李成福，盧選民，張輝棟，楊 杰

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

基于USRP的網(wǎng)絡(luò)編碼視頻傳輸研究與設(shè)計

李成福，盧選民，張輝棟，楊 杰

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼理論及其應(yīng)用是當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),但是真實(shí)場景下的實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)還很少見。文通過USRP+PC軟件無線電平臺在無線雙向中繼網(wǎng)絡(luò)場景下，實(shí)現(xiàn)了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼視頻傳輸?shù)墓δ?。仿真結(jié)果表明, 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的視頻傳輸和傳統(tǒng)的方式相比，可以有效地提高視頻的傳輸質(zhì)量和效率。

網(wǎng)絡(luò)編碼；無線雙向中繼網(wǎng)絡(luò)；軟件無線電；通用軟件無線電外設(shè)

網(wǎng)絡(luò)編碼是一種融合了路由和編碼的信息交換技術(shù)，它的核心思想是在網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)上對各條信道上收到的信息進(jìn)行線性或者非線性的處理，然后轉(zhuǎn)發(fā)給下游節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)扮演著編碼器或信號處理器的角色。大量理論研究證明，網(wǎng)絡(luò)編碼已成為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、魯棒性、負(fù)載均衡和安全性等的有效方法。

雖然網(wǎng)絡(luò)編碼可以顯著提高通信網(wǎng)絡(luò)單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)吞吐量并且有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，但是目前傳統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施并不支持這種算法，所以當(dāng)前更多地僅局限于理論研究，一些核心關(guān)鍵技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中并沒有得到有效地驗(yàn)證，工程化推進(jìn)不足[1]。因此，工程上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼的仿真驗(yàn)證平臺是一個亟需解決的問題。

近幾年來，隨著通用硬件處理性能的不斷提升，軟件無線電的解決方案和原型平臺也不斷涌現(xiàn)，真正將軟件無線電由理論引入工程實(shí)踐是GNU Radio推出的軟件無線電通信外設(shè)平臺(USRP)解決方案，該方案基于FPGA和DSP 等可編程硬件，實(shí)時性較好且重配置能力得到了很大的提高。因此，文中研究在USRP平臺上實(shí)現(xiàn)無線雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼算法，并驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下視頻傳輸?shù)男阅堋?/p>

1 基于USRP的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型

本系統(tǒng)基于GNU Radio的USRP軟件無線電平臺搭建無線雙向中繼傳輸系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于TDMA方式的網(wǎng)絡(luò)編碼。系統(tǒng)傳輸模型如圖1所示。

圖1 基于USRP的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型Fig. 1 Network transmission model based on USRP

1.1 GNU Radio

GNU Radio由Eric Blossom開發(fā)，用計算機(jī)軟件定義了無線電磁波的發(fā)送和接收方式，從而搭建起無線通信系統(tǒng)[2-3]。因此，現(xiàn)在高性能的無線電設(shè)備中所遇到的數(shù)字調(diào)制問題將變成軟件問題。GNU Radio的編程基于Python腳本語言和C++的混合方式。C++被用于編寫各種信號處理模塊。Python 被用來編寫連接各個block 成為完整的信號處理流程的腳本graph。

1.2 USRP

一套USRP由一塊母板和最多四塊子板構(gòu)成，主板的主要功能是中頻采樣和中頻信號到基帶信號之間的互相轉(zhuǎn)換[4]。子板則負(fù)責(zé)射頻信號的接收發(fā)送以及到中頻信號的轉(zhuǎn)換。USRP從本質(zhì)上講，充當(dāng)了一個無線電通訊系統(tǒng)的數(shù)字基帶和中頻部分。在該系統(tǒng)中，USRP完成模擬信號到數(shù)字中頻信號的轉(zhuǎn)換，其余的信號處理過程均將在GNU Radio中完成。

1.2.1 母 板

USRP母板的主要功能是將處于中頻頻段的模擬信號通過ADC變換為數(shù)字信號，并將得到的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)通過USB接口傳遞給位于計算機(jī)中的軟件處理模塊。

