CN103888458A - 一种基于usrp n200的点到点无线传输实现优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方法，通过优化数据帧结构，提高软件无线电点对点通信的正确率。对信源以及数据帧的调整，使得传输在满足USRPN200最大处理速率的同时，实现了不限制的大小的多种格式文件的传输。传输的实用性需要稳定的可靠性作为保障。考虑到信道建立初期稳定性无法保证，为提高传输可靠性，本发明对传输过程做了修改。在接收开始和结束时加入了随机比特流和前导码，经多次验证，可靠性得到了明显提高。

Description

一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方案，属于软件无线电信息传输技术领域。

背景技术

无线通信技术的快速发展给人们生活带来方便的同时，由于多种通信体制并存、通信标准层出不穷对实现不同通信***的兼容和继承造成了困难。不同通信标准由于射频载波频率和调制方式不同而限制了各种硬件设备的互通和兼容，造成了不必要的重复投入和资源浪费。而软件无线电技术(SDR)能够从根本上解决这些问题。其基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件加载实现各种无线电通信功能(如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式和通信协议等)，其核心是：集中使用宽带A/D、D/A转换器并尽可能地靠近天线；无线电功能尽可能地通过软件来实现，是硬件向软件转化的又一次新变革。所有电台都基于同一个通用硬件平台，通过安装不同的软件模块，利用软件升级或版本更迭来实现通信设备的更新换代和新老电台之间的兼容，以达成互通。

GNURadio3.5.0平台的现有源码benchmark实现了两台USRP终端的基本通信，能够传输一些简单的字符，而接收端能够对发送信号进行检测并且能够显示出传输过程中数据包的接收状态，‘ok=True’或者‘ok=False’，相对应的分别为接收正确和接收错误，据此可统计得到最终传输的丢包率，以辅助判定接收效果并对比性能。然而，现有源码无法传输文本、图片等大小不一的文件，并且无法适用于较大文件传输。除此之外，经多次实验表明，其传输稳定性无法保证，传输效果时好时坏，严重时可发生一连串的丢包现象，不利于实际传输应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方法，在软件无线电思想下，将传统的通信在通用硬件平台USRP N200上通过软件编程来实现，可根据不同的通信环境选择不同的编码或者调制方式，还可以根据需要选择设备支持范围内的任意频点进行用户间的通信，解决了现有通信***各个版本间不能兼容的问题，通过优化数据帧结构、调整发送模式，可达到提高软件无线电点对点通信正确率的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方法，具体过程如下：

步骤一、将需要传输的多媒体文件数据转化为比特流，并进一步打包成数据帧，调制后送至射频前端发送；射频前端首先发送一组无关比特或者空比特，然后发送导码，在导码发送完毕后，开始传输所需传输的多媒体数据；

步骤二、接收端检测到有数据传输时开始接收，但对于导码之前的一组无关比特或者空比特不予保存，对在导码之后发送的多媒体数据进行保存；

步骤三、射频前端在有效的多媒体数据发送完毕后继续发送第二组无关比特或者空比特，同时接收端也照常接收，但不予写入文件，直至接收完毕。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤一中将需要传输的多媒体文件数据转化为比特流的具体方法如下：

使用python提供的open()工具将文件比特流化，在射频前端根据需要传输的多媒体文件数据的大小调整read()函数参数，在接收端加入相对应的write()模块，调用read()函数读入需要传输的多媒体文件数据并进行处理。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤一中多媒体文件数据打包形成的数据帧，其具体结构包括：前同步码、接入码、报头、白化器、有效数据、循环冗余校验码和结束位，其中，所述有效数据包括所需传输的多媒体文件数据信息和2bytes的数据包编号信息。

作为本发明的进一步优选方案，调用read()函数读入需要传输的多媒体文件数据时，先对所述多媒体文件进行分段。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本方案中优化了数据帧结构，改善了数据传输模式，有效提高了***的可靠性，能够较好的实现数据的有效正确传输。

附图说明

图1是USRP终端发送端多媒体数据发送流程图。

图2是USRP终端接收端多媒体数据接收流程图。

图3是本发明中数据帧格式示意图。

图4是本发明的***框图。

具体实施方式

本发明涉及软件无线电，在使用软件无线电的前提下，通过优化数据帧结构，提高软件无线电点对点通信的正确率。对信源以及数据帧的调整，使得传输在满足USRP N200最大处理速率的同时，实现了不限制的大小的多种格式文件的传输。传输的实用性需要稳定的可靠性作为保障。考虑到信道建立初期稳定性无法保证，为提高传输可靠性，本发明对传输过程做了修改。在接收开始和结束时加入了随机比特流和前导码，经多次验证，可靠性得到了明显提高。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

通信双方在相同的频点和码率下可以进行数据传输通信。USRP终端发送端多媒体数据发送流程图如图1所示，在发送端，由程序对多媒体文件的读取从而得到比特流，并将读取的数据按数据帧格式要求打包成数据帧，调制后送至射频前端发送。考虑到需要传输的文件远大于设备所支持的最大数据长度([0，4096]bits内)，因此在对文件进行读取处理时，需要选择合理的长度对文件进行分段读取。由于信道的不稳定性，加之数据传输中不可避免的时延，可能会加大传输中的丢包率，对数据的正确有效传输和文件的恢复造成严重影响，严重时可能完全无法有效接受文件数据。经过实践发现，信道在传输开始和结束时最不稳定，变化较为激烈，此时的丢包率会大大高于稳定传输时的丢包率，因此，发明中采用了一定的处理手段有效减小了这一影响。即在发送有效数据前，将一定数量的无关比特或者空比特送至射频前端进行发送，这一改动是为了巧妙避开信道短暂不稳定时期，故不需要信道估计，导码在这儿起到同步作用，告知接收端从导码开始为所需传输的多媒体数据。待发送完毕时，信道基本稳定，即可开始传输所需传输的多媒体数据，而接收端在检测到该频点有数据传输时也会开始接收，但对于先前的一定数量的无关比特或者空比特不予保存(即写入)，而是将此后发送的有效数据进行保存。这样做的好处在于在发送完该一定数目的无用数据后，信道已经相对稳定，此时***的丢包率相对较低，有利于数据的有效传输。

