基于NI PXI平台IEEE802.11ac物理层关键传输技术研究及硬件实现

摘要

随着宽带无线通信技术和应用的飞速发展，人们对高速无线上网的需求愈加旺盛。为了进一步提高现有的无线局域网(WLAN)标准的数据传输速率，IEEE标准委员会已经开始制定新一代的无线局域网标准IEEE802.11 ac。该标准不仅完全兼容现有传输速率最高的802.11n标准，而且将理论最大传输速率提高到了1Gbps以上。
　　802.11ac标准在物理层第一次将下行多用户MIMO(DL MU-MIMO)传输技术引入到WLAN系统中，可以在相同带宽下同时向多个用户传输数据，同时，802.11ac标准在5GHz频段上扩展了支持的信道带宽，并且提高了最大调制编码速率，这些措施极大地提高了WLAN的传输速率和系统容量。
　　本文基于IEEE802.11ac物理层技术进行了理论研究和硬件实现，主要工作如下:
　　1、以802.11ac物理层标准为基础，详细研究了甚高吞吐率物理层帧格式(VHTPPDU)、发射端的基带处理流程以及空时块编码(STBC)、空间扩展(SE)、发射波束成形(TxBF)等802.11ac支持的MIMO技术。
　　2、由于预编码需要通过反馈得到信道状态信息，因此研究了802.11ac标准中的信道反馈协议。研究了基于迫零(ZF)、最小均方误差(MMSE)以及三种基于信道分解(SVD、GMD、UCD)的单用户线性预编码算法并进行了仿真对比。接着研究了在多用户情况下的MIMO预编码算法，包括ZF、MMSE以及块对角化(BD)并在802.11ac标准信道环境下进行了仿真对比。
　　3、研究了两种经典的适合于硬件实现的SVD分解算法:基于特征值分解(EVD)和基于双边Jacobi旋转及酉变换的算法。针对以上两种算法的特点提出了一种改进方案，利用三角恒等变换以及半角、倍角公式简化了V矩阵在硬件中的计算量，达到了节省FPGA资源的目的。给出了基于EVD分解的2×2复矩阵SVD分解的FPGA硬件设计，并验证了它的正确性。
　　4、在NI PXI硬件平台上设计实现了基于802.11ac的实时视频传输演示系统的发射机。基带处理的所有模块均在FPGA中完成，主要包括前导码的生成、扰码器、BCC编码器、流解析器、交织器、星座图映射器、插入导频及虚子载波、IFFT、加入循环前缀和循环移位以及射频的配置等。演示系统采用2×2 MIMO、20MHz信道带宽、单用户的配置，能实现2部高清电影的实时传输与播放。

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摘要

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表格目录

缩略语

第1章 绪论

1．1 无线局域网概述

1．1．1 无线局域网发展历史

1．1．2 IEEE 802．11ac简介

1．2 无线局域网关键技术

1．2．1 OFDM技术

1．2．2 MIMO技术

1．2．3 MIMO-OFDM技术

1．3 线性MIMO预编码技术概述

1．4 硬件背景知识

1．4．1 FPGA技术

1．4．2 NI PXI硬件平台简介

1．5 论文的研究工作及内容安排

第2章 IEEE 802．11ac协议物理层关键技术研究

2．1 802．11ac物理层关键特性概述

2．2 802．11ac物理层帧结构

2．2．1 Non-HT格式前导

2．2．2 VHT-SIG-A域

2．2．3 VHT-STF、VHT-LTF域

2．2．4 VHT-SIG-B域

2．3 IEEE 802．11ac物理层发送流程

2．3．1 比特串

2．3．2 扰码

2．3．3 前向纠错(FEC)编码

2．3．4 流解析

2．3．5 BCC交织

2．3．6 星座映射

2．3．7 导频子载波

2．3．8 空时块编码(STBC)

2．3．9 循环移位(CSD)及空间扩展(SE)

2．4 本章小节

第3章 IEEE 802．11ac反馈协议及线性预编码技术研究

3．1 IEEE 802．11ac系统中的信道信息反馈

3．1．1 信道探测

3．1．2 信道反馈

3．3 单用户MIMO线性预编码算法研究

3．3．1 单用户线性预编码系统模型

3．3．2 基于ZF及MMSE的单用户预编码算法

3．3．3 基于SVD的单用户预编码算法

3．3．4 基于GMD的单用户预编码算法

3．3．5 基于UCD的单用户预编码算法

3．4 多用户MIMO线性预编码算法研究

3．4．1 多用户线性预编码系统模型

3．4．2 基于ZF及MMSE的多用户预编码算法

3．4．3 基于块对角化(BD)的多用户预编码算法

3．4．4 仿真结果及分析

3．5 本章小节

第4章 SVD分解预编码算法研究及硬件实现

4．1 双边Jacobi旋转

4．2 双边酉变换

4．2．1 I变换

4．2．2 R变换

4．2．3 C变换

4．2．4 D变换

4．3 基于特征值分解的SVD算法

4．4 基于双边Jacobi旋转及酉变换的SVD算法

4．5 利用三角恒等变换的SVD改进算法

4．6 2×2 SVD分解模块的硬件实现

4．7 本章小节

第5章 基于PXI平台的802．11ac发射机系统的设计与实现

5．1 硬件演示系统介绍

5．1．1 NI FlexRIO硬件平台

5．1．2 软件开发环境

5．2 IEEE 802．11ac演示系统架构设计及模块间接口实现

5．2．1 演示系统架构

5．2．2 以太网通信

5．2．3 FIFO通信

5．2．4 P2P通信

5．2．5 模块间同步机制

5．3 IEEE 802．11ac发射机的硬件设计

5．3．1 前导码的生成

5．3．2 扰码器

5．3．3 BCC编码器

5．3．4 流解析器

5．3．5 交织器

5．3．6 星座图映射器

5．3．7 插入导频及虚子载波

5．3．8 IFFT、循环前缀以及循环移位的实现

5．3．9 射频配置与同步

5．4 演示系统

5．4．1 HOST前面板界面

5．4．2 上位机发送端软件界面

5．4．3 上位机接收端软件界面

5．5 本章小节

第6章 总结

6．1 本文的工作总结

6．2 下一步研究方向

参考文献

硕士期间发表的论文、专利申请以及参加的科研项目

致谢