基于Simulink的无线收发器设计与网络建模金宝app

本文将介绍一个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。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通过衰落信道通信组成。

我们使用了一个简单的PHY, QPSK调制，和两个可选的MAC层协议:基于aloha的随机回退和CSMA/CA (IEEE 802.11)。为了简单起见，我们省略了无线收发器中常见的一些块，如交织、置乱和信道编码。

您可以使用无线收发器模型来研究PHY和MAC的行为，PHY和MAC之间的相互作用，或整个网络。您还可以将其用作模板，通过使用Communications System Toolbox™、WLAN Toolbox™和SimEvents™中的算法和工具来设计更复杂的无线收发器，例如WLAN、V2X和IOT。PHY层阻塞和MAC层状态流^®图表使您能够使用HDL Coder™生成HDL代码，并使用包含SDR (AD9361)和FPGA (Xilinx)的ADI RF SOM板实现实时无线收发器^®Zynq^®-7000 SoC)。

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网络结构

Simulink模型的顶层结构由一个衰落无线网络块和多个无线收金宝app发节点(图1)组成特别的网络中的任何节点都可以向任何其他节点发送或接收信号。无线收发器工作在半双工模式。在这种网络结构中，每个收发器节点的输出可以到达其他收发器的所有输入。根据无线电信道互反原则，任意两个节点之间的两个信道设置必须相同，而不同无线收发器对的信道设置可以不同。

在无线收发器的设计中，PHY层采用了与实际硬件实现接近的Simulink模块进行建模。金宝appMAC层使用statflow建模，以反映实际中有限状态机的性质。

现在，我们将仔细研究顶级Simulink模型中的每个组件。金宝app

无线收发器

无线收发节点模型采用半双工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:发射器、接收器和Tx/Rx开关。这三种都是在Simulink中建模的。金宝appMAC和LLC层用状态流程图建模，以显示无线收发器的MAC和LLC层中发生的状态转换和逻辑操作。

发射机

在无线收发器的发射器模型中，输出TxOn控制射频双工开关进行传输或接收，输出TxSymbl在传输过程中将调制信号输出到双工开关(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帧分别加载在查找表TxData_LUT和TxAck_LUT中。改变lut中的变量将改变要传输的内容。发射机的符号速率为10M符号/秒，比特速率为20mbit /秒。如果没有要传输的符号或节点处于接收模式，TxSymbl将被设置为零。传输和接收脉冲整形滤波器位于Tx/Rx Switch模块中。

接收机

无线收发器的接收器有三个主要功能模块:信号检测(SD)、决策反馈均衡器(DFE)和解调器与CRC (DCRC)(图5)。SD模块监控接收到的信号功率电平。一旦功率水平超过阈值，SD块产生一个信号使DFE和DCRC块启动，并开始将接收到的信号馈送给DFE。DFE是部分间隔的，每个符号有两个样本。训练参考序言存储在REF_LUT块中。在均衡训练期开始时召回训练数据。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，将收到的数据包识别为Data帧或Ack帧，并将帧类型信息提供给MAC层。如果任何CRC失败，帧被丢弃，接收端恢复到待机状态。

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，检测器产生使能信号SigDe来启动DFE和DCRC块。输出SigOut处的缓冲块将二维(样本)数据生成到分数DFE。

决策反馈均衡器

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)，同步符号时序，对齐帧场，补偿频偏[1]，[2]。如图8所示，DFE以符号速率运行，并为均衡器权重的每次迭代取两个新样本。

由于前馈单元(DFE_Cell_FFW)的输入维数为2，所以每个DFE_Cell_FFW块进行两个正向轻敲的处理。因此，在DFE的forward部分，使用9个DFE_Cell_FFW块来实现18个forward tap。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。因此，DFE有6个反馈点。训练长度在DFE的N-Sample Switch块中设置。适配器权重标量在DFE中以“mu”命名的常量块中设置。图9展示了DFE前后的星座。

解调器和CRC

DCRC块(图10)将均衡的符号流从DFE解调为位流。然后检查报头帧CRC并解码有效负载帧长度。一旦获得有效载荷帧长度，DCRC中的有效载荷CRC块就会启动。当有效载荷CRC被传递时，RxType Gen块检查MAC报头中的To Address字段。如果To Address字段与节点地址匹配，则block根据MAC Header中的Type字段向MAC层发送RxDataOk或RxAckOk信号。每当CRC失败或地址或数据类型不合适时，帧就会被丢弃。

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功能:基于aloha (MAC_Sel=1)和CSMA/CA (MAC_Sel=0)。基于aloha的MAC简单明了，而基于CSMA/CA的MAC效率更高。

对于基于aloha的MAC(图11和图12)，当一个节点传输一个数据帧时，它期望在AckW定义的时间内从接收节点接收一个Ack帧。如果在AckW中没有收到Ack，则MAC进入随机back-off过程。回退过程不断迭代，直到成功发送数据帧或达到最大重试数为止。

对于CSMA/CA MAC(图13和图14)，在传输之前，介质必须在DIFS期间保持安静，然后节点开始随机竞争窗口(CW)周期。在CW结束时，如果介质仍然安静，节点开始传输一个数据帧;否则它会等待另一个安静的DIFS时期。当发送节点在SIFS周期内听到Ack帧时，它将发送下一个数据帧;否则再次进入DIFS期。

图15显示了带有两个可选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层还控制数据帧的排队，监控数据包的发送状态。

结果和显示

本文描述金宝app的Simulink模型有三个无线收发节点，以循环方式进行通信:节点1→节点3→节点2→节点1。在每个节点上，LLC层生成的数据包到达时间是随机的。一个数据包最多可以有四个数据帧。设置数据帧有效负载长度为126字节。系统比特率为20mbit /Sec。该信道采用双路瑞利信道模式，多普勒频宽为50 Hz, AWGN为25 dB信噪比(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的回退计数器的值。图中时长较长的信号为数据帧，时长较短的信号为Ack帧。图18显示了CSMA/CA MAC的类似图。

由图17和图18的结果，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伴随着一个Ack帧。
• 短的周转时间对于提高网络吞吐量非常重要。
• 基于载波感知的CSMA/CA MAC比基于aloha的MAC效率更高。

图19显示了从2.8 ms到3.4 ms期间的媒体流量的放大视图。我们可以看到数据帧Data1和Data2发生了碰撞，所以节点2和节点3都不能生成Ack帧。AckW等待时间过后，节点1和节点3都知道自己的数据帧没有通过。经过一段短的回退期后，节点1重新发送Data1，这一次它通过并接收到来自节点3的Ack。

总结

在这个例子中，我们建立了一个具有多个无线收发器和衰落信道金宝app的无线网络的Simulink模型。该模型由Simulink模块和状态流图组成，验证了金宝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层模型由状态流程图组成。它既可以使用基于aloha的MAC，也可以使用CSMA/CA (IEEE 802.11) MAC。这种收发器模型也便于HDL实现和SDR原型设计。

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之间的交互
• 各种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，可以将此Simulink模型扩展到更复杂的无线收发器，例如WLAN、V2X和无线IOT。金宝app