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基于USRP2设备与GNURadio软件的软件定义无线电中OFDM的实验研究
LeChungTran,DucToanNguyen,FarzadSafaei,andPeterJames Vial SchoolofElectrical,Computer,andTelecommunicationsEngineeringUniversityofWollongong,NSW2522,Australia
摘要——正交频分复用已经很好的在理论上进行了仿真，然而OFDM利用实际硬件在软件定义无线电中和理论上的表现会因为不同的信道估计和传播环境而带来很大不同。与传统的纯硬件通信系统相比，伟大的灵活的软件定义无线电系统使得OFDM通信系统实现起来更加简便。本文研制出了一种基于GNURadio和USRP2的定制化的实验平台来测试在高斯白噪声信道和瑞利衰落信道中OFDM通信系统的容错率。三种不同信道的内插技术，分别名为线性内插、二阶内插、三次样条插值在我们的信噪比估计也在本论文中测试过。结果和我们的直觉不太一致，线性信道内插在某些情况下并不简单，但是也比另外两种内插方式更加精确。最终结果表明，基于软件定义无线电的OFDM测试平台的表现与仿真OFDM平台中的结果相差不大，这就说明此平台可以利用与OFDM系统中其他信号处理的技术中来简化开发流程，而不需要复杂的硬件研发。
关键词——软件定义无线电、USRP2、GNU Radio、正交频分复用、信道估计、信噪比估计
介绍
以提高无线通信性能的许多技术已被提出和验证通过文献中模拟。然而，在实际硬件这些技术的验证是更有挑战性，因为实现在硬件中的系统的消耗大量的时间和精力，并需要高的成本。定义无线电（SDR）方法的软件可以帮助研究人员减少时间，精力和成本在实施的无线系统。在无线系统中SDR的主要思想是把无线电硬件问题转化为大多数信号处理技术软件问题，从而可以通过软件来完成。SDR的这一特点在无线通信的研究和开发提供了极大的灵活性，因为不同的新的先进技术可实现并使用相同的硬件验证。
关于SDR的研究中有几种方法已在其他文献中出现，例如LabVIEW软件和Matlab的 Simulink。然而，开放的GNU软件无线电平台（一个免费的软件工具包，用于构建SDR，用Python编程语言）和开放式通用软件无线电外设（USRP）是在SDR系统中使用的最常见的低成本的软件和硬件。EttusTM研究USRP硬件最初是用来支撑可以实时信号处理的软件GNU Radio。用定制的C 代码，USRP的功能可以很容易地通过USRP硬件驱动和不同的目的被修改。
以上讲到的USRP和GNU Radio的各种优点使我们设计了基于以上软件和硬件的实验平台。基于OFDM的系统已在文献中已经有所实现。这些实验证明，基于OFDM的系统是可以利用软件定义无线电来设计的。然而，这些工作未在不同的现实传播环境的系统中试验，缺乏与不同的信道估计和同步方法系统的性能的比较。
在本文中，以三种不同的信道估计技术基于OFDM的系统已经基于GNU广播软件平台和USRP2硬件设备得到了发展。系统的性能，然后用在不同的现实传播信道不同的信道估计技术进行分析。本文的结构如下。第二节简要介绍GNU Radio的软件平台和硬件USRP2。第三节概述了系统结构。第四部分提出用不同的调制和信道估计技术相关联的基于OFDM的系统。第五部分详细介绍了我们的实验结果和分析。第六节总结全文。
2.GNU平台和USRP2
- GNU Radio软件平台
GNU Radio是一款专门用来开发软件定义无线电系统的开源平台。它提供了大量的信号处理的模块库，也提供了一种基于流图的开发平台。通常，GNU Radio中的模块是基于C 的对连续数据流操作的单元。每个模块包括一组输入和/或输出端口。一个端口接收数据作为数据输入，一个端口作为其输出端口产生数据。比如Source/Sink的模块，它们分别只有输出端口或输入端口。Source用来读取数据，Sink用来存储数据。每一个模块的输入和输出流都具有相关联的缓冲器。一个模块在信号处理的过程中读取缓存中的数据。处理之后，模块在输出数据缓存区中写入数据。数据缓冲区被用来实现在流程图。也就是说，一个模块写缓冲区是上一个模块的读取缓冲区。GNU Radio缓冲器是单写入和多读取的先入先出（FIFO）缓冲器，也就是说一个输出数据流可以连接到一个或多个输入数据的前一个模块。
