孔利君,徐煜華,陳學(xué)強(qiáng),趙麗屏,周曉蘭
(1.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007;2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 河北 050081;3.南京電訊技術(shù)研究所,江蘇 南京 210007;4.訓(xùn)練管理部通信站指揮自動(dòng)化工作站,北京 100851)
實(shí)際的無線通信過程中,由于受到衰落、多徑傳播、多普勒頻移等無線通信環(huán)境的影響,數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詫o法保證。為此,涌現(xiàn)了自動(dòng)請(qǐng)求重傳(Automatic Repeat-reQuest)、信道編碼和交織等技術(shù),以提高無線通信系統(tǒng)的可靠性。其中,自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ是在丟失數(shù)據(jù)幀或接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀時(shí)通過重傳來提升數(shù)據(jù)可靠性。目前,已有的經(jīng)典ARQ方式有停止等待ARQ、回退N幀ARQ和選擇重傳ARQ等。此外,還有混合ARQ[1]、HARQ-CC和HARQ-IR等重傳協(xié)議[2-3]。其中,停止等待ARQ和回退N幀ARQ實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但停止等待ARQ的傳輸時(shí)延大、傳輸效率低,而回退N幀ARQ對(duì)頻譜資源浪費(fèi)嚴(yán)重;選擇重傳ARQ只重傳錯(cuò)誤或丟失的數(shù)據(jù)幀,以較小的吞吐量犧牲為代價(jià)換來了成功率性能的提高,實(shí)現(xiàn)相對(duì)較復(fù)雜;HARQ-CC和HARQ-IR協(xié)議雖然性能很好,但是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高。同時(shí),文獻(xiàn)[4]對(duì)回退N幀ARQ協(xié)議在Simulink上進(jìn)行了軟件仿真,分析了其吞吐量和誤碼率性能。
通用軟件無線電外設(shè)USRP(Universal Software Radio Peripheral)是由Matt Ettus開發(fā)、為GNURadio打造的硬件平臺(tái),具有架構(gòu)靈活、開放、軟硬件結(jié)合、多層次協(xié)同的特性。該平臺(tái)擁有射頻前端,完成射頻信號(hào)的發(fā)送與接收和A/D轉(zhuǎn)換功能,并通過與上位機(jī)/主控計(jì)算機(jī)連接,在上位機(jī)/主控計(jì)算機(jī)中完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中的數(shù)字基帶傳輸功能。LabVIEW是一款可以與USRP配合使用的虛擬儀器開發(fā)軟件,具有靈活的用戶界面和強(qiáng)大的交互性。將USRP與LabVIEW結(jié)合,能夠克服固化試驗(yàn)箱可擴(kuò)展性差、軟件仿真結(jié)果不客觀等傳統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)仿真方法的種種局限。目前,USRP軟件無線電平臺(tái)主要應(yīng)用在無線電收發(fā)系統(tǒng)的建模仿真[5-8]、變換域通信抗干擾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建[9]和分布式寬帶頻譜快速感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方法研究[10-11]等方面??梢姡琔SRP軟件無線電平臺(tái)在通信系統(tǒng)研究方面的應(yīng)用非常廣泛。
由于USRP軟件無線電平臺(tái)具有強(qiáng)大的可重構(gòu)性和靈活易操作性,所以可以將其作為演示平臺(tái)用于無線通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。本文設(shè)計(jì)將選擇重傳ARQ協(xié)議與USRP軟件無線電平臺(tái)相結(jié)合,搭建實(shí)際的無線通信系統(tǒng),以驗(yàn)證在USRP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)ARQ協(xié)議的可行性。
基于選擇重傳的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖,如圖1所示。該系統(tǒng)由1臺(tái)干擾機(jī)和1對(duì)節(jié)點(diǎn)A、B組成,其中干擾機(jī)、節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B分別由1臺(tái)PC機(jī)和1臺(tái)NI USRP2920模擬。節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B采用全雙工工作方式,在信道fDATA上傳輸數(shù)據(jù),在信道fACK上傳輸ACK信號(hào)。另外,為了驗(yàn)證選擇重傳協(xié)議的有效性,專門設(shè)計(jì)了干擾機(jī)。干擾機(jī)可以實(shí)現(xiàn)掃頻、梳狀和隨機(jī)等模式的干擾信號(hào)。
