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DOI:10.3969/j.issn.1009-6868.2016.03.007 网 络 出 版 地 址 :http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1228.tn.20160426.1630.004.html 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) 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 关 键 词 : 全 双 工 ;WiFi; 软 件 定 义 无 线 电 ; 吞 吐 率 1 全 双 工 技 术 和 GRT 系 统 1.1 全 双 工 技 术 于 全 双 工 技 术 理 论 上 可 以 将 频 由 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 [1-2] 殊 的 处 理 完 成 消 除 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) 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 modulation/demodulation schemes, including 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. 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 [3-4] 目 标 信 号 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 延 迟 ) GRT 系 统 主 要 由 4 部 分 组 成 : 主 机 物 理 (PHY) 层 媒 体 访 问 控 [1] 制 (MAC) 层 和 射 频 前 端 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 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 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 D:\MAG\2016-06-128/VOL22\F5.VFT 5PPS/P1

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 小 型 化 对 于 研 究 者 来 说 是 一 个 比 较 容 易 忽 略 的 特 征 一 般 情 况 下, 无 线 设 备 的 终 端 是 具 备 移 动 性 的 如 果 研 究 者 在 大 型 化 的 系 统 中 完 成 系 统 实 现, 就 很 难 模 拟 无 线 终 端 在 无 线 环 境 中 的 移 动, 大 型 化 无 线 系 统 同 样 也 不 利 于 在 不 同 无 线 环 境 中 的 系 统 测 试 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 [1] 据 吞 吐 率 ) 基 于 WARP 实 现 的 全 [2,4,6] 双 工 系 统 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 [8-10] 之 处 2 全 双 工 WiFi 系 统 设 计 2.1 GRT 平 台 设 计 GRT 平 台 的 系 统 设 计 面 临 以 下 两 个 挑 战 : (1) 对 于 一 个 软 件 无 线 电 平 台, 要 同 时 达 到 可 编 程 性 与 高 性 能 的 目 标 是 较 为 困 难 的 基 于 软 件 的 无 线 平 台, 中 央 处 理 器 (CPU) 的 处 理 速 度 异 构 型 PHY 架 构 是 主 要 的 瓶 颈 虽 然 软 件 平 台 具 有 为 了 解 决 第 2 个 问 题, 可 以 使 用 良 好 的 可 编 程 性, 但 它 们 却 不 能 保 证 不 同 的 接 口 来 保 证 灵 活 的 连 接 方 当 前 主 流 无 线 协 议 的 吞 吐 率 和 延 迟 式 