CN104901777B

CN104901777B - 一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统

Info

Publication number: CN104901777B
Application number: CN201510183128.0A
Authority: CN
Inventors: 吴秋宇; 林长星; 陆彬; 邓贤进; 张健
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: CN104901777A

Abstract

本发明公开了一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，包括发射端和接收端；发射端包含加扰模块、成帧模块、前向纠错编码模块、添加帧前缀模块、高速收发模块、开关键控调制模块、太赫兹频率源；接收端包括与发射端相对应的接收处理模块，包括直接检波器、高速收发与数据时钟恢复模块、帧同步模块、前向纠错译码模块、拆帧模块和解扰模块；本发明可直接对比特数据流进行处理，避免进行复杂的数字信号处理，适用于单路高达100Gbps量级的太赫兹高速无线网络应用，结构更简单，便于专用处理器件设计，容易进行功耗与体积控制；在技术可行性上可完全并行化，可在现有水平的FPGA器件上实现，对硬件性能要求低于现有架构要求。

Description

一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统。

背景技术

现有广泛应用的WiFi网络基于电气与电子工程师协会（IEEE）提出的802.11协议，主要采用2.4GHz或5GHz频段进行通信。协议架构的简化模型如图1所示，主要分为物理（PHY）层和媒体接入控制（MAC）层。MAC层由MAC协议子层和MAC管理模块组成，PHY层由物理媒介依赖（PMD）子层、物理协议汇聚（PLCP）子层和PHY管理模块（PLME）组成。

物理层的主要功能包括三个：

1）通过载波和调制完成帧数据的发送，该功能由PMD子层实现。

2）完成MAC层和PHY层的帧交换，该功能由PLCP子层实现。

3）为MAC层提供物理载波监听功能。

根据所采用的技术不同，WiFi网络的PHY层常用类型包括直接序列扩频（DSSS）PHY（包含其改进版本HR/DSSS PHY和ER PHY）、频率跳变扩频（FHSS）PHY、正交频分复用（OFDM）PHY（包含其改进版本HT PHY）等。下面根据公开发表的IEEE标准文件802.11™-2012，对不同类型的WiFi物理层架构的内容进行简要说明。

1、DSSS PHY、HR/DSSS PHY、ER PHY

PLCP将MAC送来的待发送数据（即MAC层协议数据单元，缩写为MPDU）按照一定的帧格式打包成PLCP协议数据单元（PPDU），并对设备的收发状态进行控制。图2所示为PPDU帧的结构，包含PLCP前缀（Preamble）、PLCP头部（Header）和MPDU三个部分组成。前缀包含同步（SYNC）字段和帧起始定界（SFD）字段：SYNC字段为128比特加扰的“1”序列，用于接收机进行载波同步和时间同步，使接收机能正确接收之后从SFD字段起始的数据；SFD字段用于标记PPDU的起始位置，使数据处理模块能正确解释后续比特流的含义，DSSS PHY中SFD采用固定的16比特序列“0xF3A0”。PLCP头部包含信号（SIGNAL）、服务（SERVICE）、长度（LENGTH）和循环冗余校验（CRC）四个字段：SIGNAL字段用于指示接收机采用哪种解调方案对MPDU进行解调；SERVICE字段目前为保留字段，后续另有应用；LENGTH字段指示了MPDU部分的长度，单位为微秒，MAC层用该值来确定PPDU的结束时间；CRC字段用于对PLCP头部数据的正确性进行校验，采用CRC-16校验方法，校验多项式为。

PMD子层从PPDU获取需要发送的信息比特，利用DSSS技术和载波调制将比特数据转换为射频（RF）信号，并从天线上发射出去。图3-4所示分别为发射端和接收端的DSSS物理层的PMD子层。数据分别经过加扰（Scrambler）、DSSS扩频、滤波、调制后被发射出去。

数据加扰的目的是将被发送比特流中长时间连续的0或1进行转换，使数据流近似于随机序列，包含足够多的0、1转换，消除连续0、1序列中的直流分量，便于前端射频器件发射和接收。DSSS PHY采用加扰多项式为。

DSSS技术属于扩频技术的一种，通过采用比发送信息所需的最小带宽大得多的带宽，来换取干扰抑制、降低能量密度、提高时间分辨率、多址接入等通信优势。DSSS PHY采用11片巴克码：+1，-1，+1，+1，–1，+1，+1，+1，–1，–1，–1。