USRP终端接收端多媒体数据接收流程图如图2所示，在接收端，存在同样的问题，即接收完毕时信道特性不稳定，对接收工作造成影响，因此，类似的也需要做相关处理，以提高传输正确率。在有效数据接收完毕时，并不是立刻终止***，而是让发送端继续发送无关比特流，同时接收端也照常接收，但不予写入文件，待接收完毕时，一般情况可有效接收恢复原文件，接收正确率相对有所提高。

本发明中数据帧格式示意图如图3所示，各部分功能具体如下：

1.前同步码(Preamble)：长度为2bytes，使收发双方实现同步。

2.接入码(Access Code)：接入码用于接收机做相关运算，长度为8bytes。接入码实现了相关捕获，当出现相关峰值，则视该数据包为有效包，并将接下来的比特流做后续处理。

3.报头(Header)：报头包含有效数据(Payload)和循环校验信息的长度信息，长度为4bytes。

4.白化器(Whitener Offset)：       白化器是一个15位的线性反馈移位寄存器，用来白化Payload以预防相位错误。

5.有效数据(Payload)：有效数据包含所需传输数据信息和2bytes的数据包编号信息。

6．循环冗余校验码(CRC-32)： CRC校验实用程序库在数据存储和数据通讯领域，为了保证数据的正确，就不得不采用检错的手段。在诸多检错手段中，CRC是最著名的一种。CRC的全称是循环冗余校验，其特点是:检错能力极强，开销小，易于用编码器及检测电路实现。从其检错能力来看，它所不能发现的错误的几率仅为0.0047%以下。从性能上和开销上考虑，均远远优于奇偶校验及算术和校验等方式。因而，在数据存储和数据通讯领域，CRC无处不在。

7．结束位：结束位以'\x55'为标志。

本发明是在gnuradio3.5.0平台现有源码benchmark的基础上进行改进实现的。相应的***框图如图2所示，改进如下：

第一，本发明旨在实现无线传输文本、图片等格式文件，需先将文件转换成比特流作为信源进行传输。这里我们使用python提供的open()工具来实现将文件比特流化，然后在调用read()函数读入到***中进行处理。考虑到USRP N200每次最大能处理的比特数为4096bits，因此在设置read()函数参数时可根据文件大小做适当调整，对较大文件而言，每次读取比特数太少会延长整体传输时间，应当设置相对较大的参数以缩短传输时间，对于较小的文件也不宜将此参数设置过大，否则如果产生丢包容易导致丢失大量信息而不能正确恢复原文件。同样在接收端只需要加入相对应的write()模块即可。

第二，多次实验显示，USRP设备在建立通信最初和结束一小段时间内信道稳定性较差，丢包率相对较高，而且丢包往往是连续的。对于较小的文件而言，所能承受的丢包率也低于大文件，否则恢复原文件很困难。为了解决上述问题，设计中加入了一定数量的前导码，前导码由随机比特流和同步码组成，随机比特流的数据原本不属于发送文件，因此被接收端检测并接收后并不写入接收文件中，本文中将随机比特流部分设置为全0。同步码用于告诉接收端接下来接收到的数据是原文件中的数据，应当写入接收文档中。这样处理的好处在于，发送一定数目的随机比特流可巧妙避免需要发送的数据产生过多丢包，也就是说，在建立通信信道传输随即比特流时虽然丢包严重，并不影响接下来文件的传输，相反，在随机比特流传输结束时信道已基本稳定，有利于数据的正确接收。同样，在发送结束时，人为加入了一些随机比特流，以削弱或消除信道突然变化导致的连续丢包现象。最终实践表明此方案能够较好的保证传输可靠性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方法，其特征在于，具体过程如下：

步骤一、将需要传输的多媒体文件数据转化为比特流，并进一步打包成数据帧，调制后送至射频前端发送；射频前端首先发送一组无关比特或者空比特，然后发送导码，在导码发送完毕后，开始传输所需传输的多媒体数据；

步骤二、接收端检测到有数据传输时开始接收，但对于导码之前的一组无关比特或者空比特不予保存，对在导码之后发送的多媒体数据进行保存；

步骤三、射频前端在有效的多媒体数据发送完毕后继续发送第二组无关比特或者空比特，同时接收端也照常接收，但不予写入文件，直至接收完毕。

2.如权利要求1所述的一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方法，其特征在于，所述步骤一中将需要传输的多媒体文件数据转化为比特流的具体方法如下：

使用python提供的open()工具将文件比特流化，在射频前端根据需要传输的多媒体文件数据的大小调整read()函数参数，在接收端加入相对应的write()模块，调用read()函数读入需要传输的多媒体文件数据并进行处理。

3.如权利要求1所述的一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方法，其特征在于，所述步骤一中多媒体文件数据打包形成的数据帧，其具体结构包括：前同步码、接入码、报头、白化器、有效数据、循环冗余校验码和结束位，其中，所述有效数据包括所需传输的多媒体文件数据信息和2bytes的数据包编号信息。

4.如权利要求2所述的一种基于USRP N200的点到点无线传输实现优化方法，其特征在于：调用read()函数读入需要传输的多媒体文件数据时，先对所述多媒体文件进行分段。

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