圖1 基于LabVIEW和USRP的無線電平臺(tái)
基于LabVIEW和USRP的無線電平臺(tái)示意圖,如圖1所示。節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B均包含發(fā)信機(jī)和收信機(jī),且兩個(gè)用戶的收發(fā)機(jī)對(duì)稱,故此處只介紹節(jié)點(diǎn)A。它的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)組成和數(shù)據(jù)傳輸處理流程如圖2所示。在信號(hào)發(fā)送端,將需要發(fā)送的業(yè)務(wù)消息(如圖片、文本、視頻等)轉(zhuǎn)化為比特流,并根據(jù)如圖3所示的幀格式對(duì)比特流進(jìn)行分割、組包封裝,然后進(jìn)行脈沖成型濾波、QPSK調(diào)制,最后通過USRP進(jìn)行射頻發(fā)送。在信號(hào)接收端,將接收到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分包處理(去除直流分量,并通過相關(guān)運(yùn)算檢測(cè)出每個(gè)數(shù)據(jù)包的對(duì)應(yīng)位置,分離出數(shù)據(jù)包),并對(duì)提取的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重采樣、QPSK解調(diào)恢復(fù)出比特流,經(jīng)過數(shù)據(jù)包有效性檢驗(yàn)后,重構(gòu)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換格式,然后輸出并顯示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
圖2 節(jié)點(diǎn)A中收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)組成及數(shù)據(jù)處理流程
對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的業(yè)務(wù)(如圖片、視頻等),需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行分割,分多次傳輸。同時(shí),為了接收端數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確檢測(cè),需要對(duì)數(shù)據(jù)包的格式進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中,發(fā)送端將數(shù)據(jù)比特流進(jìn)行拆分、組幀、封裝,構(gòu)造用于調(diào)制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特包。封裝格式如圖3所示,其中各數(shù)據(jù)域的定義如表1所示。
圖3 幀格式
表1 幀格式功能
選擇重傳ARQ的工作原理[12]在于:節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送窗口內(nèi)順序發(fā)送數(shù)據(jù)包,節(jié)點(diǎn)B在接收窗口內(nèi)順序接收數(shù)據(jù)包;當(dāng)節(jié)點(diǎn)B接收到的數(shù)據(jù)包存在丟包或者錯(cuò)包時(shí),反饋重傳ACK到節(jié)點(diǎn)A;節(jié)點(diǎn)A根據(jù)接收到的ACK,選擇要發(fā)送的數(shù)據(jù)包;當(dāng)接收窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)包均已成功接收時(shí),窗口向后滑動(dòng)到新的位置,繼續(xù)傳輸。
選擇重傳ARQ的設(shè)計(jì)流程,如圖4所示。節(jié)點(diǎn)A在頻點(diǎn)fDATA上發(fā)送數(shù)據(jù);節(jié)點(diǎn)B循環(huán)接收數(shù)據(jù)后,判斷數(shù)據(jù)包是否正確,并獲取接收到的數(shù)據(jù)包序號(hào),每隔一段時(shí)間計(jì)算丟失的數(shù)據(jù)包序號(hào)i,在fACK頻點(diǎn)上連續(xù)發(fā)送攜帶重傳包序號(hào)Nr的ACK,其中Nr=i;當(dāng)節(jié)點(diǎn)A接收到ACK時(shí),提取重傳包序號(hào)Ns,并發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包,否則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包,發(fā)送的包序號(hào)為Ns=Ns+1。如此循環(huán)執(zhí)行,直到數(shù)據(jù)包全部成功接收。
圖4 選擇重傳ARQ協(xié)議設(shè)計(jì)流程
選擇重傳ARQ系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)A、B的交互過程,如圖5所示。