数据流之间的操作是Python脚本语言控制的。使用Python脚本允许容易重新配置和各种功能和系统的参数的操纵。同样在连接物理射频构建模块来构建硬件收音机，用户可以构建由“连线”共同建设块SDR体系。此功能被称为虚拟连接功能，它指示一个块的输出数据流如何连接到的一个或多个上游块的输入数据流。该流程图机制，然后自动构建流程图。这个过程是对用户隐藏。该流程图机制的主要功能是数据流缓冲区分配连接块。该机制考虑到由块使用的输入和输出数据流的大小，并在其阻断消耗输入（或产生输出）的数据流相关联的数据速率。缓冲区被分配后，它们被链接到适当的块的输入和输出数据流。要执行，GNU收音机提供了一个单一线程调度器遍历顺序所有块的流程图。
- USRP2
USRP是GNU Radio的用于构建SDR系统中最常见的硬件。USRP是由Matt Ettus发现了有利于使SDR系统硬件设备的家庭。每个USRP装置包括两个主要的子设备，一个主板和一个各种可用子板之间，其可发送和/或在不同的频率范围接收信号从0至5.9千兆赫。子板可以很容易地进行交换。这允许USRP到在不同频率工作。主板包括一个板载现场可编程门阵列（FPGA），板上存储器（SDRAM）和一个可移动的存储器（SD卡）。USRP主板的主要目标是模拟中频（IF）信号转换为数字基带信号，反之亦然。注意，RF-IF变换是在子板完成。
在发射路径上，数字信息被发送到由两个高速数字模拟转换器（DAC）转换成模拟信号的FPGA中。在接收路径中，两个高速模拟 - 数字转换器（ADC），在该主板上用于模拟信号转换为数字信号。
在本文中，我们使用的是建立在原有的USRP的第二个版本（USRP2）设备，提供更好的性能和更高的灵活性。 USRP2体系结构及其功能图如图1所示。它的特性是千兆以太网25 Msps的接口相互通信PC，对赛灵思Spartan32000的FPGA，一个1MB的 SDRAM，在100 MSPS，14位，在400 MSPS，16位的安达安全数字（SD），用于装载阅读器2的DAC2ADCs在固件.内部时钟USRP2是一个100 MHz压控振荡器（VCO）用10ppm的标称精度。USRP2also提供了一个外部参考时钟的连接，以及一个脉冲每秒（PPS）计时端口[6]。USRP2提供到作为RF前端子板连接。在我们的测试平台中使用的射频电路板是所述宽带子板WBX，在大范围的工作从50兆赫至2.2千兆赫与30-100毫瓦的典型的发射功率范围。
图1.USRP2数据处理框图
3.系统模型
- 纵观系统
本系统的结构框图如图2所示。该发射机基于一台Ubuntu10.4操作系统的计算机，本设计是通过使用VMware安装的虚拟机;个千兆以太网交换机同步在笔记本电脑和USRP2千兆端口100Mbps的端口;一个USRP2模块与一个WBX子板;和一个工作在300MHz的全向天线。千兆以太网交换机在发送器使用，因为提供了在发射机PC不支持千兆传输。它促进了PC与功能的千兆以太网USRP2模块进行通信。接收机包括一个千兆以太网支持的PC机运行的Ubuntu10.4操作系统;一个USRP2模块与一个WBX子板;和一个工作在300MHz的全向天线。
图二.测试平台整体结构图
像其他通过以太网线连接的设备一样，USRP2也有IP地址，其默认地址魏192.168.2/24之间。在PC上运行的gnuradio该脚本将使用此IP地址来标识所连接的设备USRP2。最好是，PC的千兆以太网接口应该在同一子网内，即192.168.10.x/24的一些IP地址，以避免在笔记本电脑的路由表项定制的必要性。在这个项目中，发射器和接收器PC的IP地址设置为192.168.10.1/24。
- OFDM系统发射端基带信号处理
在我们的测试平台的OFDM发射机的框图给出图3.一种循环冗余码（CRC）附加到信息比特的向量。该位流被分离成M位的组，然后各组被馈送到调制器，然后将其映射到对应的复数符号。调制符号流isdivided成N D的符号组。 N点快速傅立叶逆变换（IFFT）操作应用于每个组，以获得时域OFDM符号。以减少符号间推理（ISI）的数据的连续块之间，N G样本的循环前缀（CP）将在每个块中实现。 USRP的硬件驱动程序（UHD）需要发送时间样本的产生矢量硬件照顾。
