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开源Wi-Fi芯片/FPGA设计以及背后的中国开发者

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    发表于 2020-9-20 12:13:09 | 显示全部楼层 |阅读模式

    有人预言,RISC-V或将是继Intel和Arm之后的第三大主流处理器体系。欢迎访问全球首家只专注于RISC-V单片机行业应用的中文网站

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    本帖最后由 sky 于 2020-9-20 12:57 编辑

    国内芯片技术交流-开源Wi-Fi芯片/FPGA设计以及背后的中国开发者risc-v单片机中文社区(1)

    ”白菜价”的Wi-Fi芯片为何用软件无线电实现起来如此困难。openwifi项目为你揭秘。

    站在21世纪后4/5开始之际,回望前段时间发布的openwifi项目(https://github.com/open-sdr/openwifi),对个人而言,再一次提升了自己的能力边界。对社区而言,我想说这是中国开发者给Wi-Fi研究领域的一点点基础性贡献。

    正文:

    ​Wi-Fi已经诞生20多年了。如今,Wi-Fi就像空气和水,视而不见却如影随形。

    一方面它是连接互联网的”生活必需品”,

    另一方面,因为十分低廉的硬件价格和无线电信号的开放性,也成为黑客们最喜欢的研究对象之一。

    ​这里的黑客也包括各大学和研究机构的研究员们。

    他们的利用Wi-Fi开展了各种”脑洞”研究。

    比如从Wi-Fi信号里窃取或保护你的隐私,2015年央视315晚会上现场从Wi-Fi信号中获取的用户隐私展示仍历历在目。

    近几年,Wi-Fi信号甚至被用来探测物理世界里人的活动。MIT的研究人员利用无处不在的Wi-Fi信号实现了穿墙无源雷达,可以”看到”墙后面的人。其他”脑洞”研究还有比如利用Wi-Fi信号给低功耗物联网芯片供电等。

    这些有趣的研究工作大都是基于商用芯片或者软件无线电(SDR)。

    基于商用芯片主要采用开源驱动,反向驱动或固件的手段(比如github上的nexmon项目)。

    SDR在这些研究中一般“仅接收”或者“仅发射”,而不是”实时收发”。

    因为像商用Wi-Fi芯片那样实时收发对于SDR并不容易,原因后面会讲到。

    ​说到软件无线电(SDR),在无线通信和安全研究领域它是一种重要的手段。

    SDR的基本思想是用软件实现无线通信硬件(比如芯片或基站)的功能。

    比如在移动通信领域,2G/3G时代的gsm监听以及伪基站,就是基于OsmocomBB发布的SDR硬件和软件。

    到了4G/5G时代,著名的SDR项目(LTE/5G软基站和UE)有:开源的srsLTE,OAI(Open Air Interface),以及非开源但性能逆天的Amarisoft(法国传奇黑客Fabrice Bellard出品)。

    ​反观Wi-Fi领域,廉价/免费的且广为应用的开源设计却几乎没有。

    难道写出一个几块钱的Wi-Fi芯片功能的软件,比移动通信(2/3/4/5G)基带芯片更难?

    这种现象背后的原因涉及到Wi-Fi和移动通信频谱性质以及设计哲学的不同。

    ​Wi-Fi工作在共享频谱(比如免费的2.4GHz和5GHz ISM频段)。

    在这个频谱中,不只Wi-Fi一种通信系统,蓝牙和Zigbee等也使用同一频谱,因此各国的无线电法规大都要求共享频谱中的设备采用Listen-Before-Talk (LBT)方式工作,即:发射前,先监听信道确保当前信道是空闲的,避免干扰到其他设备正在进行的传输。

    基于类似考虑,当一个设备发送完一个数据包之后最好能立刻从对方的反馈(ACK)中知道成功与否,这样可以缩短一次传输对信道的占用时间。

    因为,如果对方需要较长的时间才能给出反馈,那么其他设备则必须等待,此时信道白白浪费。

    如果其他设备不等待,那么这个关键的反馈信息可能被其他设备的传输所阻塞/干扰,其本身的不确定度加大,这是协议所不希望看到的,因为反馈信息对于协议是重要的状态信息。

    所以在尽可能短的时间内立即反馈成为一种简单有效的策略,它也可以避免芯片记录太长时间的状态/队列信息,从而减小片上RAM,降低成本。

    因此Wi-Fi协议规定如果成功接收到一个数据包(CRC校验通过),则需要在SIFS(Short Inter Frame Space)时间内发送给对方ACK包,这样对方就知道自己发送成功,可以发下一包了。

