通信与网络中的基于GNURadio和USRP的无线通信系统建模仿真_hackrfgnuradio资源-CSDN文库

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通信与网络中的基于通信与网络中的基于GNU Radio 和和USRP 的无线通信系统建的无线通信系统建

模仿真模仿真

摘要：针对无线通信环境的复杂特性，为了实现无线通信系统快速准确的建模仿真，应用GNU Radio和USRP组

成的软件无线电系统作为新的建模仿真方法。　　本文介绍并分析该方法的软件特性和硬件架构，进行MPSK

调制系统在仿真信道和实际信道下链路模型的误码率对比实验，并在包含实际无线信道的链路模型基础上，设

计并实现了一套无线视频流传输原型系统。分析和实验结果表明，新方法能够快速实现无线通信系统原型，将

实际无线信道纳入系统模型中，从而获得更准确的仿真和分析结果。该方法适用于对通信协议标准及系统有定

制化需求、针对传输环境复杂的无线通信系统研究开发。　　0 引言　　无线通信技术正处在飞速发展的

　　摘要：针对无线通信环境的复杂特性，为了实现无线通信系统快速准确的建模仿真，应用　　摘要：针对无线通信环境的复杂特性，为了实现无线通信系统快速准确的建模仿真，应用GNU Radio和和USRP组成的软组成的软

件无线电系统作为新的建模仿真方法。件无线电系统作为新的建模仿真方法。

　　本文介绍并分析该方法的软件特性和硬件架构，进行MPSK调制系统在仿真信道和实际信道下链路模型的误码率对比实

验，并在包含实际无线信道的链路模型基础上，设计并实现了一套无线视频流传输原型系统。分析和实验结果表明，新方法能

够快速实现无线通信系统原型，将实际无线信道纳入系统模型中，从而获得更准确的仿真和分析结果。该方法适用于对通信协

议标准及系统有定制化需求、针对传输环境复杂的无线通信系统研究开发。

　　0 引言

　　无线通信技术正处在飞速发展的阶段，并开始广泛运用于个人、商业、军事等多个领域。随着无线通信系统复杂度的日益

上升，使用传统的分析方法来评估和设计无线通信系统已经变得十分困难；采用硬件原型测试的方法由于实现成本高、难度

大，往往在系统开发的后期才能得以实现；以软件为基础的建模仿真方法则能够使研究和开发人员在花费较少的人力和财力的

情况下，获得接近真实系统的评估能力，因此成为了通信系统开发前期主要的设计和验证手段。目前，无线通信系统的建模仿

真主要通过Matlab Simulink,SystemView,SPW等软件实现。但对于特性变化快、易受干扰的无线传输环境来说，上述基于纯

软件的建模仿真手段难以对系统实现快速和准确的测试、分析和评估。

　　本文提出将软件无线电开发平台GNU Radio和通用软件无线电外设USRP（Universal Software Radio Pe-ripheral）组成

的软件无线电系统用于无线通信系统的建模仿真，首先分析了该系统的软件特性和硬件结构；随后对MPSK 调制系统分别建

立基于仿真信道和实际信道的通信链路模型，进行误码率测试的对比实验，验证该方法将实际无线信道纳入系统仿真中的可行

性；最后在采用实际信道的链路模型基础上，进一步设计并实现了无线视频流传输原型系统，能够通过无线方式实现视频流传

输。分析和实验结果表明相对于常用的软件建模仿真手段，软硬件结合的新方法能够快速实现系统原型，将特性复杂、仿真困

难的实际无线信道纳入系统仿真模型中。

　　1 GNU Radio 和USRP组成的软件无线电系统

　　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。这一概念的提出和发展是针对于无线通信领域出现的多种体系并

存、标准间竞争激烈的局面。软件无线电的架构体系突破了无线通信系统以专用硬件为核心的传统设计模式，通过将宽带的

AD和DA器件尽可能地靠近射频天线，尽早地将获得的模拟信号转换成数字信号，并以通用硬件作为基本平台，尽可能多地由

通用处理器上的软件实现无线及通信功能，以实现无线通信系统的可升级和可重配置。将软件无线电技术应用于无线通信系统

的建模仿真，能够发挥其架构灵活、开放、软硬件结合、多层次协同的特性，解决传统软件工具存在的一些局限。

　　软件无线电发展至今，已有多套开源及商业系统可用于原型设计及通信系统研究，如微软研究院推出的Sora 系统、弗吉

尼亚理工大学的OSSIE（Open SourceSCA Implementation Embedded）项目等。其中，开源无线电软件GNU Radio和通用

软件无线电外设USRP组成一套基于PC的软件无线电系统，是适用于无线通信系统建模仿真的较好的解决方案。

　　1.2 GNU Radio的软件特性

　　GNU Radio 是基于软件无线电思想开发的开源平台，运行在Linux 系统上，遵循GNU 的GPL（GeneralPublic License）

条款分发。作为一个软件无线电开发平台，GNU Radio具有很强的可重构性。通过它所提供的多种实用的信号处理模块和将

这些信号处理模块连接起来的流图机制，可以建立起不同的通信链路模型，满足不同类型通信系统的需要。GNU Radio 主要

用于通信链路的建模和仿真，其标准库十分丰富，覆盖了调制解调、信源编/解码、信道编/解码、多址接入、均衡、同步、滤

波器设计、小波分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，能够方便、快速地

建立起链路级系统的模型。同时，出于运行效率的考虑，GNU Radio采用了数据通道和控制通道分离的两级设计，其中C++用

于描述需要较高运行效率的信号处理模块，Python则用于模块之间的配置和连接。

　　由于GNU Radio 采用了通用的编程语言Python 作为专门的控制通道，代替了单一的模块连接机制，这样除了能够对信号

处理模块进行更方便地配置和管理之外，借助Python的灵活特性，还能实现在通信链路的上层建立网络模型，进行整个通信

协议的定制和设计，甚至与应用程序进行直接交互。这使得在GNU Radio中实现跨层次设计和联合优化成为可能。

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