1.2.2 子 板

子板是用來裝載RF接收接口或者調(diào)諧器和射頻發(fā)射機(jī)的。每個子板插槽可以訪問4個高速AD/DA 轉(zhuǎn)換器其中的2個（DAC輸出用于發(fā)送， ADC輸入用于接收），這使得每個使用時（不是正交）采樣的子板有2個獨(dú)立的射頻部分，和2個天線（整個系統(tǒng)一共有4個）。如果使用復(fù)正交采樣，每個子板支持一個單一的射頻部分，整個系統(tǒng)一共2個。通常，我們可以看到每個子板有兩個SMA連接器。通常會使用它們連接輸入或輸出信號。USRP母板上沒有提供抗混疊或重建濾波器，這樣可以在子板頻率規(guī)劃時獲得最大的靈活性。

2 基于USRP的網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)傳輸

2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收

文中設(shè)計的系統(tǒng)平臺中，物理層由發(fā)射機(jī)，接收機(jī)和載波偵聽3部分構(gòu)成，完成由信息比特到基帶波形之間的轉(zhuǎn)換，并通過能量檢測判斷當(dāng)前信道是否空閑。MAC層完成對數(shù)據(jù)打包并加入CRC校驗(yàn)等功能，物理層對MAC層的數(shù)據(jù)包加上包頭信息后進(jìn)行調(diào)制等數(shù)據(jù)處理[5]并發(fā)送給 USRP。物理層收發(fā)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig. 2 Data transmission process

在Mod-pkt中，先經(jīng)過Send-Pkt，完成對數(shù)據(jù)進(jìn)行MAC層打包的過程，對數(shù)據(jù)插入接入碼，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，加入白噪聲等處理后放入消息隊(duì)列，進(jìn)過調(diào)制之后，送到USRP并發(fā)送出去。在調(diào)制器之前都是以消息隊(duì)列的形式，通過Message Queue與MAC層連接起來。而調(diào)制后輸出的數(shù)據(jù)是流圖形式，這種連接方式，使得異步不定長的MAC數(shù)據(jù)包跟和與系統(tǒng)時鐘“同步的”物理層連接起來。如圖3所示。

接收端從USRP接收過來信號后，經(jīng)過信道濾波器和功率檢測器，當(dāng)接收到的信號的功率大于一定的閾值時，判定接收到的信號是有效信號，并把信號傳給包接收機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)和檢錯等，數(shù)據(jù)輸出是消息隊(duì)列的形式，開啟的多線程Watcher-Pkt負(fù)責(zé)把消息傳回給上面的 MAC層或者應(yīng)用層。對數(shù)據(jù)進(jìn)行MAC打包的過程較為簡單，

圖3 數(shù)據(jù)接收流程Fig. 3 Data reception process

首先對數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)位長度為4字節(jié)。數(shù)據(jù)部分、CRC 校驗(yàn)比特和尾比特（0x55）都被白化處理以使數(shù)據(jù)具有隨機(jī)均勻分布。最后，加上一個 4 字節(jié)的包頭。包頭包含兩個信息：白化參數(shù) 4 比特和數(shù)據(jù)包長度 12 比特。包頭采用了重復(fù)發(fā)送的方法，以增加可靠性。在不定長的Burst前添加一個定長的Preamble（16bit），依靠該 Preamble完成時間同步和頻率同步，加上64比特的Access Code，以便接收端完成數(shù)據(jù)解幀。到此，一個完整的MAC 數(shù)據(jù)包就包裝完成，如圖4所示。

圖4 幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)處理Fig. 4 Frame structure and data processing

2.2 基于TDMA的網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)傳輸

如圖5所示，采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的傳輸方案使用3個時隙完成一次傳輸。在時隙1，節(jié)點(diǎn)A將自己的信息發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)R，時隙2，節(jié)點(diǎn)B發(fā)送自己的信息給中繼R，時隙3，中繼檢點(diǎn)對前兩個時隙接收并解碼存儲的信號進(jìn)行異或操作之后按照節(jié)點(diǎn)A和B的編碼方式發(fā)送出去。

圖5 基于TDMA的NC傳輸方案Fig. 5 NC transmission schme based on TDMA

1）節(jié)點(diǎn)A在時隙1向中繼R發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)B在時隙2向中繼R發(fā)送數(shù)據(jù)，中繼節(jié)點(diǎn)R在時隙3向節(jié)點(diǎn)A、B發(fā)送數(shù)據(jù)[6]，如此循環(huán)。

