基于USRP和選擇重傳協議的數據傳輸系統設計與實現*

孔利君，徐煜華，陳學強，趙麗屏，周曉蘭

（1.中國人民解放軍陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，石家莊 河北 050081；3.南京電訊技術研究所，江蘇 南京 210007；4.訓練管理部通信站指揮自動化工作站，北京 100851）

0 引 言

實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境的影響，數據傳輸的可靠性將無法保證。為此，涌現了自動請求重傳（Automatic Repeat-reQuest）、信道編碼和交織等技術，以提高無線通信系統的可靠性。其中，自動請求重傳ARQ是在丟失數據幀或接收到錯誤數據幀時通過重傳來提升數據可靠性。目前，已有的經典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等重傳協議[2-3]。其中，停止等待ARQ和回退N幀ARQ實現簡單，但停止等待ARQ的傳輸時延大、傳輸效率低，而回退N幀ARQ對頻譜資源浪費嚴重；選擇重傳ARQ只重傳錯誤或丟失的數據幀，以較小的吞吐量犧牲為代價換來了成功率性能的提高，實現相對較復雜；HARQ-CC和HARQ-IR協議雖然性能很好，但是實現復雜度高。同時，文獻[4]對回退N幀ARQ協議在Simulink上進行了軟件仿真，分析了其吞吐量和誤碼率性能。

通用軟件無線電外設USRP（Universal Software Radio Peripheral）是由Matt Ettus開發、為GNURadio打造的硬件平臺，具有架構靈活、開放、軟硬件結合、多層次協同的特性。該平臺擁有射頻前端，完成射頻信號的發送與接收和A/D轉換功能，并通過與上位機/主控計算機連接，在上位機/主控計算機中完成對數字信號的處理，進而實現通信系統中的數字基帶傳輸功能。LabVIEW是一款可以與USRP配合使用的虛擬儀器開發軟件，具有靈活的用戶界面和強大的交互性。將USRP與LabVIEW結合，能夠克服固化試驗箱可擴展性差、軟件仿真結果不客觀等傳統通信實驗仿真方法的種種局限。目前，USRP軟件無線電平臺主要應用在無線電收發系統的建模仿真[5-8]、變換域通信抗干擾實驗平臺搭建[9]和分布式寬帶頻譜快速感知系統設計與方法研究[10-11]等方面。可見，USRP軟件無線電平臺在通信系統研究方面的應用非常廣泛。

由于USRP軟件無線電平臺具有強大的可重構性和靈活易操作性，所以可以將其作為演示平臺用于無線通信系統的實驗研究。本文設計將選擇重傳ARQ協議與USRP軟件無線電平臺相結合，搭建實際的無線通信系統，以驗證在USRP平臺實現ARQ協議的可行性。

1 系統總體設計

基于選擇重傳的無線數據傳輸系統框圖，如圖1所示。該系統由1臺干擾機和1對節點A、B組成，其中干擾機、節點A、節點B分別由1臺PC機和1臺NI USRP2920模擬。節點A與節點B采用全雙工工作方式，在信道fDATA上傳輸數據，在信道fACK上傳輸ACK信號。另外，為了驗證選擇重傳協議的有效性，專門設計了干擾機。干擾機可以實現掃頻、梳狀和隨機等模式的干擾信號。

圖1 基于LabVIEW和USRP的無線電平臺

1.1 用戶收發機結構組成

基于LabVIEW和USRP的無線電平臺示意圖，如圖1所示。節點A和節點B均包含發信機和收信機，且兩個用戶的收發機對稱，故此處只介紹節點A。它的收發機結構組成和數據傳輸處理流程如圖2所示。在信號發送端，將需要發送的業務消息（如圖片、文本、視頻等）轉化為比特流，并根據如圖3所示的幀格式對比特流進行分割、組包封裝，然后進行脈沖成型濾波、QPSK調制，最后通過USRP進行射頻發送。在信號接收端，將接收到的波形數據進行分包處理（去除直流分量，并通過相關運算檢測出每個數據包的對應位置，分離出數據包），并對提取的數據包進行重采樣、QPSK解調恢復出比特流，經過數據包有效性檢驗后，重構數據并轉換格式，然后輸出并顯示業務數據。

