基于USRP和选择重传协议的数据传输系统设计与实现*

孔利君，徐煜华，陈学强，赵丽屏，周晓兰

（1.中国人民解放军陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.通信网信息传输与分发技术重点实验室，石家庄 河北 050081；3.南京电讯技术研究所，江苏 南京 210007；4.训练管理部通信站指挥自动化工作站，北京 100851）

0 引 言

实际的无线通信过程中，由于受到衰落、多径传播、多普勒频移等无线通信环境的影响，数据传输的可靠性将无法保证。为此，涌现了自动请求重传（Automatic Repeat-reQuest）、信道编码和交织等技术，以提高无线通信系统的可靠性。其中，自动请求重传ARQ是在丢失数据帧或接收到错误数据帧时通过重传来提升数据可靠性。目前，已有的经典ARQ方式有停止等待ARQ、回退N帧ARQ和选择重传ARQ等。此外，还有混合ARQ[1]、HARQ-CC和HARQ-IR等重传协议[2-3]。其中，停止等待ARQ和回退N帧ARQ实现简单，但停止等待ARQ的传输时延大、传输效率低，而回退N帧ARQ对频谱资源浪费严重；选择重传ARQ只重传错误或丢失的数据帧，以较小的吞吐量牺牲为代价换来了成功率性能的提高，实现相对较复杂；HARQ-CC和HARQ-IR协议虽然性能很好，但是实现复杂度高。同时，文献[4]对回退N帧ARQ协议在Simulink上进行了软件仿真，分析了其吞吐量和误码率性能。

通用软件无线电外设USRP（Universal Software Radio Peripheral）是由Matt Ettus开发、为GNURadio打造的硬件平台，具有架构灵活、开放、软硬件结合、多层次协同的特性。该平台拥有射频前端，完成射频信号的发送与接收和A/D转换功能，并通过与上位机/主控计算机连接，在上位机/主控计算机中完成对数字信号的处理，进而实现通信系统中的数字基带传输功能。LabVIEW是一款可以与USRP配合使用的虚拟仪器开发软件，具有灵活的用户界面和强大的交互性。将USRP与LabVIEW结合，能够克服固化试验箱可扩展性差、软件仿真结果不客观等传统通信实验仿真方法的种种局限。目前，USRP软件无线电平台主要应用在无线电收发系统的建模仿真[5-8]、变换域通信抗干扰实验平台搭建[9]和分布式宽带频谱快速感知系统设计与方法研究[10-11]等方面。可见，USRP软件无线电平台在通信系统研究方面的应用非常广泛。

由于USRP软件无线电平台具有强大的可重构性和灵活易操作性，所以可以将其作为演示平台用于无线通信系统的实验研究。本文设计将选择重传ARQ协议与USRP软件无线电平台相结合，搭建实际的无线通信系统，以验证在USRP平台实现ARQ协议的可行性。

1 系统总体设计

基于选择重传的无线数据传输系统框图，如图1所示。该系统由1台干扰机和1对节点A、B组成，其中干扰机、节点A、节点B分别由1台PC机和1台NI USRP2920模拟。节点A与节点B采用全双工工作方式，在信道fDATA上传输数据，在信道fACK上传输ACK信号。另外，为了验证选择重传协议的有效性，专门设计了干扰机。干扰机可以实现扫频、梳状和随机等模式的干扰信号。

图1 基于LabVIEW和USRP的无线电平台

1.1 用户收发机结构组成

基于LabVIEW和USRP的无线电平台示意图，如图1所示。节点A和节点B均包含发信机和收信机，且两个用户的收发机对称，故此处只介绍节点A。它的收发机结构组成和数据传输处理流程如图2所示。在信号发送端，将需要发送的业务消息（如图片、文本、视频等）转化为比特流，并根据如图3所示的帧格式对比特流进行分割、组包封装，然后进行脉冲成型滤波、QPSK调制，最后通过USRP进行射频发送。在信号接收端，将接收到的波形数据进行分包处理（去除直流分量，并通过相关运算检测出每个数据包的对应位置，分离出数据包），并对提取的数据包进行重采样、QPSK解调恢复出比特流，经过数据包有效性检验后，重构数据并转换格式，然后输出并显示业务数据。

