基于FPGA的太赫兹高速MAC协议设计与实现

郭 黎，苏 新，王 磊

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

0 引言

现如今，人们对短程无线通信的要求越来越高。不久的将来，甚至需要几十Gbit/s的数据速率来满足高速通信的要求。传统的无线通信系统(<5 GHz)和毫米波(30～300 GHz)的频率无法支撑如此高的数据速率[1-2]，因此人们在这种背景下展开了对太赫兹频段[3]的探索。

THz频段的频率范围在0.1～10 THz之间[4]，不使用大带宽，可以支持几十Gbit/s或更高的数据传输速率。然而，由于太赫兹波在空中的损耗极为严重，使得数米外的通信变得困难，基于这一特点，确定了太赫兹波更适合于短程通信场景，如无线个人局域网[5]。

由于太赫兹无线网络的高传输特性，因此需要相关的MAC协议来支撑。现有的IEEE802.15.3c[6]标准和IEEE802.11ad[7]标准适用于高频段的数据传输，但是通过比较发现，15.3c在波束赋形上的开销要小于11ad，所以太赫兹协会建议学者在太赫兹方面的研究基于IEEE802.15.3c标准。

太赫兹无线通信适用于短距离通信，为了增大通信距离，通常采用波束赋形技术[8],即在某个方向的发射/接收功率最大化，而在其他方向上的功率最小化。文献[9]指出随着频率增大，波束变得也越窄，在60 GHz的通信中，如此窄的波束用于波束赋形的话，会产生大量浪费。文献[10]为了解决这一浪费，提出一种快速波束赋形方案：首先在低频段进行信道扫描及信令交互，通过在2.4 GHz频段确定方位角和发射角大致方位，然后在太赫兹频段进行定向数据传输，但该方案会增加设备成本。

本文基于IEEE802.15.3c标准，针对波束赋形现存的控制开销大的问题，提出了按需波束赋形的方案，并且在KC705开发板上加以实现。

1 太赫兹无线网网络模型

如图1所示，太赫兹无线个域网由一个网络的协调器(PNC)和多个网络中的设备(DEV)组成。PNC主要负责整个网络的管理以及时隙的分配：DEV可以在PNC的控制下，进行入网、数据传输等操作。

图1 网络拓扑Fig.1 Network topology

太赫兹无线个域网的网络运行时间由首尾相连的超帧组成，其中超帧由3个时间段组成，如图2所示，分别为Beacon时段、CAP时段以及CTAP时段。网络中的设备在这3个时段内进行不同的操作。

图2 超帧结构Fig.2 Superframe structure

在Beacon时段内，PNC旋转天线，循环发送Beacon帧。Beacon帧的作用主要是为了使周围的DEV知道网络的存在，以及同步整个网络。在CAP时段，想要入网的设备首先需要向PNC申请入网，PNC根据网络资源允许或不允许其入网。之后，入网后的设备想与网络中的某个设备通信，还需要向PNC申请时隙。在CTAP时段，各DEV根据PNC分配的时隙，在里面进行数据的传输。

2 系统硬件实现

2.1 系统设计

本设计采用的硬件平台是Xilinx公司推出的K系列开发板KC705，由于经费原因，本设计实现的是端到端的太赫兹无线通信。但是设计的MAC协议是参照IEEE802.15.3c标准实现的，所以适用于多DEV的应用场景。图3为其系统框图。

图3 系统设计框图Fig.3 System design block diagram

其中，PCIE接口接收来自上层的数据，然后根据PCIE的相关协议，将其转换成MSDU单元，以便MAC协议模块能够识别。在上行链路通信过程中，MAC模块将数据发送至PCIE接口处，由PCIE模块将数据转换成TTL格式的数据包，之后将TTL数据包发送到PC机。GTX接口部分主要用到了GTX的IP核，其目的是为了进行高速的数据传输，以便模拟出太赫兹高速的数据传输特性。对于MAC模块的数据，GTX模块进行并串、预加重及D/A转换等操作，然后送到物理介质层；在下行链路通信过程中，GTX模块接收物理介质层传输的信号，之后在GTX模块，对这些信号进行A/D转换、均衡及串并转换等操作，最终将处理好的数据发送至MAC模块。

2.2 MAC协议模块

缓存模块包含应用层时钟信号、复位信号、写数据接口以及读数据接口等信号，如图4所示。其主要功能是将网络层PCIe接口传输的视频数据进行暂存，同时进行大量数据帧的跨时钟传输，实现了应用层的时钟频率和发送数据通路的时钟频率之间的转换，防止数据发生亚稳态错误，保证了数据传输的准确性，缓存模块主要由buffer和一个异步先入先出模块组成。

图4 缓存模块Fig.4 Cache module

发送模块如图5所示，其包含 3个子模块。控制消息生成模块的主要功能是请求帧和回复帧控制消息的生成；数据聚合帧生成模块的主要功能是当d_frame_tx_start接口信号置高时，缓存数据开始写入，然后将数据缓存中的数据帧进行帧聚合，接着将聚合后的数据帧通过物理层GTX接口进行发送；Beacon帧生成模块的主要功能是生成协议中的Beacon帧，然后将生成的Beacon帧通过s_frame_tx_dat发送接口进行发送。