GRT 有 4 个 组 成 部 分 :PHY 层 要 求 基 于 硬 件 的 平 台 虽 然 有 较 好 MAC 层 RF 前 端 以 及 主 计 算 机 它 的 性 能, 但 因 其 逻 辑 结 构 固 定, 不 易 们 彼 此 之 间 共 有 3 种 交 互 式 接 口 : 直 编 程, 因 此 大 幅 度 地 延 长 了 无 线 系 统 接 存 储 器 存 储 接 口 (DMA) 可 编 程 输 的 开 发 周 期 和 成 本 入 输 出 接 口 (PIO) 和 中 断 接 口, 以 满 (2) 全 双 工 WiFi 平 台 应 能 够 提 供 足 不 同 的 需 要 特 别 地,DMA 接 口 支 多 变 的 应 用 编 程 接 口 一 般 一 个 全 持 高 速 数 据 流,PIO 接 口 可 以 传 输 某 双 工 WiFi 系 统 由 以 下 几 个 组 件 构 些 状 态 信 息, 中 断 接 口 能 够 保 证 低 延 成 :PHY MAC 射 频 (RF) 前 端 以 及 迟 控 制 用 于 控 制 的 主 计 算 机 在 不 同 的 应 灵 活 的 系 统 连 接 方 式 保 证 了 系 用 设 置 下, 研 究 人 员 会 应 用 不 同 的 模 统 的 小 型 化 需 求 对 于 需 要 开 发 小 块, 且 需 要 模 块 间 实 现 不 同 的 连 接 方 型 化 无 线 系 统 的 研 究 者 来 说, 可 以 选 式, 因 此 各 模 块 之 间 必 须 要 有 灵 活 的 择 更 为 小 型 的 RF 前 端 和 便 携 性 高 的 接 口 笔 记 本 电 脑 作 为 主 计 算 机 GRT 平 为 解 决 第 1 个 问 题,GRT 平 台 中 台 如 图 2 所 示 的 PHY 层 基 于 FPGA, 并 采 用 模 块 式 总 之, 我 们 提 出 了 一 种 新 型 的 基 设 计 以 同 时 满 足 系 统 高 性 能 与 可 编 于 硬 件 的 模 块 化 结 构, 以 保 证 高 性 程 性 的 需 求 FPGA 能 够 确 保 PHY 层 能 可 编 程 和 小 型 化 的 需 求 这 种 设 模 块 的 并 行 处 理, 确 保 了 无 线 系 统 的 计 不 仅 适 合 全 双 工 WiFi 的 研 究, 还 高 性 能 要 求, 在 GRT 平 台 中, 每 一 个 适 用 于 不 同 的 复 杂 PHY 层 的 实 现, 包 PHY 模 块 作 为 一 个 算 术 单 元 独 立 工 括 MIMO 系 统 等 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 2.2 全 双 工 帧 结 构 设 计 间 互 相 传 输, 且 每 个 模 块 可 以 工 作 于 为 了 实 现 基 带 部 分 的 数 字 消 除, 不 同 的 时 钟 域 需 要 完 成 目 标 信 道 与 干 扰 信 道 的 信 图 1 展 示 了 PHY 层 中 的 模 块 连 道 估 计 为 此 需 要 在 数 据 帧 发 送 之 接 架 构 例 如, 如 果 要 将 模 块 5 插 入 前 发 送 若 干 训 练 序 列, 很 显 然, 训 练 到 模 块 1 与 模 块 2 之 间, 只 需 要 删 除 序 列 所 占 时 间 越 长, 信 道 估 计 结 果 也 原 来 连 接 它 们 的 FIFO 并 直 接 插 入 模 越 为 准 确 但 由 于 冗 余 增 多, 数 据 传 块 5 即 可 这 种 灵 活 的 模 块 设 计 可 输 速 率 也 会 大 幅 度 降 低 因 此 设 计 以 实 现 绝 大 多 数 PHY 结 构, 包 括 全 双 高 效 的 帧 交 互 方 式 是 全 双 工 设 计 的 工 多 输 入 多 输 出 (MIMO) 以 及 其 他 重 点 模 块 5 PHY 层 模 块 FIFO 接 口 模 块 1 FIFO 模 块 2 模 块 3 模 块 4 FIFO: 先 进 先 出 PHY: 物 理 层 图 1 GRT 系 统 PHY 层 模 块 架 构 中 兴 通 讯 技 术 32 2016 年 6 月 第 22 卷 第 3 期 Jun. 2016 Vol.22 No.3 D:\MAG\2016-06-128/VOL22\F5.VFT 5PPS/P2

