随着通信与计算机技术的迅猛发展，无线通信与网络已经深入到人们的日常生活，也成为了现代科技研究的一个重要领域。以WiFi为例，根据美国市场研究公司ABI Research的报道，2014年的WiFi芯片组出货量已超过26亿，预计2015~2019年间，WiFi芯片组的累计出货量将接近180亿^[1]。

一方面，无线通信传输速率迅速提高，仍然以WiFi为例，从1999年开始，流行起来的WiFi标准数据传输速率以每6年11倍的速度迅速提升，到2015年802.11ac正式颁布时，WiFi标准数据传输率将达到6.9 Gbps。另一方面，随着无线通信的普及，衍生出了大量相关的新应用，小至可穿戴设备、无线电子医疗设备，大至空天一体军事化信息网络，多元化的无线应用对无线开发平台提出了新的需求。

目前，我国已经投入了大量科研力量对无线相关技术进行研究。但受限于当前的无线网络底层平台，研发人员往往不能对无线协议完成定制开发工作。传统无线算法的物理层和链路层(PHY、MAC层)基本都是在芯片中实现，其内部算法和协议固定，不具备可定制性，而且主流无线芯片均被若干家国外公司垄断。在某些特殊行业及特殊场景下，会对无线通信的特性提出一些特殊的需求。例如军事通信需要有更高的安全性、隐蔽性；可穿戴计算中的无线传输需要有低功率、低反应延迟的特性；在某些工控场景下，又需要进行远距离传输或者在信道拥堵时紧急传递信息。当原有的协议不能够满足上述类似的特殊要求时，研发人员希望能够定制一个新的无线网络底层系统(包括PHY、MAC层等)，并投入实际场景使用。因此，我国无线领域的研发者和特殊需求的使用者亟需一种高性能、可定制的无线网络底层软硬件平台。

针对上述需求，本文设计了GRT系统，该系统具备以下3个特征。1)高性能。主要包括高吞吐率、低延迟两部分。2)高可定制性。GRT系统提供了一种标准化、模块化的无线协议软硬件协同开发环境。3)高兼容性与开放性。GRT系统可被定制为标准网络协议的软硬件平台，提供与商业无线设备的兼容性。

另外，GRT系统可以与现有网络协议无缝对接，易于与主计算机集成，实现网络跨层次优化。并能够给上层网络层提供开放接口，通过其可定制管控的特性，将软件定义网络(SDN)的管控能力延展到无线网络底层。

1 背景介绍 1.1 软件无线电(SDR)技术

文献[2]于1992年首次明确提出了软件无线电的概念。软件无线电的中心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用软硬件平台。基于这一相对通用的软硬件平台，可以采用软件编程、调用等方式，自定义地实现特定的通信功能。随着研发者对可定制无线设备的需求越来越强，软件无线电技术也逐渐开始吸引无线领域研发者的注意。

1.2 802.11技术

IEEE 802.11是现今WiFi通用标准。从1997年的802.11到2015年的802.11ac，中间经历了802.11b、802.11a/g、802.11n几代变革，不到20年时间的发展，WiFi的数据吞吐率由最初的2 Mbps发展到了2015年将成为标准的6.9 Gbps。802.11技术的发展也对无线底层平台的性能需求(吞吐率、延迟)提出了很大挑战。

1.3 目前已有的无线底层平台

当前的无线设备大部分都使用标准的无线芯片，这些芯片内部算法和协议是固定的，适合商业化的生产，但是无法被研发者所使用。无线芯片的物理层速率、频带宽度、中心频点以及PHY层和MAC层的实现算法都是固定的，而且功率往往受限。对于研发者来说，往往希望对协议进行修改，例如研发者希望修改802.11中MAC层的CSMA/CA算法，保证在限定时间内完成一次数据传输；或者希望修改802.11中PHY层的频偏估计算法，使得WiFi协议能够适用于更加高速的移动环境。而这些工作很难在标准芯片中进行定制。

针对上述矛盾，国内外已经开始了相应的可定制无线网络底层系统的研究。也产生了多种不同的平台结构。

第一种方案是基于纯软件的无线开发平台，这种方案采用通用处理器CPU作为计算工具实现底层协议的算法。基于CPU的无线开发平台可以为用户提供非常好的编程性，却无法保证无线通信技术的两个重要特性——高吞吐率和低延迟。无线通信协议的物理层往往需要完成大量浮点运算，例如FFT、帧同步、信道估计与均衡等模块，因此采用CPU作为计算工具不可能胜任高吞吐率的需求；另一方面，采用软件实现无线开发平台时，受到操作系统的一些不可控因素(中断、抢先式调度等)，软硬件的交互延迟难以控制在几十微秒的量级。