滤波的作用是消除通信频带外的能量，避免对网络中的其他设备造成影响。

DSSS PHY采用两种调制方式：差分二进制相移键控（DBPSK）、差分四相相移键控（DQPSK）。

DSSS PHY仅能够提供1Mbps（DBPSK调制）和2Mbps（DQPSK调制）的传输速率，在带宽需求迅速增长的今天，显然已无法满足网络中高速无线传输的要求。

高速（HR）DSSS物理层HR/DSSS PHY在DSSS PHY的基础架构上进行了技术扩充，使其传输速率增加到最高11Mbps，部分解决了DSSS PHY速率过低的缺点，但仍然不高。

其扩充的技术包括：

1）采用8片补码键控（CCK）方式进行调制（11Mbps）；

2）72比特的PLCP短前缀代替144比特的长前缀（5.5Mbps或11Mbps）。

ER PHY（也缩写为ERP）将DSSS技术和OFDM技术相结合，对DSSS和HR/DSSS PHY进行了速率拓展，将传输速率提升到最高54Mbps。并与DSSS PHY、HR/DSSS PHY相兼容。

2、FHSS PHY

FHSS是另一种扩频技术，发射信号在跳频带宽内进行伪随机跳变。

图5为FHSS PHY的PPDU帧结构。与DSSS物理层帧格式类似，FHSS物理层帧同样包含PLCP前缀、PLCP头部和PLCP服务数据单元（PSDU）三个部分。其中PSDU即MAC层协议数据单元MPDU。与DSSS物理层不同的是，前缀中SYNC字段为80比特“0/1”交替的序列，起始定界符SFD的值定义为“0x0CBD”。头部包含PLW、PSF和校验三个字段：PLW指示了PSDU包含的字节数；PSF字段指示了PSDU传输的速率，从1Mbps到4.5Mbps；校验字段采用与DSSS物理层相同的CRC-16校验方法。PSDU部分的加扰方法与DSSS物理层相同。

FHSS PHY的PMD子层提供1Mbps和2Mbps两种速率的实现方案。1Mbps的方案采用2GFSK调制技术，按照预先定义的跳频频率集进行工作；2Mbps的方案采用4GFSK调制技术。

3、OFDM PHY、HT PHY

OFDM物理层用于OFDM通信系统，能够提供最高54Mbps的传输速率。在2.4GHz频段采用了52个子载波进行通信，支持的调制解调方式包括BPSK、QPSK和正交调幅（16-QAM或64-QAM）。

OFDM技术即“正交频分复用”技术，是多载波调制技术的一种。其基本思想是将信道分为若干正交的子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交的子信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的串扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

图6所示为OFDM物理层的PPDU帧格式。包括PLCP前缀、PLCP头部、PSDU、尾部（Tail）和Pad Bits五个部分，PLCP头部又分为RATE、1比特保留字段、LENGTH、1比特奇偶校验（Parity）、Tail和SERVICE六个字段。PLCP前缀包含10个短训练符号和2个长训练符号，分别用于接收机进行粗同步和细同步。各个部分的时长如图7所示。PLCP头部的前五个字段组成了一个独立的OFDM符号（Symbol），这个符号称为SIGNAL，并固定采用BPSK方式调制以及编码效率为1/2的前向纠错（FEC）编码，不进行加扰处理。PLCP头部的SERVICE字段、PSDU、尾部（Tail）和Pad Bits被统一称为DATA，其传输速率由RATE字段决定。

图8-9所示为OFDM物理层的发射机和接收机功能框图。待发送数据分别经过FEC、交织、映射、逆傅立叶变换（IFFT）、保护间隔（GI）插入、符号成型、I/Q调制和上变频后通过天线发射出去。GI帧的每个部分前插入（图7），其内容是被保护部分内容的循环移位，保证时延小于保护间隔的信号在解调过程中不会产生码间串扰（ISI）。接收过程是发射的逆过程。

另外一种基于OFDM技术的物理层称为高吞吐量物理层（HT PHY），用于需要高吞吐速率的OFDM通信系统中。通过利用多入多出（MIMO）多天线技术在40MHz带宽内将传输速率提高到最高600Mbps，是目前常用的基于802.11n协议的WiFi网络能够达到的最高吞吐速率。其支持的调制方式包括BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM，FEC支持编码效率1/2、2/3、3/4和5/6的卷积码，也可选择低密度奇偶校验码（LDPC）。

图10所示的HT PHY的PPDU帧结构，包括HT-mixed PPDU和HT-greenfiled PPDU两种，HT-mixed帧类型用于兼容与采用非HT帧类型（Non-HT PPDU，使用的是OFDM或ER物理层，例如图6所示帧格式）的设备进行通信。帧定义中各部分的内容这里不详细展开。

