Необходимое аппаратное и программное обеспечение

Чтобы симулировать производительность системы, вам нужно следующее программное обеспечение:

Чтобы измерить производительность системы с помощью радио, вам также нужно следующее оборудование:

и следующее программное обеспечение

Полный список платформ SDR, поддерживаемых Communications Toolbox, см. в разделе «Поддерживаемые аппаратные средства» страницы Программно определяемого радио (SDR).

Введение

Пакетированные беспроводные модемы являются коммуникационными системами, которые передают информацию пакетами, называемыми пакетами, через беспроводной канал. Каждый модем, также называемый узлом, имеет физический слой, где пакеты модулируются, передаются и принимаются в общей полосе частот и демодулируются. Поскольку та же полоса частот используется всеми узлами, для уменьшения потерь пакета из-за столкновений (т.е. одновременных передач) требуется алгоритм управления доступом к среде (MAC). Слой ссылки данных включает подслой MAC и подслой управления логической ссылкой для совместного использования одного и того же канала и обеспечивает ссылку без ошибок между двумя узлами. Слой ссылки данных также называется слоем 2 и находится между слоем сети (слой 3) и физическим слоем (слой 1).

Запуск примера

Пример кода создает три пакетированных объекта узла модема и соединяет их через объект канала. Каждый узел может отправлять пакеты на два других узла. ACKTimeout определяет длительность тайм-аута, прежде чем узел решит, что передача пакета ДАННЫЕ не была успешной. ACKTimeout для обмена DATA-ACK должно быть больше продолжительности поездки в оба конца, что для этого примера составляет 0,21 секунды. Симуляция основана на времени и моделирует полную обработку физического слоя вместе с слоем ссылки данных.

Установите параметры симуляции

runDuration = 10;         % Seconds
numPayloadBits = 19530;   % Bits
packetArrivalRate = 0.2;  % Packets per second
ackTimeOut = 0.25;        % ACK time out in seconds
maxBackoffTime = 10;      % Maximum backoff time in ackTimeOut durations
mMaxDataRetries = 5;      % Maximum DATA retries
queueSize = 10;           % Data Link Layer queue size in packets
samplesPerFrame = 2000;   % Number of samples processed every iteration
verbose = true;           % Print packet activity to command line
sampleRate = 200e3;

Исправьте seed генерации случайных чисел для повторяемых симуляций.

rng(12345)

Создайте пакетированные узлы модема с помощью объекта helperPacketizedModemNode.

node1 = helperPacketizedModemNode('Address',1, ...
    'DestinationList',[2, 3],'NumPayloadBits',numPayloadBits, ...
    'PacketArrivalRate',packetArrivalRate,'ACKTimeOut',ackTimeOut, ...
    'MaxBackoffTime',maxBackoffTime,'MaxDataRetries',mMaxDataRetries, ...
    'QueueSize',queueSize,'CarrierDetectorThreshold',1e-5, ...
    'AGCMaxPowerGain',65,'SamplesPerFrame',samplesPerFrame, ...
    'Verbose',verbose,'SampleRate',sampleRate);
node2 = helperPacketizedModemNode('Address',2, ...
    'DestinationList',[1 3],'NumPayloadBits',numPayloadBits, ...
    'PacketArrivalRate',packetArrivalRate,'ACKTimeOut',ackTimeOut, ...
    'MaxBackoffTime',maxBackoffTime,'MaxDataRetries',mMaxDataRetries, ...
    'QueueSize',queueSize,'CarrierDetectorThreshold',1e-5, ...
    'AGCMaxPowerGain',65,'SamplesPerFrame',samplesPerFrame, ...
    'Verbose',verbose,'SampleRate',sampleRate);
node3 = helperPacketizedModemNode('Address',3, ...
    'DestinationList',[1 2],'NumPayloadBits',numPayloadBits, ...
    'PacketArrivalRate',packetArrivalRate,'ACKTimeOut',ackTimeOut, ...
    'MaxBackoffTime',maxBackoffTime,'MaxDataRetries',mMaxDataRetries, ...
    'QueueSize',queueSize,'CarrierDetectorThreshold',1e-5, ...
    'AGCMaxPowerGain',65,'SamplesPerFrame',samplesPerFrame, ...
    'Verbose',verbose,'SampleRate',sampleRate);