根據(jù)圖5,選擇重傳ARQ的算法步驟解析如下:
步驟1:節(jié)點(diǎn)A循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)包,同時(shí)循環(huán)接收ACK;
步驟2:節(jié)點(diǎn)B循環(huán)接收到第0至第10幀數(shù)據(jù)包,其中第3、8幀數(shù)據(jù)丟失,返回相應(yīng)的重傳ACK幀至節(jié)點(diǎn)A,
步驟3:節(jié)點(diǎn)A繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包,此時(shí)接收到重傳ACK,則插隊(duì)發(fā)送需要重傳的數(shù)據(jù)包,然后繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包;
步驟4:節(jié)點(diǎn)B循環(huán)接收數(shù)據(jù)包,計(jì)算需要重傳的包序號(hào),并返回重傳ACK包;
步驟5:節(jié)點(diǎn)A循環(huán)執(zhí)行步驟3,節(jié)點(diǎn)B循環(huán)執(zhí)行步驟4。
圖5 選擇重傳ARQ系統(tǒng)運(yùn)行過程
根據(jù)上述設(shè)計(jì)分析,基于USRP軟件無線電平臺(tái)和LabVIEW軟件,搭建了實(shí)物仿真(無線數(shù)據(jù)傳輸)系統(tǒng),如圖6所示。該系統(tǒng)由3臺(tái)PC機(jī)、3臺(tái)NI USRP2920組成,每臺(tái)PC機(jī)控制1臺(tái)NI USRP2920,分別模擬節(jié)點(diǎn)A、B和干擾機(jī)。節(jié)點(diǎn)A、B的工作方式為全雙工,即均處于同時(shí)發(fā)送和接收狀態(tài)。
圖6 仿真實(shí)物
仿真參數(shù)設(shè)置如下:采樣速率為1 MSamples/s(傳信速率為250 kb/s),載頻為700 MHz,ACK的采樣速率為400 kSamples/s(傳信速率為100 kb/s),載頻為800 MHz,發(fā)射和接收天線增益均為10 dB,調(diào)制方式均采用QPSK調(diào)制方式,平方根升余弦濾波器的滾降系數(shù)為0.5。節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一幅大小為5.18 Mb的圖片,經(jīng)過組幀后,實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量約為7.45 Mb。節(jié)點(diǎn)B每接收一個(gè)時(shí)隙,時(shí)隙長(zhǎng)度為= 0 .9 s ,則計(jì)算一次時(shí)間內(nèi)需要重傳的數(shù)據(jù)包序號(hào)。節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A傳輸攜帶重傳數(shù)據(jù)包序號(hào)的重傳ACK,并發(fā)送給節(jié)點(diǎn)A。圖7為節(jié)點(diǎn)B的LabVIEW程序框圖界面,主要包含接收數(shù)據(jù)幀模塊和發(fā)送ACK幀模塊。節(jié)點(diǎn)A若接收到重傳ACK,則獲取需要重傳的數(shù)據(jù)包,并插隊(duì)發(fā)送重傳數(shù)據(jù)包;否則,繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。
干擾機(jī)可以產(chǎn)生掃頻、梳狀和隨機(jī)模式的干擾信號(hào)。下面就以掃頻干擾信號(hào)場(chǎng)景為例進(jìn)行介紹。干擾機(jī)產(chǎn)生帶寬為1 MHz的掃頻干擾信號(hào),頻率范圍為695~705 MHz,以1 MHz為間隔,共11個(gè)中心頻點(diǎn)。使用寬帶快速感知系統(tǒng)感知到的掃頻干擾信號(hào),如圖8所示??梢钥闯?,此時(shí)干擾中心頻點(diǎn)在700 MHz。
節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。在無干擾時(shí),不存在數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。當(dāng)人為產(chǎn)生干擾信號(hào)時(shí),節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)接收情況和圖像顯示效果,如圖9所示。
圖7 節(jié)點(diǎn)B的LabVIEW程序框圖界面
其中,1為成功傳輸速率曲線,2為丟包率曲線,3為接收端解調(diào)的星座圖,4為接收到的實(shí)際的時(shí)域波形圖,5為每包的起止對(duì)應(yīng)位置,6為接收端恢復(fù)的原始圖像。由于當(dāng)前信道被掃頻信號(hào)干擾,數(shù)據(jù)包接收不完整,導(dǎo)致無法正確解調(diào)、提取數(shù)據(jù),存在丟包現(xiàn)象。
圖8 干擾產(chǎn)生模塊與頻譜感知系統(tǒng)界面
啟用選擇重傳ARQ功能的LabVIEW數(shù)據(jù)接收情況和圖像顯示效果,如圖10所示??梢钥闯觯瑔⒂肁CK反饋回路后,成功克服了數(shù)據(jù)的丟包和錯(cuò)誤傳輸,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效果得到明顯改善。