基于纯软件的无线开发平台的代表是GNU Radio^[3]。GNU Radio提供了非常好用的图形用户接口。它不仅可编程性强、并且代码开源。但受限于CPU的处理性能，GNU Radio只能提供最高2 Mbps左右的吞吐率，对802.11a/g的物理层协议处理延迟也高达几毫秒(802.11a/g的要求则是吞吐率达到54 Mbps、处理延迟为几十微秒)。因此，GNU Radio只能适用于无线通信算法的初步验证。

Sora^[4]也是一种主要采用软件实现的无线开发平台，它采用高端的多核处理器作为无线底层的计算工具，用户在Windows操作系统上进行软件编程。为了解决软件吞吐率低、延迟大的问题，Sora将物理层的模块分放至不同的CPU核，并将时序性非常强的ACK模块用专用的FPGA硬件进行加速。Sora平台可以支持802.11a/g的54 Mbps吞吐率，其2*2MIMO版本可达到117Mbps的吞吐率^[5]。但Sora作为一个开发平台，仍有其局限性。首先，Sora受到Windows操作系统调度算法的限制，不能够完全保证WiFi中MAC层的时序。其次，采用Sora完成开发需要具备多核、并行的编程基础，在设计底层协议的时候，需要特地为算法进行优化，大大提高了研发者的开发难度。最后，Sora的开发环境是基于Windows的操作系统，与当前大部分的软件无线电平台都无法兼容。

第二种方案是基于FPGA硬件的开发平台。FPGA是一种特殊的可重构硬件，可以根据需要重构成所需的功能逻辑。它可以提供比软件高的多的吞吐率，并保证非常好的实时性。但是，硬件设计难度比软件要大的多，导致平台的可编程性降低。尽管研发者能够自主地在FPGA上通过编写硬件代码做无线底层协议的开发，但他们必须分散大量的精力去考虑硬件是如何设计，大大降低了开发效率。

WARP^[6]平台是一种典型的基于FPGA的无线开发平台。WARP通过以太网接口与PC机相连，它采用高性能的FPGA作为协议算法的实现平台，能够实现高吞吐率以及低延迟的要求。但是WARP更像是一个独立于计算机的设备，很难与主计算机中的上层网络协议栈无缝相连。另外，WARP也没有提供对FPGA中硬件编程的友好支持。

除此之外，还有一些其他结构的无线开发平台，例如DSP、GPU等。DSP和ASIC芯片一样，能够提供非常好的性能，但是内部算法和结构无法修改，无法达到灵活性的要求。而基于GPU的无线开发平台也有其局限性。GPU的数据并行计算结构并不适用于无线底层的计算模型，而且GPU本身无法和射频前端直接相连，这样就需要一种办法将GPU中的计算结果迅速地传递给射频前端，这将会导致非常大的延迟。

综上所述，当前的无线底层平台未能在高性能、高可定制性、高兼容性和开放性上均达到令人满意的指标。

1.4 GRT系统

针对于其他无线网络底层平台的弊端，本文自主设计了GRT系统。GRT系统是一个具备高可定制性、高兼容性与开放性，同时又能达到无线协议所需的性能要求的无线网络底层软硬件平台。

GRT系统的前期相关工作已经在HEART 2014^[7]和ICFPT 2014^[8]两处国际会议中做过介绍。第一篇文章重点叙述GRT的体系结构设计；第二篇文章重点叙述802.11a/g协议在GRT平台上实现的应用。

本文将重点介绍GRT在高性能、高可定制性、高兼容性与开放性这3方面的相关技术，同时还展示评测了GRT系统的最新成果。

2 系统设计 2.1 设计目标

1) 高性能

对于一个无线网络底层平台来说，高吞吐率和低延迟是两个非常重要的指标。随着无线网络协议的迅猛发展，未来的无线平台应当提供至少100 Mbps的数据吞吐率及微秒量级的延迟。采用普通的CPU作为计算平台是远远达不到要求的，即便是采用硬件作为计算工具，也需要对算法、底层结构进行精心设计，才可以满足系统在无线环境中真实全速率通信的要求。

2) 高可定制性

作为无线领域的研发者，总是希望在最短的时间内在平台上完成自主定制的协议设计。这就要求系统给用户提供良好的用户接口，并保证良好的高可定制性，即研发者可以方便地修改、添加、移除相关的软硬件功能模块；也能方便地修改、调整底层软硬件平台的参数。