为 了 实 现 数 字 消 除, 我 们 同 时 对 目 标 信 道 与 干 扰 信 道 做 出 估 计 当 两 台 设 备 工 作 于 全 双 工 模 式 时, 目 标 信 号 与 干 扰 信 号 会 混 合 在 一 起, 使 得 信 道 估 计 难 度 增 大 因 此 需 要 设 计 一 种 新 的 帧 交 互 方 式 图 3 中 可 以 看 到 全 双 工 帧 交 互 的 设 计 细 节 全 双 工 MAC 使 用 点 协 调 信 道 接 入 机 制 为 了 开 始 全 双 工 数 据 交 换, 无 线 访 问 节 点 (AP) 和 某 装 置 必 须 分 别 先 传 输 一 个 训 练 帧 首 先,AP 发 出 一 个 AP 训 练 帧, 此 时 AP 和 设 备 分 别 对 干 扰 信 道 与 目 标 信 道 进 行 估 计 ; 随 后, 设 备 发 出 一 个 设 备 训 练 帧,AP 和 设 备 再 次 分 别 对 目 标 信 道 与 干 扰 信 道 进 行 估 计 ; 在 两 次 握 手 过 程 后, AP 和 设 备 同 时 发 出 和 接 收 对 方 的 等 长 帧, 并 用 32 位 循 环 冗 余 校 验 (CRC) 来 验 证 收 到 帧 的 有 效 性 如 果 CRC 校 验 错 误, 则 需 要 完 成 重 发 训 练 帧 与 全 双 工 数 据 帧 都 是 标 准 的 802.11a 帧 因 此, 其 他 的 非 全 双 工 设 备 可 以 解 调 这 个 全 双 工 帧, 全 双 工 设 备 在 完 成 握 手 过 程 之 前 也 AP 设 备 节 点 AP 训 练 帧 24 μs 图 3 帧 交 互 设 计 16 μs 16 μs 设 备 训 练 帧 24 μs T(preamble)=80 μs 20 μs 20 μs 可 以 看 做 是 一 个 非 全 双 工 设 备 在 全 双 工 设 备 发 出 训 练 帧 之 前, 它 应 当 先 完 成 退 避 过 程 这 里 设 置 了 SIFS 时 间 (16 μs) 使 得 全 双 工 设 备 可 以 在 非 全 双 工 环 境 下 工 作 3 全 双 工 WiFi 系 统 实 现 3.1 高 性 能 可 编 程 的 全 双 工 WiFi 实 现 为 了 确 保 全 双 工 系 统 的 高 性 能, 我 们 需 要 考 虑 每 一 个 运 算 模 块 的 运 算 性 能 由 于 采 用 了 模 块 化 的 设 计 思 路, 且 模 块 之 间 相 互 独 立, 系 统 的 总 延 迟 等 同 于 每 个 模 块 的 延 迟 之 和, 每 个 模 块 的 延 迟 需 要 尽 可 能 地 将 至 最 低 因 此, 采 用 模 块 化 的 设 计 思 路, 就 将 整 个 系 统 的 性 能 优 化 简 化 为 对 每 个 模 块 的 性 能 优 化, 有 效 地 提 升 了 开 发 效 率 图 2 GRT 软 件 无 线 电 开 发 平 台 实 物 对 于 射 频 部 分, 这 里 考 虑 了 两 种 射 频 前 端 设 备, 包 括 了 通 用 软 件 无 线 电 外 设 (USRP) 和 一 款 高 性 能 射 频 前 端 设 备 AD9361 USRP 使 用 以 太 网 络 电 缆 来 同 时 传 输 数 据 以 及 控 制 信 息, AP 数 据 帧 设 备 数 据 帧 T(data) AP: 无 线 访 问 节 点 STS: 短 训 练 字 字 段 LTS: 长 训 练 字 字 段 STS LTS 信 号 数 据 这 会 造 成 系 统 的 高 延 迟 其 中 以 太 网 络 电 缆 至 少 会 引 起 20~30 μs 的 延 迟, 达 不 到 全 双 工 通 信 中 的 SIFS 实 时 性 要 求 (16 μs) 因 此 我 们 选 择 了 只 有 不 到 2 μs 延 迟 的 AD9361 RF 前 端 在 模 块 化 的 设 计 框 架 下, 用 户 可 以 灵 活 的 增 删 改 其 中 的 任 何 模 块 此 外, 我 们 还 提 供 了 很 多 的 用 户 接 口 及 API, 用 户 可 以 灵 活 地 对 系 统 进 行 编 程 开 发 3.2 小 型 化 全 双 工 WiFi 的 实 现 之 前 提 到,GRT 系 统 主 要 由 4 部 分 组 成, 且 每 一 部 分 都 可 以 按 照 研 究 者 的 