Сконфигурируйте канал распространения с помощью объекта helperMultiUserChannel.

channel = helperMultiUserChannel( ...
    'NumNodes',3,'EnableTimingSkew',true,'DelayType','Triangle', ...
    'TimingError',20,'EnableFrequencyOffset',true, ...
    'PhaseOffset',47,'FrequencyOffset',2000,'EnableAWGN',true, ...
    'EbNo',25,'BitsPerSymbol',2,'SamplesPerSymbol',4, ...
    'EnableRicianMultipath', true, ...
    'PathDelays',[0 node1.SamplesPerSymbol/node1.SampleRate], ...
    'AveragePathGains',[15 0],'KFactor',15,'MaximumDopplerShift',10, ...
    'SampleRate',node1.SampleRate);

Основной цикл симуляции

radioTime = 0;
nodeInfo = info(node1);
frameDuration = node1.SamplesPerFrame/node1.SampleRate;
[rcvd1,rcvd2,rcvd3] = deal(complex(zeros(node1.SamplesPerFrame,1)));
while radioTime < runDuration
    trans1 = node1(rcvd1, radioTime);
    trans2 = node2(rcvd2, radioTime);
    trans3 = node3(rcvd3, radioTime);

    % Multi-user channel
    [rcvd1,rcvd2,rcvd3] = channel(trans1,trans2,trans3);

    % Update radio time.
    radioTime = radioTime + frameDuration;
end

|   Time    |     Link    |   Action   |  Seq #  | Backoff (Node 1)
-----------------------------------------------------------
|   Time    |     Link    |   Action   |  Seq #  | Backoff (Node 2)
-----------------------------------------------------------
|   Time    |     Link    |   Action   |  Seq #  | Backoff (Node 3)
-----------------------------------------------------------
| 4.46000 s |   3 ->>   1 |       DATA | #     0 |
| 4.67000 s |   1 <<-   3 |       DATA | #     0 |
| 4.67000 s |   1 ->>   3 |        ACK | #     0 |
| 4.68000 s |   3 <<-   1 |        ACK | #     0 |
| 5.04000 s |   1 ->>   3 |       DATA | #     0 |
| 5.16000 s |   2 ->>   3 |       DATA | #     0 |
| 5.30000 s |   1 ->>   3 |   Back Off | #     0 | 1.00000 s |
| 5.42000 s |   2 ->>   3 |   Back Off | #     0 | 1.00000 s |
| 6.31000 s |   1 ->>   3 |       DATA | #     0 |
| 6.43000 s |   2 ->>   3 |       DATA | #     0 |
| 6.57000 s |   1 ->>   3 |   Back Off | #     0 | 2.25000 s |
| 6.69000 s |   2 ->>   3 |   Back Off | #     0 | 1.75000 s |
| 8.45000 s |   2 ->>   3 |       DATA | #     0 |
| 8.66000 s |   3 <<-   2 |       DATA | #     0 |
| 8.66000 s |   3 ->>   2 |        ACK | #     0 |
| 8.67000 s |   2 <<-   3 |        ACK | #     0 |
| 8.83000 s |   1 ->>   3 |       DATA | #     0 |
| 9.09000 s |   1 ->>   3 |   Back Off | #     0 | 2.25000 s |
| 9.52000 s |   3 ->>   2 |       DATA | #     1 |
| 9.73000 s |   2 <<-   3 |       DATA | #     1 |
| 9.73000 s |   2 ->>   3 |        ACK | #     1 |
| 9.74000 s |   3 <<-   2 |        ACK | #     1 |

Результаты

Пакетированные объекты узла модема собирают статистику по эффективности алгоритма ссылки данных слоев. Вызовите info метод объекта узел для доступа к этой статистике. Выборки для 10-секундного моделируемого времени со скоростью поступления пакета 0,2 пакета в секунду показаны здесь. Каждый пакет данных имеет длину 200 мс.