3) 高兼容性与开放性

对于整个网络系统来说，仅有无线网络底层的研究是不够的。无线网络底层必须和上层协议的研究相结合。因此，研究的目标是能够将底层无线平台和上层网络协议栈无缝对接，使得研发者能够灵活自主地完成网络跨层次优化。这就要求GRT系统能够定制成标准的网络协议软硬件平台，并提供开放接口，易于上层网络获取信息及控制。

2.2 GRT系统设计 2.2.1 GRT系统整体结构

GRT系统如图 1所示，主要由PC机、FPGA和USRP共3部分组成。

PC机主要进行网络上层协议栈的相连以及完成一些控制与调度的工作。GRT系统在PC机中提供了一个TCP/IP标准网络驱动，用于协调MAC层与TCP/IP层之间的交互，在不考虑性能的情况下，PC机端也能基于软件完成所有的PHY层、MAC层算法。另外，在PC端，GRT系统提供了一个友好的图形化编程软件和测试软件，用户可以基于GRT系统快速自主开发新的网络协议或算法。

FPGA是GRT系统底层网络协议的主要计算平台，PHY层的基带处理算法和MAC层的调度算法均在FPGA中实现。FPGA与计算机之间采用PCIe接口连接，GRT系统提供了一个高速的PCIe接口驱动，使得计算机和FPGA之间能够高速、低延迟的传输数据，在全双工模式下，可提供高达43.02 Gbps的传输速率^[9]。

USRP是一个通用软件无线电外设，它完成了上下变频和射频信号的收发等工作。当USRP作为发送设备时，它从以太网口获得基带采样信号，最终形成射频信号发送出去；当USRP作为接收设备，它从空口获得射频信号，转换成基带采样信号后，从以太网口传递出来。在GRT系统中，提供两种不同的USRP连接方式，包括以太网直连方式与非直连方式。使用直连方式时，USRP和FPGA直接连接；使用非直连方式时，USRP与PC机连接。在非直连的情况下，FPGA和USRP之间的交互需要经过PC机的协调才能完成。

2.2.2 GRT系统的高性能设计

GRT系统的高性能体现在高吞吐率和低延迟两个方面。为了达到高性能这一设计目标，系统采用了多时钟域流水线结构和USRP与FPGA直连的设计方案。

1) 多时钟域流水线结构。在GRT系统的FPGA中，PHY层采用模块化设计方案，模块之间采用异步FIFO进行连接，模块与模块之间采用流水线结构。由于PHY层不同的模块的数据吞吐率是不同的，因此采用了多时钟域技术，解决不同模块之间的速率匹配问题。这样可以保证GRT系统不被吞吐率最低的模块的速率所限制，达到高吞吐率的特征。

2) USRP与FPGA直连。如图 1所示，GRT系统提供了两种不同的USRP连接方式，与FPGA直连或者非直连。采用非直连的方式时，每当基带采样信号需要在USRP和FPGA之间传递时，都需要通过计算机完成数据的传递。整个传递过程需要完成FPGA与PC机之间的数据传递、PC机与USRP之间的数据传递两个步骤。若采用直连方式，FPGA直接通过以太网接口与USRP相连，基带采样信号直接在FPGA于USRP之间传递，不再经过PC机。这样的设计大大减少了数据绕路所造成的延时。

在802.11a/g协议中，ACK帧需要在数据帧发完后的16 us(SIFS时间)被发出。根据测试，采用非直连的方式时，ACK的响应时间约为600~800 us；而采用直连的方式时，此时间会缩短到几十微秒。

2.2.3 GRT系统的高可定制性设计

为了达到自主可定制这一设计目标，系统采用了以下设计方案。

1) 软硬件协同设计。GRT的每一个模块既可以在硬件中实现，也可以在软件中实现。软硬件之间采用高速PCIe总线进行通信，且软硬模块可以随时切换。

如图 2所示，PHY层的发送端前3个模块分别是扰码、FEC编码和交织。在GRT系统中，所有模块可以全部采用软件进行开发、也可以全部采用硬件进行开发，分别对应上半部分、下半部分的流水线结构。除此之外，GRT系统还提供软硬件交错开发的模式，所有模块都可以自由地在软硬件之间进行切换。例如扰码和交织模块选用软件模块、而FEC编码选用硬件模块。

这样的设计为开发者提供了一套非常灵活的结构，即开发者需要对协议进行修改时，可以任意选择在软件或者硬件中做开发，并支持开发者从快速的纯软件开发开始，逐步修改相应模块转为高性能的硬件流水线。