需 求 进 行 设 备 的 选 择 这 里 选 取 了 笔 记 本 电 脑 作 为 主 机, 射 频 前 端 也 采 用 了 AD9361 设 备, 直 接 通 过 AD9361 和 FPGA 进 行 连 接, 尽 可 能 地 减 小 天 线 和 射 频 消 除 设 备 的 体 积 与 重 量 系 统 的 实 现 如 图 4 所 示 其 中, 基 于 GRT 的 PHY 层 以 及 MAC 层 在 Xilinx Virtex- 7 FPGA 开 发 板 上 实 现 同 时 又 加 装 了 包 括 天 线 对 消 以 及 模 拟 对 消 模 块 设 置 的 两 个 AD9361 前 端, 并 使 用 一 台 电 脑, 采 用 PIO 接 口 来 监 测 全 双 工 的 工 作 状 态 以 及 控 制 操 作 模 式 这 里 采 用 VIVADO 2013.4 版 本 完 成 系 统 的 Verilog 代 码 此 外 采 用 自 主 研 发 的 前 端 设 备 实 现 了 模 拟 消 除 与 天 线 消 除 通 过 这 两 部 分 的 消 除 算 法, 能 够 去 除 40~50 db 的 自 干 扰 3.3 GRT 模 块 库 商 用 WiFi 网 卡 一 般 采 用 无 线 芯 片 完 成 WiFi 的 PHY 层 算 法, 因 此 用 户 无 法 在 上 面 进 行 编 程 基 于 其 他 平 台 实 现 的 标 准 WiFi 系 统 也 很 难 将 其 扩 展 为 全 双 工 WiFi 因 此 我 们 首 先 实 现 了 一 套 完 整 的 802.11a 协 议 模 块 库, 再 利 用 这 一 模 块 库 实 现 标 准 的 802.11a 协 议 在 主 机 上 增 加 无 线 驱 动, 系 统 就 可 以 像 普 通 网 卡 一 样 工 作 之 前 的 工 作 显 示 :GRT 系 统 已 经 可 以 完 成 802.11a 的 完 整 功 能, 手 机 等 商 用 WiFi 设 备 可 以 顺 利 连 接 上 2016 年 6 月 第 22 卷 第 3 期 Jun. 2016 Vol.22 No.3 33 中 兴 通 讯 技 术 D:\MAG\2016-06-128/VOL22\F5.VFT 5PPS/P3

复 用 的 GRT 搭 建 的 AP, 并 通 过 GRT 搭 建 的 AP 连 接 上 网 络 3.4 GRT 系 统 PHY 层 实 现 图 5 表 示 了 基 于 GRT 的 全 双 工 WiFi 的 PHY 层 硬 件 架 构 其 中 黑 色 模 块 代 表 现 存 库 内 提 供 的 模 块, 绿 色 部 分 表 示 为 实 现 全 双 工 而 新 增 的 模 块 从 图 中 可 以 看 出, 由 于 GRT 平 台 的 可 编 程 特 性, 只 需 要 做 少 量 的 修 订 就 能 够 实 现 较 为 完 整 的 全 双 工 WiFi 系 统 4 测 试 评 估 4.1 实 验 环 境 用 户 可 以 通 过 PIO 接 口 任 意 设 置 GRT 平 台 的 中 心 频 率 采 样 率, 以 及 发 送 与 接 收 增 益 实 验 平 台 支 持 802.11a 协 议 中 的 所 有 数 据 速 率 (6~ 54 Mbit/s) 以 及 帧 长 度 (1~4 095 字 节 ) 每 一 个 GRT 设 备 都 可 以 通 过 PIO 接 口 的 适 当 设 置 来 作 为 AP 或 者 用 户 设 备 在 实 验 中 采 用 802.11a 中 的 所 有 8 种 调 制 方 案, 数 据 帧 长 度 定 为 1 500 字 节, 中 心 频 率 为 2.457 GHz, 抽 样 率 为 20 MHz 这 些 参 数 正 是 工 作 于 10 频 道 上 的 商 用 WiFi 设 备 的 典 型 参 数 在 MAC 层 上 的 CRC 结 果 可 以 表 明 一 帧 是 否 被 成 功 接 收 4.2 GRT 系 统 可 编 程 性 评 估 GRT 提 供 标 准 化 802.11 协 议 中 的 [10-12] 19 个 模 块 为 实 现 全 双 工 WiFi, 实 验 中 修 订 了 模 块 库 中 的 3 个 模 块, 并 额 外 添 加 了 4 个 模 块 用 于 进 行 数 字 对 消 通 过 分 析, 得 知 GRT 系 统 的 模 块 库 中 