WiMAX系统实时仿真平台的分析研究

曾长隆 ，魏国庆 ，何 鹏 ，梅 伶

（1.重庆金美通信有限责任公司，重庆400030；2.重庆市科能高级技工学校信息中心，重庆400037）

1 引言

实时信号处理技术，即实时地及时完成各种操作，在无线通信领域得到越来越多的应用，以OFDM系统为例，一个实时仿真平台，可以随时监控系统当中的数据运行情况，包括数据流传输、时频二维数据分析、信道质量等，作为辅助手段很好地确保分析系统的稳定性。随着高性能DSP以及FPGA等处理器技术的发展，采用多个处理器并行处理是提高系统处理能力的有效途径，因此系统中大量数据高速实时传输成为一项关键技术[1]。

实时信号处理的仿真平台可以分为软件仿真平台和硬件仿真平台。目前，已有大量文献对通信系统实时仿真平台进行了研究，从不同角度提出了多种解决方法。文献[2-4]以MATLAB的Simulink模块建立系统仿真模型，进行系统分析，以良好的实时性分析物理层每个模块的运行情况，但它是脱离硬件平台而运行的。文献[5]基于以太网数据传输系统，可以实时传输数据，但只能是子模块，不能看到全套系统数据。文献[6]基于DSP和FPGA硬件实时信号处理，硬件操作，不能对相关PHY层算法分析处理。基于上述情况，通过软件和硬件结合的方式，研究一套基于OFDM系统的实时仿真平台。首先简要介绍实时仿真系统的基本框架，然后对重点模块展开说明，最后对实时仿真系统进行仿真和结果验证。

2 系统模型

一个典型的WiMAX实时仿真系统的流程框图如图1所示。如图，当物理层处在高速通信过程当中，若出现信号通信质量不好的状况，需要对物理层信号进行信号分析，那么就要实时采集当前PHY层的信号。在PC端使用由MFC编写的消息界面，通过以太网，对MAC发布要采集数据的命令，MAC收到命令之后，通过IPC消息，对PHY层发出采集数据类型命令，DSP收到消息后，立即进行处理，传输当前接收到命令的模块输出数据到PC端，由MATLAB仿真软件对PC端数据文件进行物理层仿真，分析当前信号。

图1 系统仿真平台框图

3 模块分析

3.1 接口消息

PC端通过界面发出需要采集的数据类型消息命令，来采集系统所需要的数据，并进行分析处理。PC端界面传输消息命令的接口类型如表1所示；消息传输界面如图2。

表1 PC端发送消息类型

图2 PC端消息传输界面

3.2 DMA控制模块概述

DSP中数据传输模块为DMA，当DSP核工作时，DMA控制器使能数据的传输，它能通过总线传输数据到M2、M3和DDR SDRAM。多达16个数据通道，每个通道能被DSP子系统调用，也可被2个外部RapidIO和PCIe接口调用。所有的通道可以进行复数数据移动和交互。DMA控制器支持智能仲裁算法，如轮转使用基于定时器机制的截止期最早优先算法，也支持应用开发和测试的调试模式[7]。DMA的工作流程如图3所示。MAC层通过IPC发送读取数据的消息给DSP，DSP启动DMA模块，将DSP系统内存当中的数据传输到DSP与PA端共享内存当中，同时DSP通过IPC响应消息给MAC，告诉MAC层可以取数据了。

图3 DMA工作流程

3.3 Socket网络通信

Socket（套接字）是建立在传输层协议（主要是TCP和UDP协议）上的一种套接字规范，用于描述IP地址和端口，是一个通信链句柄。应用程序通常通过Socket向网络发出请求或者应答网络请求[8]。如图1中的PC机即是通过Socket传递消息和应答请求，以及需要传输的数据的。

3.4 物理层仿真系统说明

PC机采集到实时射频数据，生成的射频数据文件，即可以通过仿真系统加载射频文件，分析当前物理层译码情况。射频数据格式分为实部和虚部，分别以I、Q来表示，所接收的数据表示为D，单位为字节。WiMAX物理层仿真系统界面如图4。其工作流程可归纳为以下4点：

1)通过加载的射频文件，进行子模块数据分析，包含收端信号频谱分析、FFT输出数据分析、插值结果分析、均衡输出数据分析、解调软信息分析以及最后的译码结果分析等，在图形界面当中显示得出系统的分析可视化结果；

图4 收端物理层仿真系统界面

2)通过不同的算法比较分析译码性能，有效提升系统仿真分析效果；

3)以信噪比和场强显示当前信道质量，用以指导判断系统性能；

4)通过收端计算出同步参数，判断相关峰的同步位置信息、频偏信息，为后续译码提供参考。

4 系统仿真

物理层协议以WiMAX协议为例，验证该仿真分析系统在通信当中的有效性，分别通过ping包通信和灌包查看流量的方式说明仿真系统作为测试工具在系统中所起的作用。当系统出现ping包通信掉包或者系统流量异常的情况下，通过仿真平台对采集到的系统物理层数据进行分析。

下行调制阶数为QPSK 1/2时，进行数据ping包通信。在系统运行过程当中，发现丢包现象，如图5所示。通过系统仿真软件平台采集到均衡模块输出后的数据进行分析，发现星座点有频偏，说明在收端的频偏纠正过程，频偏计算不准确，数据纠正不完全，导致最后出现数据解析出错的情况发生，如图6所示。

图5 ping包通信掉包

图6 系统数据分析发现错误

下行调制阶数为16QAM 1/2时，在数据灌包过程当中，通过流量监控软件发现，接收信号出现突然下降的情况，通过系统仿真平台，抓取PHY层信号进行分析，如图7所示。

图7 发现速率流量下降

针对这一数据流量下降的异常，采集数据进行分析，从中发现，在信道插值过程中信道系数发生了变化，一帧信号内，前几个数据符号和后几个数据符号的信道特性不一致，如图8所示。这一变化导致最后数据突发解析出错，造成数据丢失。通过实时监控数据信号特性，进行分析，最终定位信号出问题的模块为信道估计模块。

图8 数据分析中发现信道特征变化

5 结束语

从理论分析出发，结合软件硬件平台特性，研究了基于WiMAX协议的通信系统实时仿真平台的实现。通过仿真系统以ping包和灌包两种通信方式进行说明，表明在设备通信过程当中，仿真系统可以很好地监控收发端的物理层数据、信道数据以及译码数据，进行数据分析，快速判断出PHY层信号中是哪个模块出现问题，并及时解决，确保了调试系统的良好运转。