圖2 節點A中收發機結構組成及數據處理流程

1.2 幀格式設計

對于數據量較大的業務（如圖片、視頻等），需要將數據進行分割，分多次傳輸。同時，為了接收端數據包的準確檢測，需要對數據包的格式進行設計。本系統中，發送端將數據比特流進行拆分、組幀、封裝，構造用于調制傳輸的數據比特包。封裝格式如圖3所示，其中各數據域的定義如表1所示。

圖3 幀格式

表1 幀格式功能

2 選擇重傳ARQ原理及系統設計

2.1 設計原理

選擇重傳ARQ的工作原理[12]在于：節點A在發送窗口內順序發送數據包，節點B在接收窗口內順序接收數據包；當節點B接收到的數據包存在丟包或者錯包時，反饋重傳ACK到節點A；節點A根據接收到的ACK，選擇要發送的數據包；當接收窗口內的數據包均已成功接收時，窗口向后滑動到新的位置，繼續傳輸。

選擇重傳ARQ的設計流程，如圖4所示。節點A在頻點fDATA上發送數據；節點B循環接收數據后，判斷數據包是否正確，并獲取接收到的數據包序號，每隔一段時間計算丟失的數據包序號i，在fACK頻點上連續發送攜帶重傳包序號Nr的ACK，其中Nr=i；當節點A接收到ACK時，提取重傳包序號Ns，并發送對應的數據包，否則繼續發送數據包，發送的包序號為Ns=Ns+1。如此循環執行，直到數據包全部成功接收。

圖4 選擇重傳ARQ協議設計流程

選擇重傳ARQ系統中節點A、B的交互過程，如圖5所示。

根據圖5，選擇重傳ARQ的算法步驟解析如下：

步驟1：節點A循環發送數據包，同時循環接收ACK；

步驟2：節點B循環接收到第0至第10幀數據包，其中第3、8幀數據丟失，返回相應的重傳ACK幀至節點A，

步驟3：節點A繼續發送數據包，此時接收到重傳ACK，則插隊發送需要重傳的數據包，然后繼續發送數據包；

步驟4：節點B循環接收數據包，計算需要重傳的包序號，并返回重傳ACK包；

步驟5：節點A循環執行步驟3，節點B循環執行步驟4。

圖5 選擇重傳ARQ系統運行過程

2.2 系統實現

根據上述設計分析，基于USRP軟件無線電平臺和LabVIEW軟件，搭建了實物仿真（無線數據傳輸）系統，如圖6所示。該系統由3臺PC機、3臺NI USRP2920組成，每臺PC機控制1臺NI USRP2920，分別模擬節點A、B和干擾機。節點A、B的工作方式為全雙工，即均處于同時發送和接收狀態。

圖6 仿真實物

仿真參數設置如下：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，發射和接收天線增益均為10 dB，調制方式均采用QPSK調制方式，平方根升余弦濾波器的滾降系數為0.5。節點A向節點B發送一幅大小為5.18 Mb的圖片，經過組幀后，實際傳輸的數據量約為7.45 Mb。節點B每接收一個時隙，時隙長度為= 0 .9 s ，則計算一次時間內需要重傳的數據包序號。節點B向節點A傳輸攜帶重傳數據包序號的重傳ACK，并發送給節點A。圖7為節點B的LabVIEW程序框圖界面，主要包含接收數據幀模塊和發送ACK幀模塊。節點A若接收到重傳ACK，則獲取需要重傳的數據包，并插隊發送重傳數據包；否則，繼續發送數據包。

3 仿真結果及分析

3.1 仿真結果

干擾機可以產生掃頻、梳狀和隨機模式的干擾信號。下面就以掃頻干擾信號場景為例進行介紹。干擾機產生帶寬為1 MHz的掃頻干擾信號，頻率范圍為695～705 MHz，以1 MHz為間隔，共11個中心頻點。使用寬帶快速感知系統感知到的掃頻干擾信號，如圖8所示。可以看出，此時干擾中心頻點在700 MHz。