有 92% 的 代 码 是 可 以 直 接 表 1 理 论 流 量 测 试 RF 前 端 (RX) DMA/PIO 接 口 调 制 方 式 BPSK BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 图 4 小 型 化 全 双 工 WiFi 的 系 统 实 现 4.3 全 双 工 系 统 性 能 评 估 实 验 中, 一 个 终 端 能 够 在 9.85 μs 内 对 对 方 的 请 求 帧 作 出 回 应, 而 标 准 802.11a 要 求 在 16 μs 内 对 接 收 到 的 帧 作 出 回 应 实 验 结 果 不 仅 达 到 了 标 准 802.11WiFi 的 要 求, 还 额 外 增 加 了 6.15 μs 的 容 度 考 虑 到 训 练 帧 的 开 销, 实 验 还 测 试 了 MAC 层 的 理 论 吞 吐 率 并 将 结 果 列 在 了 表 1 中 结 果 表 明 : 吞 吐 率 提 高 到 标 准 WiFi 系 统 的 1.71~1.96 倍 5 结 束 语 文 章 介 绍 了 一 种 基 于 GRT 平 台 的 全 双 工 WiFi 通 信 系 统 设 计 和 实 BPSK: 二 进 制 相 移 键 控 QAM: 正 交 振 幅 调 制 QPSK: 正 交 相 移 键 控 tx_scrambler tx_usr_top rx_sym chroniz ation rx_use_top 编 码 率 2/3 DMA: 直 接 内 存 存 取 FFT: 快 速 傅 里 叶 变 换 IFFT: 快 速 傅 里 叶 逆 变 换 RF: 无 线 电 频 率 图 5 基 于 GRT 的 全 双 工 WiFi 的 实 现 rx_fft 标 准 802.11a 吞 吐 率 /Mbit/s tx_inset _pilot rx_chan nel_esti mation 6 9 12 18 24 36 48 54 rx_self _cance llation tx_ifft tx_ram_before_ifft rx_pha se_trac king 全 双 工 WiFi 吞 吐 率 /Mbit/s 11.76 17.48 23.11 34.02 44.59 64.68 83.49 92.45 tx_ig SIGNAL( 数 据 速 率, 长 度 ) 开 始 rx_ vite rbi tx_add_ preamble Duplex_timing_ control 吞 吐 率 提 高 倍 数 rx_desc rambler 1.96 1.94 1.93 1.89 1.86 1.80 1.74 1.71 DMA/PIO 接 口 RF 前 端 (TX) 中 兴 通 讯 技 术 34 2016 年 6 月 第 22 卷 第 3 期 Jun. 2016 Vol.22 No.3 D:\MAG\2016-06-128/VOL22\F5.VFT 5PPS/P4

现 该 设 计 可 以 利 用 GRT 提 供 的 802.11a 协 议 模 块 库, 完 成 了 高 性 能 可 编 程 小 型 化 的 全 双 工 无 线 系 统 实 验 结 果 表 明 : 基 于 GRT 平 台 实 现 的 全 双 工 WiFi 系 统 达 到 92.45 Mbit/s 的 吞 吐 率, 帧 响 应 延 迟 最 低 达 9.85 μs 参 考 文 献 [1] CHOI J I, JAIN M, SRINIVASAN K, et al. Achieving Single Channel, Full Duplex Wireless Communication[C]// MobiCom 10 Proceedings of the 16th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, 2010. USA: ACM, 2010: 1-12. DOI: 10.1145/1859995.1859997 [2] GNU-Radio [EB/OL]. [2016-04-21]. http:// gnuradio.org [3] BHARADIA D, MCMILIN E, KATTI S. Full Duplex Radios [J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2013, 