综上所述，基于802.11协议的WiFi网络包含了多种物理层技术和架构，并且在不采用MIMO技术的情况下利用40MHz的物理带宽达到了最高150Mbps的传输速率（2013年公布的802.11ad标准在60GHz频段基于OFDM物理层，利用1.8GHz物理带宽达到了接近7Gbps的传输速率，但尚无器件能够实现）。这些标准中提出的物理层架构几乎全部需要利用数字信号处理技术对基带信号进行相应的处理。限于模拟数字变换（ADC）和数字模拟变换（DAC）器件的发展，目前还难以达到很高的处理速率，例如BPSK数字调制解调速率约在3Gbps，16-QAM数字调制解调速率约在5Gbps（均为不采用复用技术）。

太赫兹频段（0.1THz～10THz）是一个全新的频段，其能利用的物理带宽和提供的网络速率可以达到现有WiFi网络的一千倍以上，可达100Gbps量级，远远超过现有数字信号处理器件（如数字信号处理器DSP）的能力极限。其物理层有关的调制解调、FFT/IFFT、成型、接收同步、均衡等处理将非常困难，即使采用可高度并行处理的现场可编程逻辑门阵列（FPGA）器件，其所需的硬件规模也是非常巨大的，体积、功耗、成本等等方面均难以承受。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出了一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，具备吞吐速率高、易于硬件实现的特点。

本发明的技术方案如下：

一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：包括发射端和接收端；发射端包含加扰（Scrambler）模块、成帧（Framer）模块、前向纠错编码（FEC Encoder）模块、添加帧前缀（Preamble）模块、高速收发（Tranceiver）模块、开关键控（OOK）调制模块、太赫兹频率源（Terahertz Ocillator）；接收端包括与发射端相对应的接收处理模块，包括直接检波（Detector）器、高速收发（Tranceiver）与数据时钟恢复（CDR）模块、帧同步（Synchronizer）模块、前向纠错译码（FEC Decoder）模块、拆帧（Deframer）模块和解扰（Descrambler）模块。

所述加扰模块和解扰模块采用并行架构，用于实现基于任意加扰多项式的加解扰，并行度根据需要的处理速率和采用的具体器件而定。

成帧模块和拆帧模块按照一定的帧格式为待发送的MAC层协议数据单元（MPDU）添加帧头。

前向纠错编码模块和前向纠错译码模块为包含帧头和MPDU部分的数据提供纠错编码保护，使包含帧头和MPDU部分的数据即使在较高的误码率信道下也能获得低误码的接收。前向纠错编码模块和前向纠错译码模块同样需要采用并行的方式来处理。

发射端的添加帧前缀模块和接收端的帧同步模块功能相对应，添加帧前缀模块用于在帧头前添加使接收端实现帧同步的前缀序列，帧同步模块用于在接收端的高速收发与数据时钟恢复模块输出的乱序并行比特流中定位数据帧的正确起始位置。

发射端的高速收发模块用于将并行数据实现并串转换，给前端上变频模块提供10Gbps以上速率的高速基带数据流；接收端的高速收发与数据时钟恢复模块用于将并行数据实现并串转换，还同时具有时钟数据恢复（CDR）功能，可从接收高速数据流中提取时钟信号，用于接收端数据的处理。

发射端的开关键控调制模块根据基带数据（0或1），对射频载波信号进行速率超过10GHz以上速率的开或关，实现幅度调制，并在发射前进行模拟低通或带通滤波。

直接检波器根据接收到的开关键控调制信号，直接提取出包络信号，并经过包络整形后形成10Gbps以上速率的基带比特数据流。

所述一定的帧格式为PPDU帧格式，包括帧前缀（Preamble）、帧头（Header）和MPDU三个部分。

帧前缀包含了一个用于帧同步的预定义二进制比特序列，用于对接收比特流的起始位置进行定位，类似于现有802.11协议架构中SFD字段的功能。但与802.11协议不同的是，所述二进制比特序列要求具有良好的自相关特性，并且在误比特率达1×10^-2的高误码率信道下也能保持足够低的误同步率和漏同步率（均低至1×10^-12以下）。为了达到该性能目标，要求二进制比特序列的长度在128bit～256bit。

帧头部分仅包含帧控制（CONTROL）、MPDU长度（LENGTH）和循环冗余校验（CRC）三个字段，与现有协议物理层帧结构的头部相比进行了简化。

帧头部分中CONTROL字段包含有帧控制信息，用于为接收端提供帧类型、接收技术、速率等信息，使数据可被正确接收，其长度定义为32bit；LENGTH字段定义了MPDU的长度，使接收端可以正确定位有效数据的结尾，其长度定义为16bit；CRC采用CRC-16技术，对帧头部分的数据提供错误检测功能。

