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(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，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(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)了自動請求重傳（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，自動請求重傳ARQ是在丟失數(shù)據(jù)幀或接收到錯誤數(shù)據(jù)幀時通過重傳來提升數(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實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)相對較復(fù)雜；HARQ-CC和HARQ-IR協(xié)議雖然性能很好，但是實現(xiàn)復(fù)雜度高。同時，文獻[4]對回退N幀ARQ協(xié)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(shè)USRP（Universal Software Radio Peripheral）是由Matt Ettus開發(fā)、為GNURadio打造的硬件平臺，具有架構(gòu)靈活、開放、軟硬件結(jié)合、多層次協(xié)同的特性。該平臺擁有射頻前端，完成射頻信號的發(fā)送與接收和A/D轉(zhuǎn)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(shù)字信號的處理，進而實現(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大的交互性。將USRP與LabVIEW結(jié)合，能夠克服固化試驗箱可擴展性差、軟件仿真結(jié)果不客觀等傳統(tǒng)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(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驗平臺搭建[9]和分布式寬帶頻譜快速感知系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)研究方面的應(yīng)用非常廣泛。

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

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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臺干擾機和1對節(jié)點A、B組成，其中干擾機、節(jié)點A、節(jié)點B分別由1臺PC機和1臺NI USRP2920模擬。節(jié)點A與節(jié)點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。另外，為了驗證選擇重傳協(xié)議的有效性，專門設(shè)計了干擾機。干擾機可以實現(xiàn)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(fā)機結(jié)構(gòu)組成

基于LabVIEW和USRP的無線電平臺示意圖，如圖1所示。節(jié)點A和節(jié)點B均包含發(fā)信機和收信機，且兩個用戶的收發(fā)機對稱，故此處只介紹節(jié)點A。它的收發(fā)機結(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所示的幀格式對比特流進行分割、組包封裝，然后進行脈沖成型濾波、QPSK調(diào)制，最后通過USRP進行射頻發(fā)送。在信號接收端，將接收到的波形數(shù)據(jù)進行分包處理（去除直流分量，并通過相關(guān)運算檢測出每個數(shù)據(jù)包的對應(yīng)位置，分離出數(shù)據(jù)包），并對提取的數(shù)據(jù)包進行重采樣、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A中收發(fā)機結(jié)構(gòu)組成及數(shù)據(jù)處理流程

1.2 幀格式設(shè)計

對于數(shù)據(jù)量較大的業(yè)務(wù)（如圖片、視頻等），需要將數(shù)據(jù)進行分割，分多次傳輸。同時，為了接收端數(shù)據(jù)包的準確檢測，需要對數(shù)據(jù)包的格式進行設(shè)計。本系統(tǒng)中，發(fā)送端將數(shù)據(jù)比特流進行拆分、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

2 選擇重傳ARQ原理及系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

選擇重傳ARQ的工作原理[12]在于：節(jié)點A在發(fā)送窗口內(nèi)順序發(fā)送數(shù)據(jù)包，節(jié)點B在接收窗口內(nèi)順序接收數(shù)據(jù)包；當節(jié)點B接收到的數(shù)據(jù)包存在丟包或者錯包時，反饋重傳ACK到節(jié)點A；節(jié)點A根據(jù)接收到的ACK，選擇要發(fā)送的數(shù)據(jù)包；當接收窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)包均已成功接收時，窗口向后滑動到新的位置，繼續(xù)傳輸。

選擇重傳ARQ的設(shè)計流程，如圖4所示。節(jié)點A在頻點fDATA上發(fā)送數(shù)據(jù)；節(jié)點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，每隔一段時間計算丟失的數(shù)據(jù)包序號i，在fACK頻點上連續(xù)發(fā)送攜帶重傳包序號Nr的ACK，其中Nr=i；當節(jié)點A接收到ACK時，提取重傳包序號Ns，并發(fā)送對應(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)計流程

選擇重傳ARQ系統(tǒng)中節(jié)點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A循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時循環(huán)接收ACK；

步驟2：節(jié)點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A，

步驟3：節(jié)點A繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，此時接收到重傳ACK，則插隊發(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B循環(huán)接收數(shù)據(jù)包，計算需要重傳的包序號，并返回重傳ACK包；

步驟5：節(jié)點A循環(huán)執(zhí)行步驟3，節(jié)點B循環(huán)執(zhí)行步驟4。

圖5 選擇重傳ARQ系統(tǒng)運行過程

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)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(shù)據(jù)傳輸）系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)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(jié)點A、B和干擾機。節(jié)點A、B的工作方式為全雙工，即均處于同時發(fā)送和接收狀態(tài)。

圖6 仿真實物

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A向節(jié)點B發(fā)送一幅大小為5.18 Mb的圖片，經(jīng)過組幀后，實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量約為7.45 Mb。節(jié)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(nèi)需要重傳的數(shù)據(jù)包序號。節(jié)點B向節(jié)點A傳輸攜帶重傳數(shù)據(jù)包序號的重傳ACK，并發(fā)送給節(jié)點A。圖7為節(jié)點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A若接收到重傳ACK，則獲取需要重傳的數(shù)據(jù)包，并插隊發(fā)送重傳數(shù)據(jù)包；否則，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果

干擾機可以產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)感知到的掃頻干擾信號，如圖8所示?？梢钥闯?，此時干擾中心頻點在700 MHz。

節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。在無干擾時，不存在數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。當人為產(chǎn)生干擾信號時，節(jié)點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為接收到的實際的時域波形圖，5為每包的起止對應(yīng)位置，6為接收端恢復(fù)的原始圖像。由于當前信道被掃頻信號干擾，數(shù)據(jù)包接收不完整，導致無法正確解調(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。可以看出，啟用ACK反饋回路后，成功克服了數(shù)據(jù)的丟包和錯誤傳輸，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(tǒng)性能，定義丟包率PLR（Packet Loss Rate）和成功傳輸速率STS（Success Transmission Speed）兩個性能指標。

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為接收總時間，從開始接收到信號時計時。

對于選擇重傳系統(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，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?？梢姡瑢嶒灲Y(jié)果驗證了選擇重傳ARQ可以降低丟包率，提高圖像傳輸?shù)臏蚀_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)開始運行階段，成功接收的有效數(shù)據(jù)包數(shù)Rvpn較小，導致丟失包數(shù)所占比例即丟包率較大；隨著程序運行，丟失的包數(shù)成倍增長，接收有效包數(shù)的增長速率大于丟失包數(shù)的增長速率，故丟包率呈現(xiàn)下降趨勢，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(shù)據(jù)包被重傳回節(jié)點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(huán)境中，本系統(tǒng)可以對丟失和傳輸錯誤的數(shù)據(jù)進行有效重傳，實現(xiàn)了差錯控制，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。但是作為衡量通信系統(tǒng)的兩個重要指標，可靠性與有效性是此消彼長的關(guān)系。采用ARQ提高系統(tǒng)的可靠性，會相應(yīng)犧牲系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)的吞吐量。因此，實際應(yīng)用中需具體問題具體分析。

4 結(jié) 語

本文在對選擇重傳ARQ協(xié)議深入研究的基礎(chǔ)上，充分利用NI USRP軟件無線電平臺可重構(gòu)、靈活易操作的特點，將選擇重傳協(xié)議與實際的軟件無線電平臺相結(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)過多次實驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，驗證了選擇重傳協(xié)議可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在本文基礎(chǔ)上，課題組下一步將擬開展智能抗干擾、擴頻、頻譜預(yù)測等課題研究。

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