Отобразите статистику

nodeInfo(1) = info(node1);
nodeInfo(2) = info(node2);
nodeInfo(3) = info(node3);

for p=1:length(nodeInfo)
    fprintf('\nNode %d:\n', p);
    fprintf('\tNumGeneratedPackets: %d\n', nodeInfo(p).NumGeneratedPackets)
    fprintf('\tNumReceivedPackets: %d\n', nodeInfo(p).NumReceivedPackets)
    fprintf('\tAverageRetries: %f\n', nodeInfo(p).Layer2.AverageRetries)
    fprintf('\tAverageRoundTripTime: %f\n', ...
        nodeInfo(p).Layer2.AverageRoundTripTime)
    fprintf('\tNumDroppedPackets: %d\n', ...
        nodeInfo(p).Layer2.NumDroppedPackets)
    fprintf('\tNumDroppedPackets (Max retries): %d\n', ...
        nodeInfo(p).Layer2.NumDroppedPacketsDueToRetries)
    fprintf('\tThroughput: %d\n', ...
        numPayloadBits / nodeInfo(p).Layer2.AverageRoundTripTime)
    fprintf('\tLatency: %d\n', nodeInfo(p).Layer2.AverageLatency)
end

Node 1:
	NumGeneratedPackets: 2
	NumReceivedPackets: 1
	AverageRetries: NaN
	AverageRoundTripTime: NaN
	NumDroppedPackets: 0
	NumDroppedPackets (Max retries): 0
	Throughput: NaN
	Latency: Inf

Node 2:
	NumGeneratedPackets: 1
	NumReceivedPackets: 1
	AverageRetries: 2.000000
	AverageRoundTripTime: 3.509844
	NumDroppedPackets: 0
	NumDroppedPackets (Max retries): 0
	Throughput: 5.564350e+03
	Latency: 2.104687e-01

Node 3:
	NumGeneratedPackets: 2
	NumReceivedPackets: 1
	AverageRetries: 0.000000
	AverageRoundTripTime: 0.220254
	NumDroppedPackets: 0
	NumDroppedPackets (Max retries): 0
	Throughput: 8.867039e+04
	Latency: 1.749922e+00

Слой ссылки данных (слой 2)

В этом примере реализуется слой ссылки данных, основанный на протоколе случайного доступа ALOHA [2]. Следующая блок-схема показывает, как протокол ALOHA передает и принимает пакеты данных.

Когда Data Link Layer имеет пакет слоя 3 для передачи, он начинает новый сеанс и немедленно отправляет пакет с помощью пакета ДАННЫЕ. Алгоритм ожидает пакета подтверждения (ACK). Если ACK не получен перед периодом тайм-аута, он отменяет случайное количество времени и снова отправляет пакет ДАННЫЕ. Если он не получает ACK после нескольких повторных попыток, он отбрасывает пакет. Если во время этого сеанса принимается новый пакет слоя 3, то пакет слоя 3 помещается в очередь «первый в первом» (FIFO). Если очередь FIFO заполнена, пакет отбрасывается.

Алгоритм реализован в object™ helperPacketizedModemDataLinkLayer helper System. The helperPacketizedModemDataLinkLayer Системный объект задает конечный автомат с тремя состояниями: IDLE, ACK_WAIT и BACKOFF. Следующий конечный автомат описывает, как алгоритм слоя ссылки данных реализован в этом объекте. Операторы в скобках [...] и фигурные скобки {...} являются условиями и действиями, соответственно. Маленькие круги являются проходными состояниями, используемыми для представления нескольких условий.