对于FPGA硬件编程，GRT还支持采用C/C++编写硬件模块(C-to-RTL，例如AutoESL或者Vivado HLS^[10])。

2) 软件设计框架。对于FPGA中的PHY层的模块，GRT提供一套开发环境，能够自动地生成硬件的互连部分并将硬件模块组成流水线。这样，用户在设计PHY层模块的时候，就不必关注到硬件具体的设计的细节当中，能够将精力集中在模块算法的设计当中。这样的设计既保证了高吞吐率的特性，又保证了良好的可编程性。

2.2.4 GRT系统的高兼容性与开放性设计

GRT提供了一个标准的Linux网络设备驱动，能够和主计算机中的TCP/IP层进行交互。加载驱动后，GRT系统能够作为一个可定制无线网卡使用。当定制为标准无线网卡时，能够和商业WiFi设备进行交互。

GRT系统还提供开放的字符型设备驱动，提供信息和控制接口，使进一步对无线网络底层进行管控成为了可能(例如与软件定义网络SDN进行对接)。

3 系统评测 3.1 评测环境

GRT的测试环境如图 3所示，包括普通的PC机、FPGA开发板和USRP。PC机上安装有Linux 12.04版本的操作系统，FPGA开发板的型号为Xilinx ML605，USRP的母板型号为USRP N210^[11]，射频子板型号为XCVR 2450。

FPGA开发板直接插在计算机主机的PCIe插槽中，USRP和FPGA之间采用以千兆太网线直接相连。这样，每一台PC机就对应了一个无线系统的终端。

3.2 GRT对802.11a/g的支持

作为应用示例，在GRT系统上“定制”了标准的802.11a/g无线协议。

3.2.1 理论速率测试

表 1、表 2给出了基于GRT系统的802.11a/g的硬件PHY层理论性能测试。由于PHY层采用模块化流水线结构设计，整个PHY层性能限制于模块中吞吐率最慢的模块。因此，PHY层流水线在这个设计中最高可能达到的吞吐率为125 Mbps(802.11a/g标准中的最高吞吐率为54 Mbps)。

3.2.2 单向传输速率测试

实验采用两台基于802.11a/g协议的GRT系统，一台作为发送端，一台作为接收端。无线收发采用标准802.11a/g MAC层协议的DCF(分布式协调功能)机制。

测试环境为室内，频段为WiFi支持的标准频段信道10(即中心频率为2.457 GHz)。测试采用64-QAM的调制方式、3/4的卷积编码率，数据帧的长度为4 095 byte。本文在不同的带宽下，测试GRT系统的单向传输速率。

图 4是在12.5 MHz的带宽情况下，单向传输的速率统计情况。实验中设置传输总时间为15 s，每秒统计一次平均速率。图 4主要展现了传输平均速率随时间变化的结果。

表 3表示在不同带宽时，单向传输速率的测试结果。测试结果包括平均速率以及最大瞬时速率。

由于采用的射频前端USRP N210母板对20 MHz的频宽支持不好，导致其平均速率受限。最高的平均速率在12.5 MHz的频宽处。

3.2.3 GRT系统与商业WiFi设备的交互

实验遵循802.11a/g协议，采用20 MHz的带宽，将GRT系统配置为AP模式。实验中，将AP的SSID设置为“GRT_AP”，之后手机可以通过WiFi搜索到该SSID，成功连接上“GRT_AP”并通过浏览器访问网络。

图 5的左半部分显示了手机连上GRT_AP的信息，GRT_AP为手机分配了IP地址。图 5的右半部分显示手机通过GRT_AP访问视频网站，流畅地观看网络视频。

3.3 MIMO测试

GRT平台已经在软件端实现了2*2 MIMO，根据实验，接收端可以成功解调发送端通过无线信道发出的数据。GRT的MIMO系统实际测试环境如图 6所示。

图 7是某次MIMO接收端信道估计得到的4组信道参数(H11、H21、H12、H22)的模值。

4 总结与展望

GRT系统是一个无线网络底层软硬件开放平台，为定制无线的研发者和特殊需求的使用者提供了高性能、可定制的无线网络底层环境。目前已经在GRT系统上实现了一套完全自主编写的基于802.11a/g协议的硬件代码，性能超过了协议的要求，且能够与商用WiFi设备进行互通。GRT系统对802.11n协议的支持正处于开发过程中。

未来的GRT系统将会继续发展。实现更高的速率、更好的编程性，并为用户提供更加丰富、开放的可定制功能。