0 导言
无线通讯技能正处在飞速开展的阶段，并开端广泛运用于个人、商业、军事等多个范畴。跟着无线通讯体系杂乱度的日益上升，运用传统的剖析办法来评价和规划无线通讯体系现已变得好不简单;选用硬件原型测验的办法因为完结本钱高、难度大，往往在体系开发的后期才干得以完结;以软件为根底的建模仿真办法则可以使研讨和开发人员在花费较少的人力和财力的状况下，取得挨近实在体系的评价才能，因而成为了通讯体系开发前期首要的规划和验证手法。现在，无线通讯体系的建模仿真首要经过Matlab Simulink,SystemView,SPW等软件完结。但关于特性改变快、易受搅扰的无线传输环境来说，上述依据纯软件的建模仿真手法难以对体系完结快速和准确的测验、剖析和评价。
本文提出将软件无线电开发渠道GNU Radio和通用软件无线电外设USRP(Universal Software Radio Pe-ripheral)组成的软件无线电体系用于无线通讯体系的建模仿真，首要剖析了该体系的软件特性和硬件结构;随后对MPSK 调制体系别离树立依据仿真信道和实践信道的通讯链路模型，进行误码率测验的比照试验，验证该办法将实践无线信道归入体系仿真中的可行性;最终在选用实践信道的链路模型根底上，进一步规划并完结了无线视频流传输原型体系，可以经过无线办法完结视频流传输。剖析和试验成果标明相关于常用的软件建模仿真手法，软硬件结合的新办法可以快速完结体系原型，将特性杂乱、仿真困难的实践无线信道归入体系仿真模型中。
1 GNU Radio 和USRP组成的软件无线电体系
1.1 软件无线电
软件无线电的概念于1992 年由Joseph Mitola正式提出。这一概念的提出和开展是针关于无线通讯范畴呈现的多种体系并存、规范间竞赛剧烈的局势。软件无线电的架构体系打破了无线通讯体系以专用硬件为中心的传统规划形式，经过将宽带的AD和DA器材尽或许地接近射频天线，尽早地将取得的模仿信号转化成数字信号，并以通用硬件作为根本渠道，尽或许多地由通用处理器上的软件完结无线及通讯功用，以完结无线通讯体系的可晋级和可重装备。将软件无线电技能运用于无线通讯体系的建模仿真，可以发挥其架构灵敏、敞开、软硬件结合、多层次协同的特性，处理传统软件东西存在的一些限制。
软件无线电开展至今，已有多套开源及商业体系可用于原型规划及通讯体系研讨，如微软研讨院推出的Sora 体系、弗吉尼亚理工大学的OSSIE(Open SourceSCA Implementation Embedded)项目等。其间，开源无线电软件GNU Radio和通用软件无线电外设USRP组成一套依据PC的软件无线电体系，是适用于无线通讯体系建模仿真的较好的处理方案。
1.2 GNU Radio的软件特性
GNU Radio 是依据软件无线电思维开发的开源渠道，运转在Linux 体系上，遵从GNU 的GPL(GeneralPublic License)条款分发。作为一个软件无线电开发渠道，GNU Radio具有很强的可重构性。经过它所供给的多种有用的信号处理模块和将这些信号处理模块衔接起来的流图机制，可以树立起不同的通讯链路模型，满意不同类型通讯体系的需求。GNU Radio 首要用于通讯链路的建模和仿真，其规范库非常丰厚，掩盖了调制解调、信源编/解码、信道编/解码、多址接入、均衡、同步、滤波器规划、小波剖析等常用的信号处理模块，且有类似于Matlab Simulink框图式结构的图形化建模环境，可以便利、快速地树立起链路级体系的模型。一起，出于运转功率的考虑，GNU Radio选用了数据通道和操控通道别离的两级规划，其间C++用于描绘需求较高运转功率的信号处理模块，Python则用于模块之间的装备和衔接。