    如果对方在SIFS时间内没有接收到ACK包,则认为自己发送失败,对方会根据高层设置决定立刻重传(高层设置最大重传次数)或者放弃。

    SIFS在2.4GHz频段为10us,在5GHz频段为16us,在60GHz频段则更短。

    极短的SIFS时间保证了两个Wi-Fi设备每次通信对信道的占用是”连续”的(因为SIFS远小于包时间长度)。

    两个Wi-Fi设备的一次交互(数据包+ACK)未完成前,信道中的其他设备都会安静等待,但因为SIFS很短,这种等待造成的浪费并不严重。

    这种快速ACK只是Wi-Fi CSMA/CA MAC协议的一小部分,但对芯片来说也是收发时延要求最苛刻的部分。

    Wi-Fi标准中详细描述了CSMA/CA协议的各方面功能,确保信道共享公平且高效。这里不进一步展开。

    ​与Wi-Fi不同,移动通信使用昂贵的授权频谱,追求最高的频谱利用率。

    所有终端的发送和接收都受到基站的管理和控制。

    发送(包括发送ACK这种反馈)都是被基站按时调度的。

    比如LTE的HARQ(混合自动请求重发)过程就规定,收到一个1ms的subframe数据后,给对方的反馈是调度在4ms之后的,这个反馈延迟比起Wi-Fi的10us那就长很多了。

    当然,这4ms之内信道并不会闲着,基站会调度有需要的终端继续发送/接收新数据。

    对频谱的调度式占用一般说来会比随机竞争效率更高,因为无需竞争信道时的随机等待时间。

    4ms的反馈延迟,也留给接收方足够的处理时间。

    ​请记住这两个数字10us和4ms,他们决定了能否方便的用电脑软件来实现无线通信协议。

    最流行的软件无线电架构是电脑加射频前端(USRP/BladeRF/HackRF等)。

    他们之间的连接方式主要有pcie,以太网和USB这三种方式。

    目前主流射频前端(比如USRP)和电脑的通信延迟最快都在几百us量级。

    所以对于移动通信,可以利用电脑强大的处理能力按照协议要求从容计算,然后在规定时间之内发送反馈(比如LTE的4ms反馈延迟)。

    反而对于Wi-Fi的10us SIFS 反馈延迟,基于电脑软件的实现则变成了几乎不可能完成的任务。(我用了”几乎”,不是完全没可能,请看到最后)。

    ​因此,用软件无线电(SDR)去实现Wi-Fi的合理选择是用FPGA芯片直接连接射频前端芯片。

    调制解调以及CSMA/CA MAC层都在FPGA内部实现,那么是可以实现10us的ACK反馈延迟的。这也是商用Wi-Fi芯片的实现方式,只不过商用Wi-Fi芯片从成本和功耗角度考虑不会使用FPGA而是设计并流片ASIC。

    ​用基于FPGA的软件无线电平台去实现完整的Wi-Fi协议理论上不存在问题,问题是这世界上熟练的FPGA工程师数量估计不到软件工程师数量的百分之一。

    而开发同样一个功能模块,软件的开发时间可能是FPGA开发时间的几十分之一。

    因此,并不是说Wi-Fi的协议有多么复杂,而是用FPGA来开发Wi-Fi比起软件更耗时耗力。

    以上只是介绍了Wi-Fi实现的一个关键点,并不是Wi-Fi实现的全部。

    要实现一个完整的Wi-Fi芯片功能,仅用FPGA实现Wi-Fi标准定义的OFDM调制解调是远远不够的,还需要MAC功能(CSMA/CA),驱动和上层协议软件(Association/Authentication/Encryption/etc)的支持。

    ​以目前广泛应用(尤其在嵌入式,路由器和手机领域)的Linux操作系统为例,在https://wireless.wiki.kernel.org/ 详细描述了它是如何支持Wi-Fi芯片的。Wi-Fi芯片厂家只需要按照Linux的要求提供Driver(即驱动程序,面向Linux内核实现Linux预定义的ieee80211_ops API)。

    在驱动之上,Linux内核提供了Wi-Fi的高层MAC支持(mac80211,cfg80211),链路速率自动调整功能,user space和kernel space的通信接口nl80211,以及user space丰富的工具软件,比如作为station模式的wpa_supplicant和作为AP模式的hostapd。

    因此,借助Linux对于商用Wi-Fi芯片的支持,可以减轻很大部分基于FPGA的Wi-Fi实现的工作量。即便如此,基于FPGA的Wi-Fi实现依然涉及到调制解调之外的许多工作。主要有:

    • 克服本振泄漏等零中频收发机自干扰(目前流行的射频前端架构是零中频)。因为Wi-Fi收发频率是相同的,即TDD半双工。这涉及到FPGA数字中频的一些设计考量。

    • 实时获取射频前端AGC增益,并根据I/Q采样值大小计算RSSI。因为Linux高层需要RSSI报告。RSSI在不同频率和射频通道/天线可能需要不同的校准/补偿值。RSSI也是判断信道是否被占用的重要依据,是CSMA/CA协议的基础。

    • 在FPGA上实现完整的CSMA/CA协议(Low MAC层)。根据Linux wireless的设计,Wi-Fi的MAC层分为实时的low MAC (比如SIFS,ACK,重传,CCA,NAV,backoff等CSMA/CA操作)和非实时的high MAC。Linux的mac80211子系统负责high MAC,但low MAC必须由FPGA实现,因为Linux的实时性不足以实现us量级的精确时延,此架构即典型的SoftMAC Wi-Fi芯片。还有一种Wi-Fi芯片类型是FullMAC芯片,此时high MAC也在芯片里而不是Linux中。这种芯片厂家不必依赖Linux mac80211子系统的high MAC实现,有更大的性能优化自由度,当然芯片开发也需要更多人力物力。

    • FPGA和Linux的通信接口。比如Wi-Fi包的DMA接口,FPGA寄存器配置和状态接口。需要在Linux驱动里去响应Wi-Fi包的收发中断,以及访问FPGA寄存器。

    • FPGA内发包队列的管理。因为Linux Driver把包交给FPGA后,FPGA需要等待合适的发送时机(CSMA/CA里的TXOP),因此必须先把包缓存到队列中。此队列需要被Linux Driver查询和操作。

    • Linux Driver和FPGA交互所需的各种信息(RSSI,timestamp,序列号等)的插入和提取,因为这些信息是Linux上层所需要的。有些信息跟随数据包,有些信息通过寄存器交换。

    • Linux Driver(驱动)的编写。驱动程序需要综合调用FPGA和射频前端的各种功能接口,实现Linux mac80211子系统预定义的ieee80211_ops API。

    • 基于nl80211的user space工具的编写(例如openwifi里的sdrctl)。如果你想从user space实时访问/配置一些driver/FPGA/射频底层功能的话,则需要通过nl80211接口与内核中的驱动程序通信。
    从上面的介绍可以看到,看似简单的Wi-Fi芯片,”全栈”开发是必须的。

    在商业公司内部,Wi-Fi的实现需要一个工程团队密切分工合作,并假以年计来完成。

    但在研究领域,具有完整和丰富工程经验的学生和老师/研究员并不多,实现完整Wi-Fi对于大多数博士生来说是投入产出比太低的工作,这也是为何在研究领域鲜有完整Wi-Fi实现的原因。

    openwifi项目的目标就是要为研究领域提供一个完整的Wi-Fi基带芯片/FPGA实现。

    这样广大博士生和研究人员就无需Wi-Fi实现所需的巨大投入,直接进入产出阶段。目前openwifi第一版基于Xilinx的Zynq FPGA实现(SoC,System on Chip)。

    这款FPGA内嵌了ARM处理器,可以跑Linux,即可以提供我们所需要的mac80211子系统,而且开发板可以方便的连接Analog devices的射频前端(例如AD9361)。

    因此在这个Xilinx加Analog devices的SDR平台上,射频,FPGA,ARM和Linux都齐了。

    因为是基于ARM处理器,并且ARM和FPGA在一颗芯片内(SoC),所以openwifi的设计也很适合用于嵌入式领域(无人机图传,Wi-Fi视频会议,IoT等)。

    ​需要说明的是,虽然openwifi实现了”全栈”,但它并不是每个部分都从头开始,比如OFDM接收机模块就是在openofdm开源项目之上修改,添补,整合而来。

    下面梳理一下社区多年来不同研究者在Wi-Fi实现上的各种尝试,以及openwifi与他们的异同。​

    • WARP 802.11 design

    这是rice大学很早就发布的基于FPGA的Wi-Fi参考设计。需要购买license才可以使用,费用大约30k欧左右(根据需要哪部分),费用不包括自己购买板子(比如ADRV9361-z7035)的费用。从公开资料来看,它并没有使用Linux mac80211子系统,而是high MAC和low MAC用FPGA里的MicroBlaze软核处理器实现。​