圖9 無選擇重傳時(shí)傳輸效果-干擾條件下
圖10 啟用選擇重傳時(shí)傳輸效果-干擾條件下
為了衡量系統(tǒng)性能,定義丟包率PLR(Packet Loss Rate)和成功傳輸速率STS(Success Transmission Speed)兩個(gè)性能指標(biāo)。
數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包率PLR為:
式中,Lpn為丟失的數(shù)據(jù)包數(shù),Rvpn為目前接收的有效數(shù)據(jù)包數(shù)與丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)之和。其中,目前接收的有效數(shù)據(jù)包數(shù)是相對(duì)于傳輸?shù)膱D片數(shù)據(jù)包而言,不包含重復(fù)接收的數(shù)據(jù)包;丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)是目前丟失或傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包數(shù)。
數(shù)據(jù)傳輸過程中的成功傳輸速率STS為:
圖11 丟包率變化曲線
式中,Srbn為成功接收的比特總數(shù),Rt為接收總時(shí)間,從開始接收到信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)。
對(duì)于選擇重傳系統(tǒng),在啟用選擇重傳功能和禁用選擇重傳功能的條件下,分別經(jīng)過50次重復(fù)試驗(yàn),計(jì)算得到傳輸過程中的丟包率和平均成功傳輸速率隨時(shí)間的變化曲線,如圖11、圖12所示??梢?,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了選擇重傳ARQ可以降低丟包率,提高圖像傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
圖12 成功傳輸速率變化曲線
如圖11所示,掃頻干擾環(huán)境中,禁用選擇重傳條件下,系統(tǒng)開始運(yùn)行階段,成功接收的有效數(shù)據(jù)包數(shù)Rvpn較小,導(dǎo)致丟失包數(shù)所占比例即丟包率較大;隨著程序運(yùn)行,丟失的包數(shù)成倍增長(zhǎng),接收有效包數(shù)的增長(zhǎng)速率大于丟失包數(shù)的增長(zhǎng)速率,故丟包率呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且逐漸穩(wěn)定在0.08附近,即系統(tǒng)性能趨于穩(wěn)定。在啟用選擇重傳的條件下,系統(tǒng)開始運(yùn)行階段,由于存在重傳時(shí)延,導(dǎo)致相對(duì)禁用重傳條件下的丟包率較大;隨著程序運(yùn)行,丟包率逐漸降低且逐漸趨于0,表明丟失的數(shù)據(jù)包被重傳回節(jié)點(diǎn)B,確保了整幅圖片數(shù)據(jù)的完整性,提高了數(shù)據(jù)的可靠性。
如圖12所示,在掃頻干擾環(huán)境中,啟用選擇重傳的條件下,成功傳輸?shù)乃俾授呌?90 kb/s,禁用選擇重傳條件下趨于210 kb/s,說明啟用選擇重傳協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率會(huì)有一定程度的下降。
通過性能曲線和實(shí)際傳輸效果的對(duì)比可以看出,干擾環(huán)境中,本系統(tǒng)可以對(duì)丟失和傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效重傳,實(shí)現(xiàn)了差錯(cuò)控制,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。但是作為衡量通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo),可靠性與有效性是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。采用ARQ提高系統(tǒng)的可靠性,會(huì)相應(yīng)犧牲系統(tǒng)的效率,降低系統(tǒng)的吞吐量。因此,實(shí)際應(yīng)用中需具體問題具體分析。
本文在對(duì)選擇重傳ARQ協(xié)議深入研究的基礎(chǔ)上,充分利用NI USRP軟件無線電平臺(tái)可重構(gòu)、靈活易操作的特點(diǎn),將選擇重傳協(xié)議與實(shí)際的軟件無線電平臺(tái)相結(jié)合,搭建了基于選擇重傳ARQ協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,驗(yàn)證了選擇重傳協(xié)議可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴T诒疚幕A(chǔ)上,課題組下一步將擬開展智能抗干擾、擴(kuò)頻、頻譜預(yù)測(cè)等課題研究。
[1] Wicker S B.Error Control Systems for Digital Communication and Storage[M].Prentice-Hall Inc.1994.