因为GNU Radio 选用了通用的编程言语Python 作为专门的操控通道，替代了单一的模块衔接机制，这样除了可以对信号处理模块进行更便利地装备和办理之外，凭借Python的灵敏特性，还能完结在通讯链路的上层树立网络模型，进行整个通讯协议的定制和规划，乃至与运用程序进行直接交互。这使得在GNU Radio中完结跨层次规划和联合优化成为或许。
以GNU Radio内建的测验程序为例详细剖析，经过解析测验程序中的代码可知，GNU Radio规则了如图1所示的帧结构格局。最底层的帧结构供给了前导码、同步码用于接纳端体系的频率和时序同步;帧头则供给帧长度、高斯白化偏置等信息;帧的上层结构供给了CRC(Cyclic Redundancy Check)校验和发送包数目计算功用。此外，GNU Radio在MAC(Media Access Control)层还供给了载波监听多路拜访/抵触检测机制，用于检测当时信道上的信号抵触。当USRP 接纳到的信号起伏大于设定的门限值时，则以为该信道被占用，并选用二进制指数退避重传算法等候重传。经过USRP 数据的时刻戳合作，亦可以在GNU Radio中完结分时隙传输的超帧结构。一起，经过导入Socket模块，Python 可以便利地进行网络编程。而调用TUN/TAP供给的虚拟以太网通道可以让依据TCP/IP 的运用层程序直接加载到GNU Radio上，并经过GNU Radio所供给的通讯体系进行通讯。别的，上层网络模型中的数据为异步数据，不可以直接被通讯链路上的同步信号处理模块处理，对此，GNU Radio在网络模型和链路模型之间运用了一个FIFO(First In First Out)缓存，完结了信号从异步到同步、由信息比特到基带波形的转化，将通讯链路和上层网络严密地结合起来。
经过运用上述GNU Radio供给的功用和特性，研讨和开发人员可以便利地构建起由通讯链路和上层网络模型组成的更为完好的通讯体系，并从大局功能的视点考虑，对定制的通讯体系进行跨层次联合规划和优化。
1.3 USRP的硬件结构
在GNU Radio和USRP组成的软件无线电体系中，GNU Radio 仅担任低速率基带信号的处理，USRP 则充当了数字中频和射频前端的人物，对高通量信号进行处理。依据软件无线电思维规划的USRP 的硬件结构具有灵敏、通用的特性，可以兼容当时无线通讯的多种协议规范，为树立自定制协议和多规范交融的体系建模和测验供给了强壮的支撑。
如图2 所示，USRP 的结构中首要包含了担任数字中频处理的FPGA(Field Programmable Gate Array)、担任模/数与数/模转化的ADC 与DAC 器材和担任射频信号处理的射频子板。在详细的收发进程中，接纳端的天线捕捉空中的射频信号，由射频子板进行模仿域的下变频，将信号由射频移至中频，然后经过A/D器材的转化，进入数字域;FPGA 作为数字下变频器，将信号从数字中频进一步移至基带，并一起完结信号的抽取作业，使信号速率降至通用处理器可以处理的规模;最终，经过操控芯片将低速率的基带信号送入PC.发送端则完结一个大致相反的信号处理流程。
在USRP 的结构中，宽频段、可替换的收发射频子板和天线可以掩盖大都无线协议规范地点的频率规模，ADC 和DAC 器材具有高采样速率和较好的分辨率，依据FPGA的数字中频处理和依据PC端软件的基带信号处理易于重构，灵敏的总线结构的选用则降低了各硬件模块之间的耦合性。当时的无线通讯协议规范许多都作业在附近的频段，在射频端上亦有很大的相似性，协议规范的首要差异会集在基带信号的处理上。USRP作为通用的射频前端，依据软件无线电思维规划，具有敞开性、模块化和高通用性的特色，因而可以兼容绝大大都现有的通讯协议规范，并且可以依据需求，在软件层面自行界说通讯体系的收发频段和通讯带宽，进行无线通讯体系的定制化规划。