图5 发送模块Fig.5 Transmission module

Beacon帧生成模块主要用于将MAC协议收到的Beacon帧进行重新组合，将其加入帧头，然后通过CRC校验，在帧的尾部插入校验序列，生成的Beacon帧准备发送到GTX接口处。而Beacon帧生成模块的另一个作用是用来生成超帧结构，然后将超帧结构发往每个模块，用于对每个模块进行同步。

数据聚合帧生成模块由Buffer模块和FIFO模块两个部分组成。Buffer模块对PCIe接口传输的MSDU数据单元进行暂存，FIFO则对MSDU第一个双字节的单元长度信息进行了缓存，这样就将MSDU数据单元的长度信息与数据进行了分离，方便帧聚合模块对PCIe接口传输的数据单元进行帧聚合操作。根据长度信息和数据部分进行计算得到需要传输的子帧个数，然后将子帧个数写入到MAC header中。同时，将FIFO暂存的长度信息写入到MSDU Suheader中，对所有的子帧头部进行组帧生成聚合帧头部，然后将buffer模块中的数据负载添加到聚合头部之后进行聚合帧。最后，将聚合帧通过物理接口进行发送。

控制消息生成模块的主要功能是生成在MAC协议运行时的各种控制消息，如ACK消息、入网请求消息及时隙申请消息等。该模块根据MAC协议控制模块发送过来的帧类型进行判断，然后将消息进行校验，再将校验结果一并插入到帧的尾部，最后将整个消息，以每个时钟周期32 bit的速率发送到GTX接口处。

接收模块主要包括Beacon解析模块、数据帧解聚合模块和控制消息解析模块，其主要作用是为了解析发送模块发送过来的控制消息和数据消息，此过程是发送模块的逆过程，在此不再赘述。图6为接收模块的实现图，使用Vivado软件进行设计。

图6 接收模块Fig.6 Receiving module

波束赋形模块是在MAC协议模块里实现的，如图7所示。该模块采用状态机机制，首先是Beam状态，在此状态下，对每个方向进行波束训练操作，与标准不同的是，该模块是根据节点的历史消息，选择性地发送波束训练帧，即只在目的节点的方向发送波束训练帧，对于其他方向，则不发送训练帧。然后进入Send状态，该状态是目的节点回复源节点的训练帧，之后进入Success状态，该状态表明源节点与目的节点已经完成波束赋形训练操作。

图7 MAC协议控制模块Fig.7 MAC protocol control module

3 系统测试

Vivado软件是Xilinx公司推出的一款针对其FPGA产品的设计工具。Vivado 设计套件采用了用于快速综合和验证C 语言算法IP 的ESL 设计，实现重用的标准算法和RTL IP 封装技术，标准IP 封装和各类系统构建模块的系统集成，模块和系统验证的仿真速度提高3倍，与此同时，硬件协仿真性能提100倍[11]。将MAC协议模块以及接口模块在Vivado上进行设计与实现，然后将生成的比特流文件烧录到KC705开发板上，然后搭建如图8的硬件平台进行数据通信测试。为了测试设计的MAC协议的性能，使用了带有Linux系统的上位机。在Linux平台上，首先使用pin工具，分别测试采用原始标准协议和新协议的端到端时延，如图9和图10所示。

图8 硬件测试平台Fig.8 Hardware test platform

图9 IEEE802.15.3c协议端到端时延Fig.9 End to end delay of IEEE802.15.3c protocol

图10 新协议端到端时延Fig.10 End to end delay of new protocol

由测试结果可知，新协议的端到端平均网络时延约为0.284 ms。对比两个结果可以看出新协议的平均端到端时延要小于标准协议。主要是因为新协议采用了波束赋形新机制，使得波束赋形时间减少，从而减小了端到端时延。

在Linux平台上使用GTK测速软件进行吞吐量的测试，测试结果如图11和图12所示。结果表明，新协议在带宽不低于3.0 Gbit/s下，平均数据传输速率能够达到约2.70 Gbit/s。对比两组结果可知，新协议的吞吐量明显高于IEEE802.15.3c标准协议，主要是因为新协议在波束赋形过程中，只对特定方向发送训练帧，从而使得节点间能够更快地将天线对准彼此，进而单位时间内传输的数据更多，所以其吞吐量有较大改善。之后又重复性地继续进行多组实验，得到结果统计如图13所示。

图11 IEEE802.15.3c吞吐量Fig.11 IEEE802.15.3c throughput

图12 新MAC协议吞吐量Fig.12 Throughput of new MAC Protocol

图13 新MAC协议吞吐量统计Fig.13 Throughput statistics of new MAC Protocol

从图13中可以看出，在多组不同的时间参数下，数据的吞吐量稳定在2.7 Gbit/s以上，说明所设计的MAC协议性能较稳定。

4 结论

本设计通过FPGA实现了太赫兹无线个域网的MAC协议，并且针对IEEE802.15.3c的不足之处作出相应改进，随后分别在Linux上位机上测试了标准协议和新协议的相关性能。实验结果表明，所设计的协议无论是在端到端时延方面，还是在网络吞吐量方面都有极大的改善。本文只是针对太赫兹MAC协议的部分进行了设计与实现，对于太赫兹的其他应用场景暂未考虑进去，比如空间复用的情况，后面的工作将对空间复用进行研究并实现。