    • National Instruments Labview 802.11 framework


    来自大厂NI的基于FPGA的参考设计,除了这套集成在Labview的设计的license费用(6k欧左右)之外,你还需要购买9k欧左右的高端USRP-2944才能跑起来。

    从公开资料来看,它也没有使用Linux mac80211子系统,而是使用PC上的NS3网络仿真器作为high MAC,FPGA内实现low MAC。

    因为绑定Labview,所以开发环境必须Windows。

    • Microsoft SORA和ziria



    微软亚洲研究院n年前发布的一个Wi-Fi实现。

    物理层和MAC全部使用PC上的软件实现,他们在多年前就"几乎"做到了我之前说的“几乎”不可能。

    他们设计了一块pcie的RCB(radio control board,FPGA实现低延迟pcie接口)卡和射频板相连,这说明pcie延迟实际上足够低。

    项目的水平的确逆天,至今无人超越。

    涉及大量PC架构下的优化技巧(查表替代计算,缓存替代计算等),以及如何在Windows操作系统下隔离出几个核专用于高实时处理。

    RCB板加射频板大约2.5k欧的样子。

    许多高校也在此架构基础上做了4G/5G实现。

    在项目创始人Kun Tan离开去了华为之际,SORA放到github上开源了。

    但貌似github上开发活动并不活跃也基本不再更新。

    后来微软的两个老外设计了一种DSL(Domain Specific Language),并用这种新语言重写了SORA架构下的Wi-Fi实现。

    但即使用了DSL,要想实现最严苛的SIFS延迟,还是需要用基于pcie的RCB卡,使用其他接口的射频前端(例如基于USB的BladeRF和USRP)满足不了SIFS反馈延迟。公开资料来看也并没有使用Linux mac80211子系统。(Windows实现可能用Linux内核里的子系统么?)​

    为什么我说它“几乎”做到,因为根据SORA的论文,受限于pcie的延迟和电脑处理速度,对于接收到的短包,他们依然无法及时给出ACK,因为短包留给他们的处理时间不够。

    只有接收到长包时,才有足够的时间去反馈ACK给对方。

    • mobicom 2017上北大Haoyang Wu的FPGA实现(tick)


    在2017年美国盐湖城mobicom会上,北京大学Haoyang Wu 发表了 The Tick Programmable Low-Latency SDR System。

    印象中还获得了community贡献奖,因为这是社区首次有人基于FPGA实现了全栈Wi-Fi,工作相当硬核,和我们的实现架构也非常接近。

    主要的不同是,他们做了USB3.0接口把FPGA接到电脑上,然后使用电脑上Linux的mac80211子系统,也就是说他们的驱动是基于USB3.0接口。

    而我们的openwifi是”全栈”都在单芯片上(SoC):Linux跑在片上ARM处理器,通过Xilinx AXI DMA通道和片上FPGA相连。因为省去了USB这种PC接口,端到端延迟更低。如果你用ping来测试openwifi,并与其他基于USB/pcie的Wi-Fi网卡对比,就会发现片上全栈的延迟更低。此外,在mobicom上作者貌似提到过将来会开源,但两年过去了依然没有任何消息。​

    • gnuradio/USRP/RFNoC社区


    这是目前最大最活跃的SDR社区。

    但对于Wi-Fi大都是一些小模块实现或者为了写论文的一些快速原型,没有相对完整的模块级和系统级实现。

    在USRP的FPGA开发框架RFNoC(RF Network on Chip)提出的初期,曾经在一个ppt(见前面链接:Building an OFDM receiver with RFNoC)中提到过基于RFNoC框架在USRP的FPGA中实现Wi-Fi接收机,不过貌似始终没发布一个相对完整的RFNoC Wi-Fi接收机模块。

    而且RFNoC开发门槛还是略高,本来使用FPGA原厂工具链开发FPGA已经有一定门槛,使用RFNoC则还需要在FPGA基础架构上再多一层,涉及到和gnuradio companion的通信和控制接口,需要对整个USRP和gnuradio的概念有比较深入的了解。