2 依据实践信道环境的通讯体系模型完结
无线信道稳定性较差，信道特性会跟着地势、地貌以及信号频率和传达办法的改变而改变，并且不可防止地会遭到暗影效应和多径式微的影响。因而，在实践无线通讯体系的链路级仿真中，一般需求树立准确的信道模型来猜测体系的全体功能和评价信号处理算法的好坏。但因为实在的无线信道具有时变特性，树立高精度的仿真信道模型难度很大，且仿真模型也很难做到和实践信道彻底匹配，结合硬件原型进行实践环境测验的做法在规划前期难以完结，这一直是无线通讯体系仿真中的难以处理的问题。而GNU Radio与USRP软硬件无缝衔接的特性有效地改进了传统硬件原型树立困难的限制，经过快速完结无线通讯体系的硬件原型，将实在的无线信道环境归入仿真进程中，对信道特性进行评价。
2.1 通讯链路建模仿真比照
相移键控PSK(Phase-Shift Keying)运用载波的多种不同相位状况来进行数字信号的调制，比较幅移键控和频移键控调制体系，在频带运用率和抗噪声功能方面均有优势，因而在中、高速数据传输中得到了广泛的运用。本部分运用GNU Radio 和USRP 对详细的MPSK 调制体系进行建模，经过软件仿真、实践环境测验和成果的比照剖析，验证由GNU Radio和USRP无缝衔接特性所带来的硬件原型快速完结的才能，并阐明该体系比较传统仿真软件在评价实践信道环境方面的优势。为了可以最大程度地减小仿真模型和实践测验模型在基带信号处理上的不同，试验调用GNU Radio中的模块树立仿真模型，然后去除仿真信道，其他部分选用相同的模块合作USRP完结硬件原型。为此，需求在仿真模型中参加加扰、解扰、载波频偏康复和信号时序康复等实践信号传输中所需的模块。仿真体系的构建如图3所示。在该体系的发送端，矢量信号源担任发生信号;信号被送入加扰模块进行信道编码，做伪随机化处理;编码后，信号进入MPSK 模块进行调制。体系的接纳端调用MPSK解调模块进行信号解调，在该模块中现已插入了载波频偏康复和信号时序康复的子模块;最终对信号进行相应的解包宽和扰操作，并与预设信号比照，取得误码率数据。在解调模块中还调用了信号强度探针，用来取得当时信号的信噪比巨细。发送端与接纳端之间则经过加性高斯白噪声信道模块衔接，以仿真整个链路级的通讯进程。
对上述仿真体系只需进行收发部分的别离和简略修正，即可合作USRP设备完结该体系的硬件原型。见图4,发送端经MPSK调制后的信号被送入USRP模块，该模块对射频信号的发射参数进行装备，然后由USRP设备进行上变频等处理并发送到实践环境中;经过室内实践信道传输，接纳端的USRP捕捉到环境中的射频信号，并进行射频和数字中频的相应处理，最终输出数字基带信号到GNU Radio中的MPSK解调模块，做后续的基带信号处理。这样，运用两台USRP设备就可以树立起经过实践信道进行信号收发的体系硬件原型。
对上面树立的仿真模型和硬件原型，别离调用BPSK,QPSK,8PSK,16PSK 四种调制办法，进行加性高斯白噪声信道的仿真和实践环境下的测验。测验在约15 m2巨细的室内环境中进行，每个测验点对30 min内收集到的信噪比和误码率数据进行均匀化处理，比照仿真成果，取得如图5所示的误码率曲线。