图3.OFDM发送端框图
其前导的OFDM符号的结构示于图4.前导包括称为伪随机噪声（PN）序列已知调制符号。前导码允许接收机以获得每一帧，信道状态信息的开始，以及便于信噪比（SNR）的估计。前导码是离线生成，并通过发射器和接收器已知。
图4.OFDM帧结构
- OFDM接收端基带信号的处理
OFDM接收机的框图如图5所示.信号样品从USRP2硬件经由UHD接收，然后输送到一个简单的傅里叶滤波器。经滤波的信号被馈送到同步块，这是Python文件中的OFDM同步.实施在我们的测试平台中，PN同步算法中使用[10]中提出。特别是，OFDM同步块包括两个过程。第一处理是时间同步通过观察信号能量来找到每个帧的开始。第二处理是找到精细频率的帧（这实际上是在比副载波间隔变小）的偏移量。频率偏移被馈送到频率调制器，以产生正比于同步块的频率误差的信号。从信道滤波器块的信号与从频率调制器的信号，以接收到的信号转回来，即校正频率错误混入。
图5. OFDM接收端框图
在大小为N的每个向量的形式同步信号变到FFT模块，所接收的信号转换成频域中传送。输出信号包括数据副载波。每个副载波，根据施加到该子载波的数字调制包含其相位信息。在我们的实验中，所有的数据子载波进行调制用任一BPSK或QPSK调制。
在帧获取块中，载波频率偏移，它是在副载波间隔的倍数的频率误差，可通过观察基于在算法经FFT编的信号的能量的FFT处理后很容易被发现。该模块的输出是每个（不使用副载波已被删除）N D符号矢量。
在我们的测试平台，以在OFDM系统提出比克频域中的最小二乘方（LS）方法基于前导信道估计算法已经以估计信道系数对每个subcarrier.Specifically，我们的改进算法的用途改性线性内插，二阶多项式插值，并且在频域中的三次样条插值，而不是仅仅线性插值如，以估计在奇数子载波的信道系数（没有导频符号在所述前导码的奇数副载波传送的） 。我们还使用提出来计算信噪比，以评估在不同的现实的传播信道的OFDM系统性能的盲SNR估计方法。信道估计和SNR估计的细节在接下来的小节介绍。
- OFDM系统中的信道估计
在这一小节中，在我们的系统中使用的基于前导信道估计算法。据推测，信道状态信息保持在每帧持续时间是静态的。因此信道估计的响应可以通过观看前导序列的正确与否来检测整个帧结构。
如图4所示，一个OFDM帧包括总共8个OFDM码元（1前导码和7个OFDM数据符号）。每个OFDM符号包括64个样品（用于同步24零样品和40个数据样本）和保护间隔的16个样本。前导码符号具有相同的结构，其他的OFDM码元。唯一的区别是，所有的前导副载波被用于信道估计的已知伪噪声（PN）序列，而这些副载波在其他OFDM码元用于数据传输。PN序列仅由plusmn;1在偶数副载波和0在奇数子载波。每个OFDM帧都有一个前导符号。前导序列插值采样的fft模块可以被写成如下的形式：
R(k)=C(k)*H(k) N(k) k=0,hellip;hellip;，N-1 （1）
其中，C（k）位所述前导码中的PN符号，这是众所周知的接收机，H（k）的信道频率响应，和N（k）的噪声样本。在前导的偶数subcarrires信道频率响应的LS估计，表示为，能被表示为如下形式：
k=0,hellip;hellip;，N/2-1 (2)
因为PN序列仅仅由plusmn;1在偶数副载波和0在奇数子载波，对奇数的副载波的信道频率响应必须被内插。线性插值，二阶多项式插补和三次样条插值在我们的测试平台用来估计在奇数子载波的信道频率响应.比如，线性内插有如下的公式：
(3)
(4)
从k=0,hellip;,N/2-2。二阶内插和三阶内插原理与此相同。
- OFDM系统中的信噪比估计
仿真和实际实验中OFDM接收端系统性能区别最大的部分就是信噪比了，在仿真中信噪比是已知的，而实际试验中信噪比是未知的。因此信噪比必须在实际的系统进行估算。SNR的定义事所需的信号功率与噪声功率的比值。最常见的SNR估计算法在频域执行的。OFDM接收端信号经过j阶的FFT和k阶的子载波后可以表示位如下：
(5)
根据前插序列反转，和是已知的。因此瞬时的信噪比psi;在J的间
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