图2 节点A中收发机结构组成及数据处理流程

1.2 帧格式设计

对于数据量较大的业务（如图片、视频等），需要将数据进行分割，分多次传输。同时，为了接收端数据包的准确检测，需要对数据包的格式进行设计。本系统中，发送端将数据比特流进行拆分、组帧、封装，构造用于调制传输的数据比特包。封装格式如图3所示，其中各数据域的定义如表1所示。

图3 帧格式

表1 帧格式功能

2 选择重传ARQ原理及系统设计

2.1 设计原理

选择重传ARQ的工作原理[12]在于：节点A在发送窗口内顺序发送数据包，节点B在接收窗口内顺序接收数据包；当节点B接收到的数据包存在丢包或者错包时，反馈重传ACK到节点A；节点A根据接收到的ACK，选择要发送的数据包；当接收窗口内的数据包均已成功接收时，窗口向后滑动到新的位置，继续传输。

选择重传ARQ的设计流程，如图4所示。节点A在频点fDATA上发送数据；节点B循环接收数据后，判断数据包是否正确，并获取接收到的数据包序号，每隔一段时间计算丢失的数据包序号i，在fACK频点上连续发送携带重传包序号Nr的ACK，其中Nr=i；当节点A接收到ACK时，提取重传包序号Ns，并发送对应的数据包，否则继续发送数据包，发送的包序号为Ns=Ns+1。如此循环执行，直到数据包全部成功接收。

图4 选择重传ARQ协议设计流程

选择重传ARQ系统中节点A、B的交互过程，如图5所示。

根据图5，选择重传ARQ的算法步骤解析如下：

步骤1：节点A循环发送数据包，同时循环接收ACK；

步骤2：节点B循环接收到第0至第10帧数据包，其中第3、8帧数据丢失，返回相应的重传ACK帧至节点A，

步骤3：节点A继续发送数据包，此时接收到重传ACK，则插队发送需要重传的数据包，然后继续发送数据包；

步骤4：节点B循环接收数据包，计算需要重传的包序号，并返回重传ACK包；

步骤5：节点A循环执行步骤3，节点B循环执行步骤4。

图5 选择重传ARQ系统运行过程

2.2 系统实现

根据上述设计分析，基于USRP软件无线电平台和LabVIEW软件，搭建了实物仿真（无线数据传输）系统，如图6所示。该系统由3台PC机、3台NI USRP2920组成，每台PC机控制1台NI USRP2920，分别模拟节点A、B和干扰机。节点A、B的工作方式为全双工，即均处于同时发送和接收状态。

图6 仿真实物

仿真参数设置如下：采样速率为1 MSamples/s（传信速率为250 kb/s），载频为700 MHz，ACK的采样速率为400 kSamples/s（传信速率为100 kb/s），载频为800 MHz，发射和接收天线增益均为10 dB，调制方式均采用QPSK调制方式，平方根升余弦滤波器的滚降系数为0.5。节点A向节点B发送一幅大小为5.18 Mb的图片，经过组帧后，实际传输的数据量约为7.45 Mb。节点B每接收一个时隙，时隙长度为= 0 .9 s ，则计算一次时间内需要重传的数据包序号。节点B向节点A传输携带重传数据包序号的重传ACK，并发送给节点A。图7为节点B的LabVIEW程序框图界面，主要包含接收数据帧模块和发送ACK帧模块。节点A若接收到重传ACK，则获取需要重传的数据包，并插队发送重传数据包；否则，继续发送数据包。

3 仿真结果及分析

3.1 仿真结果

干扰机可以产生扫频、梳状和随机模式的干扰信号。下面就以扫频干扰信号场景为例进行介绍。干扰机产生带宽为1 MHz的扫频干扰信号，频率范围为695～705 MHz，以1 MHz为间隔，共11个中心频点。使用宽带快速感知系统感知到的扫频干扰信号，如图8所示。可以看出，此时干扰中心频点在700 MHz。