发射端物理层接收到上层下发的待发送数据后，先进行待发送数据的加扰，以消除长连续的0或1在调制后射频信号中产生直流分量，影响射频器件的正常工作；然后根据PPDU帧格式对加扰后的数据进行成帧；再对PPDU帧进行前向纠错编码以提高其信道容错能力；然后再在编码后的帧头前添加帧前缀；最后送往高速收发模块和调制模块实现并行数据的并串转换和开关键控调制，并馈入天线进行无线太赫兹波的发射。

接收端天线接收到太赫兹波信号后，先经过直接检波器获得调制波形的包络，并经过波形放大整形后得到高速串行数据流；然后送入高速收发和数据时钟恢复模块实现数据的串并转换和时钟信号提取；再经过帧同步模块正确定位数据帧的起始位置；然后经过前向纠错译码模块对数据进行译码；然后拆帧模块即可按照定义的PPDU帧格式从中提取帧头各部分的信息以及帧体部分的数据；最后帧体部分数据经过解扰后即恢复出发送端的原始数据，并将数据提交给上层模块进行处理。

本发明的有益效果如下：

1. 本发明适用于太赫兹高速无线网络、基于OOK调制和非相干检波接收的数据发送和接收处理结构和顺序；

2. 本发明适用于太赫兹高速无线网络数据收发处理的物理层协议帧的帧前缀技术要求、帧头的组成结构；

3. 本发明可直接对比特数据流进行处理，避免进行复杂的数字信号处理，适用于单路高达100Gbps量级的太赫兹高速无线网络应用，而且结构相对更简单，便于专用处理器件的设计，容易进行功耗与体积控制；

4. 本发明在技术可行性上可完全并行化，且可在现有水平的FPGA器件上实现，对硬件性能的要求低于现有架构要求。

附图说明

图1为传统WiFi网络简化模型的示意图；

图2为现有DSSS PHY的PPDU帧结构示意图；

图3为现有DSSS物理层的PMD子层的发射端示意图；

图4为现有DSSS物理层的PMD子层的接收端示意图；

图5为现有FHSS PHY的PPDU帧结构示意图；

图6为现有OFDM PHY的PPDU帧结构示意图；

图7为现有OFDM PHY帧各部分的持续时间示意图；

图8为现有OFDM PHY的发射机示意图；

图9为现有OFDM PHY的接收机示意图；

图10为现有HT PHY的PPDU帧结构示意图；

图11为本发明的太赫兹无线网络的物理层架构的发射端示意图；

图12为本发明的太赫兹无线网络的物理层架构的接收端示意图；

图13为本发明定义的PLCP协议数据单元帧格式图。

具体实施方式

一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，包括发射端和接收端。

如图11所示，发射端包含加扰（Scrambler）模块、成帧（Framer）模块、前向纠错编码（FEC Encoder）模块、添加帧前缀（Preamble）模块、高速收发（Tranceiver）模块、开关键控（OOK）调制模块、太赫兹频率源（Terahertz Ocillator）；如图12所示，接收端包括与发射端相对应的接收处理模块，包括直接检波（Detector）器、高速收发（Tranceiver）与数据时钟恢复（CDR）模块、帧同步（Synchronizer）模块、前向纠错译码（FEC Decoder）模块、拆帧（Deframer）模块和解扰（Descrambler）模块。

所述加扰模块和解扰模块采用并行架构，用于实现基于任意加扰多项式的加解扰，并行度根据需要的处理速率和采用的具体器件而定，表1列举了几种可能的处理速率和并行度的组合。

表1 几种可行的并行度和处理速率的组合

前向纠错编码模块和前向纠错译码模块为包含帧头和MPDU部分的数据提供纠错编码保护，使包含帧头和MPDU部分的数据即使在较高的误码率信道下也能获得低误码的接收。前向纠错编码模块和前向纠错译码模块同样需要采用并行的方式来处理，其并行度选择可参考表1。

发射端的添加帧前缀模块和接收端的帧同步模块功能相对应，用于在帧头前添加使接收端实现帧同步的前缀序列。

所述一定的帧格式为PPDU帧格式，如图13所示，包括帧前缀（Preamble）、帧头（Header）和MPDU三个部分。

帧前缀包含了一个用于帧同步的预定义二进制比特序列，用于对接收比特流的起始位置进行定位，类似于现有802.11协议架构中SFD字段的功能（即图1中所示功能）。但与802.11协议不同的是，所添加的二进制比特序列要求具有良好的自相关特性，并且在误比特率达1×10^-2的高误码率信道下也能保持足够低的误同步率和漏同步率（均低至1×10^-12以下）。为了达到该性能目标，要求二进制比特序列的长度在128bit～256bit（含）。

