本文介绍了一个Simulink金宝app®模型，您可以使用它作为设计无线收发器和构建无线网络的基本框架。该无线收发器由物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)组成。无线网络模型由多个无线收发器在衰落信道上通信组成。
我们使用了一个简单的PHY (QPSK调制)和两个可选择的MAC层协议:基于aloha的随机回退协议和CSMA/CA (IEEE 802.11)。为简单起见，我们省略了在无线收发器中常见的一些块，如交错、置乱和信道编码。
你可以使用无线收发器模型来研究PHY和MAC的行为，PHY和MAC之间的交互，或者整个网络。您也可以将其作为模板，使用通信系统工具箱™、WLAN工具箱™和SimEvents™中的算法和工具，设计更复杂的无线收发器，如WLAN、V2X和IOT。PHY层块和MAC层statflow®使用包含SDR (AD9361)和FPGA (Xilinx)的ADI RF SOM板生成实时无线收发器实现®Zynq®-7000 SoC)。
网络结构
Simulink模型的顶层结构由衰落无线网络块和多个无线收发节金宝app点组成(图1)特别的方式:网络中的任何节点都可以向任何其他节点发送和接收信号。无线收发机工作在半双工模式。在这个网络结构中，每个收发器节点的输出可以到达其他收发器的所有输入。根据无线信道互易原则，任意两个节点之间的两个信道必须具有相同的设置，而不同的无线收发器对的信道设置可以不同。
图1所示。无线收发机和无线网络模型。
在无线收发器设计中，PHY层采用Simulink模块进行建模，接近于实际的硬件实现。金宝appMAC层采用statflow建模，反映了实际中有限状态机的本质。
现在，我们将仔细研究顶级Simulink模型中的每个组件。金宝app
分组数据帧格式
无线收发器中使用的分组数据帧格式与MATLAB示例中定义的格式相同带数据链路层的分组调制解调器．如图2所示，PHY报头有四个字段，其中Payload Length表示数据链路单元的总位长，它被报头CRC覆盖。MAC报头有七个字段，其中帧CRC包括MAC报头和帧体。有两种帧类型:数据帧和Ack帧。Ack帧的帧体长度为零。数据帧和Ack帧都有一种类似于IEEE 802.11．
图2。无线收发器中使用的分组数据帧格式。
无线收发器
无线收发节点模型使用半双工Tx/Rx模式(图3)。它由PHY层、MAC层和逻辑链路控制(LLC)层组成。PHY层有三个主要模块:发射机、接收机和Tx/Rx开关。这三个模型都是在Simulink中建模的。金宝appMAC层和LLC层用状态流图建模，显示无线收发器的MAC层和LLC层中发生的状态转换和逻辑操作。
图3。无线收发器模型。
发射机
在无线收发机的发射机型号中，输出TxOn控制射频双工开关进行传输或接收，输出TxSymbl在传输期间将调制信号流输出到双工开关（图4）。输入信号TxDataOn和TxAckOn分别控制数据帧和Ack帧的传输持续时间。数据帧和Ack帧分别加载到查找表TxData_LUT和TxAck_LUT中。更改LUT中的变量会更改要传输的内容。发射机的符号速率为10M符号/秒，比特率为20 Mbit/秒。如果没有要发送的符号或节点处于接收模式，则TxSymbl设置为零。发送和接收脉冲整形滤波器位于Tx/Rx开关块中。
图4。无线收发器的发射机模型。
接收机
无线收发器的接收器有三个主要功能块:信号检测(SD)，决策反馈均衡器(DFE)，和解调器和CRC (DCRC)(图5)。SD块监测接收的信号功率水平。一旦功率水平超过阈值，SD块产生一个信号使DFE和DCRC块启用，并开始将接收到的信号馈送给DFE。DFE是分数间隔的，每个符号有两个样本。训练引用序言存储在REF_LUT块中。训练数据在均衡化训练期开始时被召回。DCRC块将均衡的符号流解调为位流，标识有效载荷长度字段的分隔符，并运行报头CRC以获得无错误的有效载荷长度。一旦获得有效载荷长度，该块对有效载荷进行CRC操作，将接收到的报文标识为数据帧或Ack帧，并将帧类型信息提供给MAC层。如果CRC校验失败，帧将被丢弃，接收端将恢复到待机状态。
图5。无线收发器的接收器模型。
信号探测器
信号检测器(SD)，如图6所示，用于检测到达无线收发器的信号。SD波形如图7所示。信号的绝对值采用两级指数移动平均滤波器滤波。一旦移动平均滤波器的输出超过阈值，检测器生成使能信号SigDe来启动DFE和DCRC块。输出SigOut处的缓冲区块为分数阶DFE生成二维(示例)数据。
图6。信号探测器模型。
图7。来自信号检测器的信号波形。
判决反馈均衡器
DFE在无线收发器中起着重要的作用。DFE的功能是消除码间干扰(ISI)，同步码元时间，对齐帧场，并补偿频率偏移[1]，[2]。如图8所示，DFE以符号速率运行，并为每次加权均衡器迭代取两个新的样本。
图8。教育部模型。