从测验成果生成的曲线可以得知，低信噪比状况下，室内环境测验所得的数据与仿真信道下测得的数据契合较好;在高信噪比状况下，尤其在高阶调制形式下，实践测验数据与仿真信道下测得的数据发生了较大违背，在相同误码率状况下，违背或许到达2~3 dB.由MPSK调制体系的理论剖析可知，高阶调制形式比较低阶调制对噪声更为灵敏，受载波频率和相位康复模块引进的相位噪声影响也更大，简单对误码率数据发生影响。从实践的测验进程来看，室内环境因为人、物移动引起的信号遮挡和散射形成信号传达途径的改变，会使信号的信噪比发生5~10 dB左右大规模改变的现象，这也是测验数据与仿真曲线违背的原因之一。由此看来，在低误码率的状况和高阶调制形式下，抱负的加性高斯白噪声的仿真信道不足以准确描绘实践的室内信道特性。
2.2 无线视频流传输体系原型
经过GNU Radio 灵敏的软件特性和Python 的编程才能，可以进一步在上述链路级模型的根底上，树立依据实践无线信道传输的无线通讯体系原型。以无线视频流传输体系为例，本文规划了如图6 所示的体系结构，并据此完结了相应的原型体系。
在体系发送端，视频收集设备从实在环境中实时收集视频流数据，经过PC上的视频编码程序编码后送到设定好的TCP或UDP网络端口;经过Socket网络编程办法，可以便利地绑定网络端口，将视频流数据送入GNU Radio中的程序进行处理;GNU Radio中的程序对网络端口的数据流做进一步的MAC 层成帧和同步处理，然后进行基带信号的调制和编码作业，最终送入USRP发射。接纳端体系则进行大致相反的处理流程，经过解码后的视频流数据可以在相应的显现器上显现。
在实践测验进程中，该原型体系可以正确显现视频收集端收集到的视频信号，到达了料想的作用，如图7所示。其架构具有很强的灵敏性和可扩展性，包含视频格局、视频编/解码办法、分组帧结构、信道编/解码、信号调制办法、传输频段和传输带宽在内的各个部分均易于调整和修正，这便于研讨和开发人员依据视频信号在实践信道中的传输作用进行全体体系的定制性规划和优化。
2.3 试验成果剖析
上述试验标明，GNU Radio树立的链路模型可以简直不经修正地经过USRP进行实践信号的发射和接纳，完结无线通讯体系原型，并进一步用于室表里等常见实在环境下的体系测验。比较纯软件仿真成果，结合硬件原型进行测验将实践信道归入仿真进程，使研讨和开发人员在前期阶段就可以对方针传输频率和传输环境下的信道进行研讨，对传输进程中的途径损耗、频段上其他体系的搅扰、信道特性的改变等要素进行合理评价。
实践信道测验的成果关于体系后期开发也有更强的指导意义。凭借该办法进行原型测验，可以使无线通讯体系开发中的问题在前期敏捷显现，并在体系规划和规划阶段就被处理，有助于削减后期规划迭代进程的发生，缩短整个体系的规划流程。
3 结语
本文提出将软件无线电开发渠道GNU Radio和通用软件无线电外设USRP 组成的软件无线电体系用于无线通讯体系的建模仿真。首要介绍并剖析了GNURadio的软件特性和USRP的硬件架构;随后以MPSK体系在仿真信道和实践信道下的通讯链路建模仿真比照试验为例，验证了该办法将实践的无线信道归入链路层仿真中的可行性;最终在前述链路级模型的根底上，规划并完结了一套依据实践无线信道收发的无线视频流传输原型体系。剖析和试验成果标明，本文所提出的具有软硬件结合特性新办法具有快速体系原型完结的才能，并且经过引进实践信道进行仿真，可以防止杂乱的信道建模进程，直接树立更准确的通讯体系模型，进步对体系剖析的速度和准确性，并可以依据仿真剖析成果进行体系各部分的联合规划和优化。
该办法适用于对通讯协议规范及全体体系有定制化需求、针对的传输环境较杂乱的无线通讯体系的研讨开发，有助于削减体系开发后期的迭代进程，缩短体系的研制周期。