43 (4): 375-386 [4] JAIN M, CHOI J I, KIM T M, et al. Practical, Real-time, Full Duplex Wireless[C]// MobiCom 11 Proceedings of the 17th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, 2011.USA: Stanford University, 2011: 301-312 [5] WANG T, SUN G, CHEN J, et al. GRT: A Reconfigurable SDR Platform with High Performance and Usability [J]. ACM SIGARCH Computer Architecture News (CAN), 2014, 42(4): 51-56 [6] CHEN J, WANG T, WU H, et al. A High- Performance and High-Programmability Reconfigurable Wireless Development Platform (demostration paper)[c]// Proceedings of the 2014 International Conference on Field-Programmable Technology (ICFPT 2014). USA, IEEE: 350-353, 2014. DOI: 10.1109/FPT.2014.7082817 [7] WU H, WANG T, CHEN J, et al. GRT: A High-Performance Customizable HW/SW Open Platform for Underlying Wireless Networks [J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2015, 44(1): 23-128 [8] IEEE 802.11 Standard: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications [S]. USA: IEEE Standards Association, 2012 [9] BHARADIA D, KATTI S. Full Duplex MIMO Radios[C]// Proceedings of the 11th USENIX Symposium on NSDI 14, 2014. USA: USENIX, 2014: 359-372 [10] ARYAFAR E, KHOJASTEPOUR M A, SUNDARESAN K, et al. MIDU: Enabling MIMO Full Duplex[C]//Mobicom 12 Proceedings of the 18th annual international conference on Mobile Computing and Networking, 2012. USA, USENIX: 257-268 [11] WU D, ZHANG C, GAO S, et al. A Digital Self-Interference Cancellation Method for Practical Full-Duplex Radio[C]// 2014 IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC), 2014. USA: IEEE, 2014: 74-79 [12] EVERETT E, SAHAI A, SABHARWAL A. Passive Self-Interference Suppression for Full-Duplex Infrastructure Nodes [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2014, 13(2): 680-694 作 者 简 介 吴 浩 洋, 北 京 大 学 信 息 科 学 技 术 学 院 高 能 效 计 算 与 应 用 中 心 博 士 生 ; 主 要 