帧头部分仅包含帧控制（CONTROL）、MPDU长度（LENGTH）和循环冗余校验（CRC）三个字段。

帧头部分中CONTROL字段包含有帧控制信息，用于为接收端提供帧类型、接收技术、速率等信息，使数据可被正确接收，其长度定义为32bit；LENGTH字段定义了MPDU的长度，使接收端可以正确定位有效数据的结尾，其长度定义为16bit；CRC采用CRC-16技术，对帧头部分的数据提供错误检测功能，本发明中对校验多项式的选择无特殊要求，可使用与现有协议相同的校验多项式。

Claims

1.一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：包括发射端和接收端；发射端包含加扰模块、成帧模块、前向纠错编码模块、添加帧前缀模块、高速收发模块、开关键控调制模块、太赫兹频率源；接收端包括与发射端相对应的接收处理模块，包括直接检波器、高速收发与数据时钟恢复模块、帧同步模块、前向纠错译码模块、拆帧模块和解扰模块；所述加扰模块和解扰模块采用并行架构，用于实现基于任意加扰多项式的加解扰，并行度根据需要的处理速率和采用的具体器件而定；所述成帧模块和拆帧模块按照一定的帧格式为待发送的MAC层协议数据单元添加帧头；所述一定的帧格式为PPDU帧格式，包括帧前缀、帧头和MPDU三个部分；所述前向纠错编码模块和前向纠错译码模块为包含帧头和MPDU部分的数据提供纠错编码保护，前向纠错编码模块和前向纠错译码模块采用并行架构；所述发射端的添加帧前缀模块和接收端的帧同步模块功能相对应，添加帧前缀模块用于在帧头前添加使接收端实现帧同步的前缀序列，帧同步模块用于在接收端的高速收发与数据时钟恢复模块输出的乱序并行比特流中定位数据帧的正确起始位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：发射端的高速收发模块用于将并行数据实现并串转换，给前端上变频模块提供10Gbps以上速率的高速基带数据流；接收端的高速收发与数据时钟恢复模块用于将并行数据实现并串转换，还同时具有时钟数据恢复功能，从接收高速数据流中提取时钟信号，用于接收端数据的处理。

3.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：发射端的开关键控调制模块根据基带数据，对射频载波信号进行速率超过10GHz以上速率的开或关，实现幅度调制，并在发射前进行模拟低通或带通滤波。

4.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：直接检波器根据接收到的开关键控调制信号，直接提取出包络信号，并经过包络整形后形成10Gbps以上速率的基带比特数据流。

5.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：帧前缀包含有一个用于帧同步的预定义二进制比特序列，用于对接收比特流的起始位置进行定位；所述二进制比特序列的长度为128bit～256bit。

6.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：帧头部分包含有帧控制、MPDU长度和循环冗余校验三个字段。

7.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：帧头部分中，帧控制字段包含有帧控制信息，用于为接收端提供各类信息，使数据可被正确接收，帧控制字段的长度定义为32bit；MPDU长度字段用于使接收端正确定位有效数据的结尾，MPDU长度字段的长度定义为16bit；循环冗余校验字段采用CRC-16技术，对帧头部分的数据提供错误检测功能。

8.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：发射端接收到上层下发的待发送数据后，首先对待发送数据进行加扰，以消除长连续的0或1在调制后射频信号中产生的直流分量；然后，根据PPDU帧格式对加扰后的数据进行成帧；再对PPDU帧进行前向纠错编码以提高其信道容错能力；然后，再在编码后的帧头前添加帧前缀；最后，送往高速收发模块和开关键控调制模块实现并行数据的并串转换和开关键控调制，进行无线太赫兹波的发射。

9.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹无线网络的物理层架构系统，其特征在于：接收端接收到太赫兹波信号后，先经过直接检波器获得调制波形的包络，并经过波形放大整形后得到高速串行数据流；然后送入高速收发和数据时钟恢复模块实现数据的串并转换和时钟信号提取；再经过帧同步模块正确定位数据帧的起始位置；然后经过前向纠错译码模块对数据进行译码；然后拆帧模块按照定义的PPDU帧格式从中提取帧头各部分的信息以及帧体部分的数据；最后帧体部分数据经过解扰后即恢复出发送端的原始数据，并将数据提交给上层模块进行处理。