由于前馈单元(DFE_Cell_FFW)的输入维数为2，所以每个DFE_Cell_FFW块进行两次前插处理。因此，在DFE的前向部分，使用9个DFE_Cell_FFW块来实现18个前向点击。在反馈部分，每个DFE_Cell_FBW都有一个一维输入，并处理一次反馈点击。因此，DFE有6个反馈点。训练长度设置在DFE的N-Sample Switch块中。适配器权重标量在DFE中名为“mu”的常量块中设置。图9为DFE前后的星座图。
图9。显示信道均衡对ISI的影响的图。
解调器和CRC
DCRC块（图10）将均衡符号流从DFE解调为比特流。然后检查报头帧CRC并解码有效负载帧长度。一旦获得有效负载帧长度，DCRC中的有效负载CRC块开始。当传递有效负载CRC时，RxType Gen块检查MAC报头中的To地址字段。如果To Address字段与节点的地址匹配，则块根据MAC报头中的Type字段向MAC层生成RxDataOk或RxAckOk信号。每当CRC失效或地址或数据类型不合适时，帧就会被丢弃。
图10。解调器和CRC模块。
MAC层
MAC对无线收发器进行智能控制。MAC实现了两个可选择的MAC函数:基于aloha (MAC_Sel=1)和CSMA/CA (MAC_Sel=0)。基于aloha的MAC非常简单，而CSMA/CA MAC更加高效。
对于基于aloha的MAC(图11和12)，当节点发送数据帧时，它期望在AckW定义的时间内收到来自接收节点的Ack帧。如果在AckW中没有收到Ack，则MAC进入随机回退过程。返回过程迭代，直到成功发送数据帧或达到最大重试次数。
图11。基于aloha的MAC上的数据帧流量。
图12。基于aloha的MAC状态流程图。
对于CSMA/CA MAC(图13和14)，介质必须在DIFS传输周期内保持安静，然后节点开始随机竞争窗口周期(CW)。在CW结束时，如果介质仍然安静，节点开始传输数据帧;否则它将等待另一个安静的DIFS周期。当发送节点在SIFS周期内听到Ack帧时，将发送下一个数据帧;否则重新进入DIFS周期。
图13。CSMA/CA MAC上的数据帧流量。
图14。CSMA/CA MAC状态流程图。
图15显示了具有两个可选MAC功能的MAC层结构。
图15。具有可选MAC功能的MAC层结构。
逻辑链路控制层
LLC层处理上层和无线收发器之间的随机数据包（图16）。它生成随机到达的数据包。对于长数据包，LLC层将其分割为多个数据帧。LLC层还控制数据帧队列，并监控数据包交付状态。
图16。逻辑链路控制层状态流程图。
并显示结果
本文描述金宝app的Simulink模型有三个无线收发器节点，它们以循环方式通信：节点1→ 节点3→ 节点2→ 节点1。在每个节点，从LLC层生成的数据分组的到达时间是随机的。一个数据包最多可以有四个数据帧。数据帧有效负载长度设置为126字节。系统比特率为20 Mbit/秒。该信道采用双路瑞利信道模式，多普勒频率扩展为50 Hz，AWGN为25 dB SNR（Eb/No）。
在基于aloha的MAC中(图17)，上面的三个图是来自三个节点的传输波形，下面的图是节点1的后退计数器的值。在图中，持续时间较宽的信号是数据帧，持续时间较窄的信号是Ack帧。图18显示了CSMA/CA MAC的类似图。
图17。具有ALOHA MAC的节点波形。顶部：网络注释的发射机波形。底部：节点1后退计数器值。
图18。CSMA/CA MAC的节点波形。上:网络笔记的发射机波形。下:节点1后退计数器值。
从图17和图18所示的结果中，我们可以得出以下结论：
- 碰撞可以发生在任意两个节点之间，也可以发生在所有三个节点之间。
- 一个成功的传输总是后面跟着一个Ack帧。
- 短的周转时间对于高网络吞吐量是重要的。
- 基于载波感知的CSMA/CA MAC比基于aloha的MAC更高效。
图19显示了从2.8 ms到3.4 ms期间媒体流量的放大视图。我们可以看到数据帧Data1和Data2发生了冲突，因此节点2和节点3都无法生成Ack帧。在AckW的等待期之后，节点1和3都知道它们的数据帧没有通过。在一个短的退避期之后，节点1重新发送数据1，这一次它通过并从节点3接收Ack。
图19。在图17中放大了2.8毫秒到3.4毫秒的时间视图。
总结
在本例中，我们为一个具有多个无线收发器和衰落信道的无线网金宝app络构建了一个Simulink模型。该模型由Simulink模块和状态流图组成，说明了金宝app基于模型的设计的有效性。无线收发器有PHY层和MAC层。PHY层模型提供了通用PHY的基本功能:调制、解调、信号检测、同步、均衡、位操作、报头CRC和帧CRC。MAC层模型由状态流图组成。它既可以使用基于aloha的MAC，也可以使用CSMA/CA (IEEE 802.11) MAC。
有了这个模型，我们可以研究无线收发器在网络环境中相对于所有系统组件的各种行为。这些行为可能包括：
- 快速同步、均衡和周转
- 基于框架和基于样本的处理
- PHY和MAC之间的相互作用
- 不同信道模型的网络性能
通过使用通信系统工具箱、WLAN工具箱和SimEvents中的其他功能块，您可以将此Simulink模型扩展到更复杂的无线收发器，如WLAN、V2X和无线物联网。金宝app