    因此RFNoC框架中开发者贡献的IP core并不多,猜测RFNoC主要还是Ettus公司内部开发USRP上的FPGA用。​

    • gr-ieee802-11项目


    这是Bastian Bloessl基于gnuradio的802.11实现。

    这是一个相对完整的和应用较为广泛的软件无线电Wi-Fi实现。

    因为使用PC上的gnuradio,所以不可能实现真正的SIFS反馈延迟以及和商用Wi-Fi芯片通信。

    作者很清楚这一点,也给出了一些workaround,比如关闭ACK机制。

    该项目对于不熟悉FPGA而是想从gnuradio入门的人来说,是一个可以很快上手并且根据需求二次开发的不错的选择。

    而且一台PC加一块廉价的SDR前端(HackRF,BladeRF,USRP B系列N系列等)即可工作。

    • openofdm


    这是近两年开源的一个面向USRP N210的Wi-Fi FPGA接收机完整实现!作者是中国人Jinghao Shi (史经浩)。

    两年前有openwifi项目的想法时,老老实实的先开发了Matlab的Wi-Fi接收机算法,然后打算进行FPGA实现。

    后来偶然间发现openofdm项目,看了它的文档感觉相当靠谱,于是决定采用。

    openofdm采用了面向N210内部小容量FPGA的一种高度优化的设计,因此付出了一些解调性能上的代价,但对于第一版以验证全栈集成为主要目的openwifi来说够用了。

    使用过程中也发现了一些openofdm的bug和缺失的一些全栈集成必要功能,我们进行了相应的改进。

    目前openofdm的作者已经把openwifi对openofdm的改进合并进了openofdm。

    ​这里用一张表格来说明openwifi和其他项目的异同:

    国内芯片技术交流-开源Wi-Fi芯片/FPGA设计以及背后的中国开发者risc-v单片机中文社区(2)


    此外,openwifi在软件无线电平台(Zynq SoC+AD9361)方面使用了Analog devices的HDL参考设计(https://github.com/analogdevicesinc/hdl)和它的Linux kernel版本(https://github.com/analogdevicesinc/linux),也使用了Xilinx的一些相关IP core和Xilinx AXI DMA Linux驱动例程,并根据Wi-Fi需求进行了必要的修改,这样可以省去大量的FPGA与射频前端和ARM的接口开发工作。

    openwifi对Analog devices和Xilinx相应的github资源进行了引用和说明。

    ​openwifi的Linux驱动部分当然也是参考了Linux 里面的各种Wi-Fi芯片的驱动源代码。

    由于openwifi与Linux之间采用Xilinx AXI DMA接口(片内FPGA和ARM接口),而Linux内核代码中的Wi-Fi芯片大都是基于pcie和USB的,因此只能借鉴而无法直接移植。

    研究了Linux内核代码里的各种Wi-Fi芯片驱动后,发现台湾realtek公司的rtl8180/8187芯片驱动最为简单。

    我还专门淘到了一些古老的基于rtl8180/8187芯片的网卡,在Linux下通过学习和修改rtl8180/8187驱动学习真正的Wi-Fi网卡是如何工作的。

    参照这些芯片驱动,并结合Xilinx给的DMA驱动代码,成功实现了openwifi的mac80211子系统兼容驱动。

    ​为了方便测试和调试,我们还自己开发了整套的Matlab基带收发算法,作为FPGA实现的benchmark。

    不然有问题时,会不知道目标在哪里。

    ​回顾openwifi的诞生历程,有一点感到很自豪的是项目的主导和主要贡献来自中国开发者。



    • openofdm的作者史经浩。看linkedin,这位同学毕业后去了Facebook而且貌似早就不搞Wi-Fi了。但他的openofdm开源实现,使得我们的openwifi在两年内做完成为可能,否则至少还需要额外的半年到一年。

    • 来自中国台湾的realtek公司的Wi-Fi芯片驱动是我学习Wi-Fi驱动的主要对象。大名鼎鼎的rtl-sdr电视棒也是这家公司的,堪称业界良心了。

    • 最后是一位开发者不是来自中国,但也必须提到:来自埃塞俄比亚的同事Michael Mehari (https://biblio.ugent.be/person/802001220721)。他在我们最初的Matlab仿真代码基础上开发出了ofdm tx FPGA模块。因为他没有看到过和参考过WARP 的PHY tx FPGA实现,所以我们的开源代码是”无污染”的。

    最后想说明的一点是:openwifi现阶段一定是在各方面会被商用芯片吊打,这一点毋庸置疑。

    现阶段它对标的对象也不是商用芯片,而是前面的对比表格中的其他项目。

    但就像当初Linus Torvalds发布Linux的时候,在强大的商用UNIX面前Linux也只是nothing,谁也不会想到后面Linux竟然变得如此强大。

    这其中的关键就在于你---广大开发者。

    感到欣喜的是,我前段时间发布openwifi项目的twitter在短时间内就获得了13万次展示和2万4千次播放量(demo视频),来自东西南北半球的人们纷纷表示“这下有得玩了”。

    "Talk is cheap. Show me the code." -- Linus Torvalds

    我们动手吧。




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