2）中繼節(jié)點(diǎn)R對接收到的節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)解碼，并進(jìn)行異或操作，如果數(shù)據(jù)包的長度不匹配，測將短的數(shù)據(jù)包做補(bǔ)零操作之后再異或。

3）由于USRP自身的特點(diǎn)，在流圖中設(shè)置發(fā)送一定時間，但是實(shí)際中數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡發(fā)送給USRP并最終發(fā)送出去需要的時間大于該時隙長度，所以設(shè)置了一定的保護(hù)帶寬。

3 仿真測試與結(jié)果分析

由于傳輸過程中，3個節(jié)點(diǎn)之間的時間同步方法是將3臺機(jī)器同步到互聯(lián)網(wǎng)時間，精度較差，所以在實(shí)驗(yàn)中每個時隙設(shè)置的保護(hù)帶寬很寬，每個時隙設(shè)置一半的時間作為有效傳輸時間，使用1Mbps的傳輸速率時，節(jié)點(diǎn) A和節(jié)點(diǎn) B交換4 M 字節(jié)大小的文件時，通過計算，不使用NC編碼處理時，一個周期占用4個時隙，而在這 4個時隙中，有效時隙相當(dāng)于1個時隙，而這 1個時隙中還要去掉保護(hù)時隙所占用的時間，因此傳輸速率大約為128 Kbps，需要的傳輸時間為 256 s。如果采用NC編碼處理時，一個周期需要3個時隙，其他參數(shù)類似于不采用NC編碼處理的傳輸方案，因此，通過計算可得傳輸4M字節(jié)文件需要的時間為192 s。網(wǎng)絡(luò)編碼視頻傳輸性能對比如表1所示。

表1 NC視頻傳輸性能對比Tab.1 Performance contrast of NC video transmission

在上述的雙向中繼傳輸系統(tǒng)中，使用TDMA方式傳輸一段視頻，通過比較加入網(wǎng)絡(luò)編碼和不加入網(wǎng)絡(luò)編碼的視頻傳輸效果，即節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B分別通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)一段視頻給對方，并實(shí)時播放對方發(fā)過來的視頻，對傳輸視頻的質(zhì)量做一個定性的直觀對比，如圖6所示，傳統(tǒng)的傳輸方式下，實(shí)時視頻的傳輸會較不連貫，但是加入網(wǎng)絡(luò)編碼之后，視頻的質(zhì)量相對較好，如圖7所示。

圖6 未使用網(wǎng)絡(luò)編碼算法的視頻傳輸Fig. 6 Video transmission without network coding algorithm

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與不采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的傳統(tǒng)傳輸方案相比，該方案對系統(tǒng)的吞吐量增益可以達(dá)到25%。通過傳輸并實(shí)時播放相同的一段視頻，網(wǎng)絡(luò)編碼方案中視頻播放更加流暢，質(zhì)量較好，由此驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)編碼在提升系統(tǒng)吞吐量方面有較大的優(yōu)勢。

圖7 使用網(wǎng)絡(luò)編碼算法的視頻傳輸Fig. 7 Video transmission with network coding algorithm

4 結(jié)束語

文中提出了一種在USRP平臺上通過網(wǎng)絡(luò)編碼算法[8]實(shí)現(xiàn)視頻傳輸?shù)姆桨福⑼ㄟ^實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用網(wǎng)絡(luò)編碼算法后可以有效地提高視頻的傳輸質(zhì)量和效率。

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Network coding video transmission research and design based on USRP

LI Cheng-fu, LU Xuan-min, ZHANG Hui-dong, YANG Jie
（School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an, 710129,China）

Theories on Physical-layer Network Coding and its application are a hotspot in current research.However,the real situations of experimental platform construction is still very rare.This paper realized the function of the physical layer network coding video transmission by using the USRP + PC software radio platform in wireless two-way relay network scenario.According to the simulation result, application of network coding of video transmission compared with the traditional way, can effectively improve the quality of video transmission and efficiency.

physical layer network coding; wireless cooperative relay network; software Defined radio; USRP

TN91

A

1674-6236(2014)03-0056-03

2013–06–18 稿件編號：201306109

2011年西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(GBKY1007)

李成福(1984—)，男，青海平安人，碩士研究生。研究方向：網(wǎng)絡(luò)編碼、下一代網(wǎng)絡(luò)。