬的訊號為資料框，而持續(xù)時間較窄的訊號為認(rèn)可框。圖18描繪了CSMA/CA MAC相似的圖表。

從圖17與18呈現(xiàn)的結(jié)果，我們可以歸納出以下結(jié)論：

*任兩個節(jié)點之間，或三個節(jié)點之間都有可能發(fā)生衝突。

*成功的發(fā)射後面總是會有一個認(rèn)可架構(gòu)。

*短暫的周轉(zhuǎn)時間對於高網(wǎng)路通量相當(dāng)重要。

*由於CSMA/CA MAC採用載波偵聽的關(guān)係，它比起ALOHA-based MAC更有效率。

圖17 : 有ALOHA MAC的節(jié)點波形。上：網(wǎng)路節(jié)點的發(fā)射器波形。下：節(jié)點1的補(bǔ)償計數(shù)值。

圖18 : CSMA/CA MAC的節(jié)點波形。上：網(wǎng)路節(jié)點的發(fā)射器波形。下：節(jié)點1的補(bǔ)償計數(shù)值。

圖19為2.8 ms到3.4 ms這段期間媒介傳輸?shù)姆糯髨D。我們可以看到Data1與Data2這兩個資料架構(gòu)發(fā)生衝突，因此節(jié)點2和節(jié)點3都沒有辦法產(chǎn)生認(rèn)可架構(gòu)。在AckW這段等待期間之後，節(jié)點1和節(jié)點3知道它們的資料框並沒有通過。接著在一段短暫的補(bǔ)償（back-off）時期之後，節(jié)點1重新送出Data1，這次資料框成功通過，並且接收到節(jié)點3傳回的認(rèn)可。

圖19 : 圖17之2.8 ms至3.4 ms期間的放大圖

總結(jié)

在這個範(fàn)例，我們建立了一個包含了多個無線收發(fā)器與衰減通道的無線網(wǎng)路的Simulink模型。這個模型是由Simulink模塊與Stateflow圖表所組成，展現(xiàn)了模型化基礎(chǔ)設(shè)計的效率。無線收發(fā)器有PHY和MAC層。PHY層模型提供了一般PHY的基本功能：調(diào)變、解調(diào)變、訊號偵測、同步、等化、位元操作（bitwise manipulation）、表頭CRC、架構(gòu)CRC。MAC層模型是透過Stateflow來建立。它可以使用ALOHA-based MAC或CSMA/CA（IEEE 802.11）MAC。這個模型也有助於進(jìn)行HDL實現(xiàn)與SDR原型化。

有了這個模型，我們可以在考慮了所有系統(tǒng)元件的網(wǎng)路環(huán)境下研究無線收發(fā)器的幾種行為，包含了：

*快速同步、等化、與轉(zhuǎn)向

*以架構(gòu)為基礎(chǔ)與以樣本為基礎(chǔ)進(jìn)行處理的比較

*PHY與MAC之間的互動

*具備幾種通道模型的網(wǎng)路效能

藉由使用通訊工具箱（Communications Toolbox）、事件模擬模塊組（SimEvents）附加的功能模塊，你可以將這個Simulink模型延伸運用到更先進(jìn)的無線收發(fā)器上，如WLAN、V2X與無線IoT。

（本文由鈦思科技提供；作者Chung Wu任職於MathWorks公司）