研 究 方 向 为 无 线 通 信 无 线 局 域 网 体 系 结 构 王 韬, 北 京 大 学 信 息 科 学 技 术 学 院 副 教 授, 北 京 大 学 高 能 效 计 算 与 应 用 中 心 副 主 任,IEEE 高 级 会 员, 中 国 计 算 机 协 会 高 级 会 员 ; 主 要 研 究 方 向 为 计 算 机 系 统 结 构 可 重 构 无 线 网 络 体 系 结 构 无 线 医 疗 ; 发 表 论 文 30 余 篇 焦 秉 立, 北 京 大 学 信 息 科 学 技 术 学 院 教 授, 信 息 科 学 技 术 学 院 无 线 通 信 和 信 号 处 理 中 心 主 任 ; 主 要 研 究 方 向 包 括 CDMA 和 OFDM 等 无 线 接 入 技 术 同 频 同 时 全 双 工 (CCFD) 技 术 MIMO 以 及 同 频 同 时 全 双 工 技 术 ; 发 表 论 文 100 余 篇 综 合 信 息 中 国 稳 坐 芯 片 专 利 申 请 榜 首 排 头 兵 中 兴 通 讯 跻 身 全 球 30 强 国 际 知 名 专 利 检 索 公 司 QUESTEL 发 布 芯 片 行 业 专 利 分 析 及 专 利 组 合 质 量 评 估 报 告 指 出, 全 球 芯 片 专 利 数 量 在 过 去 18 年 里 实 现 了 6 倍 增 长, 中 国 芯 片 专 利 申 请 量 在 过 去 18 年 里 则 实 现 了 23 倍 的 惊 人 增 长, 数 量 上 中 国 已 成 为 目 前 芯 片 专 利 申 请 的 第 一 大 国, 这 与 中 国 的 专 利 申 请 总 量 连 续 5 年 蝉 联 全 球 第 一 的 大 环 境 相 符 合 QUESTEL 报 告 以 ORBIT 专 利 数 据 库 收 录 的 99 个 国 家 及 组 织 的 专 利 数 据 为 数 据 源, 检 索 截 至 2016 年 4 月 6 日 的 数 据 该 报 告 指 出, 在 全 球 芯 片 专 利 申 请 量 前 30 位 专 利 权 人 中, 日 本 公 司 居 多, 日 立 东 芝 和 NEC, 排 名 前 三 位, 其 次 是 美 国 的 IBM 英 特 尔 德 州 仪 器 高 通 等 老 牌 企 业, 中 国 企 业 在 芯 片 专 利 数 量 上 已 逐 步 赶 上 国 外 老 牌 企 业, 中 兴 通 讯 的 专 利 申 请 在 中 国 企 业 中 排 名 靠 前, 位 列 全 球 第 23 位 具 体 而 言, 中 兴 通 讯 是 国 内 芯 片 专 利 申 请 量 领 先 的 企 业, 表 现 抢 眼 的 科 研 院 校 代 表 则 为 浙 江 大 学 和 清 华 大 学 积 极 申 请 芯 片 专 利 和 取 得 较 好 成 绩 的 背 后, 与 中 国 芯 片 产 业 的 现 状 和 企 业 自 主 研 发 的 意 识 增 强 相 关 QUESTEL 报 告 认 为, 经 过 多 年 的 技 术 和 专 利 积 累, 中 国 企 业 已 初 步 具 备 和 国 际 领 先 企 业 竞 争 合 作 的 技 术 基 础 和 知 识 产 权 基 础 但 国 外 企 业 无 论 从 市 场 还 是 专 利 数 量 来 说, 仍 然 在 全 球 占 据 了 大 部 分 席 位, 本 土 企 业 在 诸 多 方 面 都 与 国 际 领 先 企 业 存 在 着 较 大 差 距 业 内 人 士 指 出, 国 产 芯 片 主 要 应 用 于 消 费 类 领 域, 而 在 对 稳 定 性 和 可 靠 性 要 求 很 高 的 通 信 工 业 医 疗 和 军 事 等 领 域, 仍 主 要 依 赖 美 国 等 发 达 国 家 随 着 以 中 兴 通 讯 等 为 首 的 通 信 科 技 企 业 正 在 大 幅 提 高 国 产 芯 片 的 自 给 率, 以 及 与 信 息 安 全 相 关 的 芯 片 产 业 成 为 国 家 重 点 扶 持 谋 求 突 破 的 产 业, 相 信 中 国 芯 片 产 业 未 来 5~ 10 年 将 走 向 新 的 快 车 道 ( 转 载 自 C114 中 国 通 信 网 ) 2016 年 6 月 第 22 卷 第 3 期 Jun. 2016 Vol.22 No.3 35 中 兴 通 讯 技 术 D:\MAG\2016-06-128/VOL22\F5.VFT 5PPS/P5