節點A向節點B發送圖像數據。在無干擾時，不存在數據丟失現象。當人為產生干擾信號時，節點B的數據接收情況和圖像顯示效果，如圖9所示。

圖7 節點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為接收端解調的星座圖，4為接收到的實際的時域波形圖，5為每包的起止對應位置，6為接收端恢復的原始圖像。由于當前信道被掃頻信號干擾，數據包接收不完整，導致無法正確解調、提取數據，存在丟包現象。

圖8 干擾產生模塊與頻譜感知系統界面

啟用選擇重傳ARQ功能的LabVIEW數據接收情況和圖像顯示效果，如圖10所示。可以看出，啟用ACK反饋回路后，成功克服了數據的丟包和錯誤傳輸，系統的數據傳輸效果得到明顯改善。

圖9 無選擇重傳時傳輸效果-干擾條件下

圖10 啟用選擇重傳時傳輸效果-干擾條件下

3.2 性能分析

為了衡量系統性能，定義丟包率PLR（Packet Loss Rate）和成功傳輸速率STS（Success Transmission Speed）兩個性能指標。

數據傳輸過程中的丟包率PLR為：

式中，Lpn為丟失的數據包數，Rvpn為目前接收的有效數據包數與丟失的數據包數之和。其中，目前接收的有效數據包數是相對于傳輸的圖片數據包而言，不包含重復接收的數據包；丟失的數據包數是目前丟失或傳輸錯誤的數據包數。

數據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，Rt為接收總時間，從開始接收到信號時計時。

對于選擇重傳系統，在啟用選擇重傳功能和禁用選擇重傳功能的條件下，分別經過50次重復試驗，計算得到傳輸過程中的丟包率和平均成功傳輸速率隨時間的變化曲線，如圖11、圖12所示。可見，實驗結果驗證了選擇重傳ARQ可以降低丟包率，提高圖像傳輸的準確性。

圖12 成功傳輸速率變化曲線

如圖11所示，掃頻干擾環境中，禁用選擇重傳條件下，系統開始運行階段，成功接收的有效數據包數Rvpn較小，導致丟失包數所占比例即丟包率較大；隨著程序運行，丟失的包數成倍增長，接收有效包數的增長速率大于丟失包數的增長速率，故丟包率呈現下降趨勢，且逐漸穩定在0.08附近，即系統性能趨于穩定。在啟用選擇重傳的條件下，系統開始運行階段，由于存在重傳時延，導致相對禁用重傳條件下的丟包率較大；隨著程序運行，丟包率逐漸降低且逐漸趨于0，表明丟失的數據包被重傳回節點B，確保了整幅圖片數據的完整性，提高了數據的可靠性。

如圖12所示，在掃頻干擾環境中，啟用選擇重傳的條件下，成功傳輸的速率趨于190 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議的數據傳輸速率會有一定程度的下降。

通過性能曲線和實際傳輸效果的對比可以看出，干擾環境中，本系統可以對丟失和傳輸錯誤的數據進行有效重傳，實現了差錯控制，提高了數據傳輸的可靠性。但是作為衡量通信系統的兩個重要指標，可靠性與有效性是此消彼長的關系。采用ARQ提高系統的可靠性，會相應犧牲系統的效率，降低系統的吞吐量。因此，實際應用中需具體問題具體分析。

4 結 語

本文在對選擇重傳ARQ協議深入研究的基礎上，充分利用NI USRP軟件無線電平臺可重構、靈活易操作的特點，將選擇重傳協議與實際的軟件無線電平臺相結合，搭建了基于選擇重傳ARQ協議的無線數據傳輸系統。經過多次實驗，系統運行穩定、可靠，驗證了選擇重傳協議可以有效提高數據傳輸的可靠性。在本文基礎上，課題組下一步將擬開展智能抗干擾、擴頻、頻譜預測等課題研究。

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