节点A向节点B发送图像数据。在无干扰时，不存在数据丢失现象。当人为产生干扰信号时，节点B的数据接收情况和图像显示效果，如图9所示。

图7 节点B的LabVIEW程序框图界面

其中，1为成功传输速率曲线，2为丢包率曲线，3为接收端解调的星座图，4为接收到的实际的时域波形图，5为每包的起止对应位置，6为接收端恢复的原始图像。由于当前信道被扫频信号干扰，数据包接收不完整，导致无法正确解调、提取数据，存在丢包现象。

图8 干扰产生模块与频谱感知系统界面

启用选择重传ARQ功能的LabVIEW数据接收情况和图像显示效果，如图10所示。可以看出，启用ACK反馈回路后，成功克服了数据的丢包和错误传输，系统的数据传输效果得到明显改善。

图9 无选择重传时传输效果-干扰条件下

图10 启用选择重传时传输效果-干扰条件下

3.2 性能分析

为了衡量系统性能，定义丢包率PLR（Packet Loss Rate）和成功传输速率STS（Success Transmission Speed）两个性能指标。

数据传输过程中的丢包率PLR为：

式中，Lpn为丢失的数据包数，Rvpn为目前接收的有效数据包数与丢失的数据包数之和。其中，目前接收的有效数据包数是相对于传输的图片数据包而言，不包含重复接收的数据包；丢失的数据包数是目前丢失或传输错误的数据包数。

数据传输过程中的成功传输速率STS为：

图11 丢包率变化曲线

式中，Srbn为成功接收的比特总数，Rt为接收总时间，从开始接收到信号时计时。

对于选择重传系统，在启用选择重传功能和禁用选择重传功能的条件下，分别经过50次重复试验，计算得到传输过程中的丢包率和平均成功传输速率随时间的变化曲线，如图11、图12所示。可见，实验结果验证了选择重传ARQ可以降低丢包率，提高图像传输的准确性。

图12 成功传输速率变化曲线

如图11所示，扫频干扰环境中，禁用选择重传条件下，系统开始运行阶段，成功接收的有效数据包数Rvpn较小，导致丢失包数所占比例即丢包率较大；随着程序运行，丢失的包数成倍增长，接收有效包数的增长速率大于丢失包数的增长速率，故丢包率呈现下降趋势，且逐渐稳定在0.08附近，即系统性能趋于稳定。在启用选择重传的条件下，系统开始运行阶段，由于存在重传时延，导致相对禁用重传条件下的丢包率较大；随着程序运行，丢包率逐渐降低且逐渐趋于0，表明丢失的数据包被重传回节点B，确保了整幅图片数据的完整性，提高了数据的可靠性。

如图12所示，在扫频干扰环境中，启用选择重传的条件下，成功传输的速率趋于190 kb/s，禁用选择重传条件下趋于210 kb/s，说明启用选择重传协议的数据传输速率会有一定程度的下降。

通过性能曲线和实际传输效果的对比可以看出，干扰环境中，本系统可以对丢失和传输错误的数据进行有效重传，实现了差错控制，提高了数据传输的可靠性。但是作为衡量通信系统的两个重要指标，可靠性与有效性是此消彼长的关系。采用ARQ提高系统的可靠性，会相应牺牲系统的效率，降低系统的吞吐量。因此，实际应用中需具体问题具体分析。

4 结 语

本文在对选择重传ARQ协议深入研究的基础上，充分利用NI USRP软件无线电平台可重构、灵活易操作的特点，将选择重传协议与实际的软件无线电平台相结合，搭建了基于选择重传ARQ协议的无线数据传输系统。经过多次实验，系统运行稳定、可靠，验证了选择重传协议可以有效提高数据传输的可靠性。在本文基础上，课题组下一步将拟开展智能抗干扰、扩频、频谱预测等课题研究。

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