Simulink中的无线收发器设计与网络建模万博1manbetx

本文介绍了一个Simulink万博1manbetx^®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)。

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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万博1manbetx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。

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。万博1manbetxMAC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。万博1manbetx

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。万博1manbetxMAC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。

发射机

在无线收发器的发射机模型中，输出TXON控制用于发送或接收的RF双工开关，并且输出TXSYMBL在变速器期间将调制信号流输出到双工交换机（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帧分别在查找表TXDATA_LUT和TXACK_LUT中加载。更改LUT中的变量更改要传输的内容。变送器的符号速率为10m符号/秒，比特率为20 Mbit / sec。如果没有符号来发送或节点处于接收模式，则TxSymb将设置为零。传输和接收脉冲整形滤波器位于Tx / Rx开关块中。

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。

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。

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。

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。

解调器和CRC

DCRC块（图10）将均衡的符号流从DFE解调为比特流。然后，它检查标题帧CRC并对有效载荷帧长度进行解码。一旦获得有效载荷帧长度，DCRC中的有效载荷CRC块开始。当有效载荷CRC传递时，RXTYPE Gen块会检查MAC标头中的地址字段。如果要地址字段匹配节点的地址，则块根据MAC标题中的类型字段将RxDataOk或Rxackok信号生成到MAC层。每当CRC失败或地址或数据类型不合适时，帧都会被删除。

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。

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15显示了具有两个可选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）。它会生成随机到达的数据包。对于长数据包，LLC层将其分成多个数据帧。LLC层还控制数据帧排队并监视数据包传送状态。

并显示结果

本文中描万博1manbetx述的Simulink模型有三个无线收发器节点，以循环方式通信：节点1→节点3→节点2→节点1.在每个节点处，从LLC层生成的数据包的到达时间是随机的。数据分组最多可包含四个数据帧。数据帧有效载荷长度设置为126字节。系统比特率为20 Mbit / sec。该通道由双路瑞利频道模式建模，具有多普勒频率扩展为50Hz和25dB SNR（EB / NO）的AWGN。

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。

从图17和18中所示的结果，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的时段的媒体流量的缩放视图。我们可以看到数据帧Data1和Data2已经碰撞，因此节点2和节点3都不能生成ACK帧。在ACKW的等待时间之后，两个节点1和3都知道他们的数据帧没有经过。在短暂的退避时段之后，节点1重新发送DATA1，这次它通过并从节点3接收ACK。

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万博1manbetx络构建了一个Simulink模型。该模型由Simulink模块和状态流图组成，说明了万博1manbetx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。

具有此模型，我们可以在所有系统组件方面研究网络环境中无线收发器的各种行为。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

通过在通信系统工具箱中使用附加功能块，WLAN工具箱和SIMEvents，您可以将此Simulink模型扩展到更复杂的无线收发器，例如WLAN，V2X和无线IOT。万博1manbetx