[2] Caire G,Tuninetti D.The Throughput of Hybrid-ARQ Protocols for the Gaussian Collision Channel[J].IEEE Transactions on Information Theory,2001,47(05):1971-1988.
[3] Wu P,Jindal N.Performance of Hybrid-ARQ in Block-fading Channels:A Fixed Outage Probability Analysis[J].IEEE Transactions on Communicatio ns,2008,58(04):1129-1141.
[4] Saleh H H,Elfituri M M M.Packet Communication within a Go-Back-N ARQ System Using Simulink[C].IEEE International Conference on Control Engineering &Information Technology,2017.
[5] 楊宏,孔耀暉,茹晨光等.基于GNU Radio和USRP的無線通信系統(tǒng)建模仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(18):73-77.YANG Hong,KONG Yao-hui,RU Chen-guang,et al.Modeling and Simulation of Wireless Communication System Based on GNU Radio and USRP[J].Modern Electronic Technique,2013,36(18):73-77.
[6] 邢鑫,趙慧.基于LabVIEW 和USRP的軟件無線電通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(05):160-164.XING Xin,ZHAO Hui.Design of Experimental Platform for Wireless Communication Based on LabVIEW and USRP[J].Experimental Technology and Management,2016,33(05):160-164.
[7] 郭志剛,付毅.基于USRP的無線電收發(fā)系統(tǒng)研究[J].電子質(zhì)量,2016(11):5-10.GUO Zhi-gang,FU Yi.The Radio Transceiver System Research Based on the USRP[J].Electronics Quality,2016(11):5-10.
[8] 白熊文.基于USRP的認(rèn)知無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.BAI Xiong-wen.Design and Implementation of Cognitive Radio System Based on USRP[D].Xi'an:Xidian University,2012.
[9] 夏永平,陳自力,周子棟.基于USRP的變換域通信系統(tǒng)抗干擾平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2017,29(02):75-78.XIA Yong-ping,CHEN Zi-li,ZHOU Zi-dong.The Design of USRP-Based Anti-Jamming Experimental Platform for Transformation Domain Communication System[J].Journal of Ordnance Engineering College,2017,29(02):75-78.
[10] 王志文,徐以濤,江漢等.基于USRP平臺(tái)的寬帶頻譜感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2015,48(06):750-754.WANG Zhi-wen,XU Yi-tao,JIANG Han,et al.Design and Implementation of Wideband Spectrum Sensing System Based on USRP Platform[J].Communications Technology,2015,48(06):750-754.
[11] 趙楠,武明虎,周先軍等.基于GNU Radio和USRP的寬頻帶并行感知平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2015,32(12):3779-3789.ZHAO Nan,WU Ming-hu,ZHOU Xian-jun,et al.Wideband Spectrum Sensing based on GNU Radio and USRP[J].Application Research of Compute rs,2015,32(12):3779-3789.
[12] William S,王海.數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)通信[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.William S,WANG Hai.Data and Computer Communications[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2015.