В исходном протоколе ALOHA используется топология концентратор/звезда. Восходящая и нисходящая линии связи используют две отдельные полосы частот. В следующем примере используется топология ячеистой сети, где узлы передают и принимают, используя одну и ту же полосу частот.

Структура модема

Структура кода модема выполняет эти шесть основных компонентов обработки:

Data Ссылки Слоя обрабатывает выходы Message Generator и PHY Decoder, поэтому он должен выполняться после этих двух операций. Анализатор сообщений и энкодер обрабатывают выходы слоя ссылки передачи данных. Эта последовательность гарантирует, что модем может принимать пакеты и отвечать на них в один и тот же временной интервал. Объект helperPacketizedModemNode реализует модем.

Исходный контроллер

Контроллер источника генерирует разрешающий сигнал и адрес случайного адресата на основе выбранного пользователем распределения прибытия пакета.

Генератор сообщений

Генератор сообщений начинает создавать пакеты данных слоя 3, когда это включено исходным контроллером. Пакеты содержат оцифрованное текстовое сообщение. Если сообщение не помещается в один пакет, генератор создает несколько пакетов. Структура пакета следующая:

PHY-декодер

PHY-декодер получает выборки основной полосы частот и создает пакеты слоя 2. Декодер PHY может корректировать изменения амплитуды с помощью AGC, смещений частоты с оценкой смещения частоты и компенсатора, и наклонов синхронизации и многолучевого распространения с помощью фракционно разнесенного корректора обратной связи (DFE). Схема блока получателя физического слоя (Слой 1) следующая:

Когда размер полезной нагрузки данных установлен в 19530 бита, общая длина пакета модема составляет 39956 выборок. Модем обрабатывает SamplesPerFrame выборки, которые представляют собой 2000 образцов для этого примера, при каждой итерации. Меньшее SamplesPerFrame приводит к меньшей задержке, но увеличивает накладные расходы алгоритма модема. Увеличенные накладные расходы могут увеличить время вычислений, так что модем больше не запускается в реальном времени.

Слой ссылки передачи данных

Data Link Layer обеспечивает ссылку между двумя соседними узлами. Он использует протокол на основе ALOHA, описанный в разделе «Слой ссылки данных» (Слой 2). Структура пакета содержит следующие поля:

Ссылка слоя данных также собирает следующую статистику:

Анализатор сообщений

Анализатор сообщений анализирует принятую полезную нагрузку слоя 2 и создает пакет слоя 3. Анализатор сообщений собирает следующую статистику:

PHY- Энкодера

Энкодер PHY создает пакеты физического слоя путем модуляции пакетов слоя 2 в I/Q выборки основной полосы. Структура пакета показана здесь.

Фиктивные символы используются для обучения AGC и для обнаружения несущей. Символы синхронизации являются модулированной псевдошумовой последовательностью. Заголовок имеет следующие поля:

Это изображение показывает блок передатчика физического слоя (слоя 1).

Модель канала

В этом примере моделируется трехузловая сеть, но можно моделировать любые числа узлов. Выход каждого узла передается в симулятор канала. Канал добавляет сгенерированные модулированные сигналы от всех трех узлов после наложения этих нарушений канала:

В дополнение к этим нарушениям, сигналы от соседних узлов применяются с потерей пути 20 дБ, в то время как самоинтерференция добавляется непосредственно.

Выполнение с использованием радио

Можно также запустить этот пример, используя радиостанции вместо моделируемого канала. Комбинация оборудования SDR и хоста-компьютера, который запускает Сеанс работы с MATLAB, содержит узел. Следующие шаги показывают, как настроить сеть с тремя узлами. Этот пример использует радиоприемники USRP ® B200 и B210.

1) Подключите радио USRP ® к хосту-компьютеру A, который будет вызываться Узлом 1. Следуйте инструкциям установки и Setup (Communications Toolbox Support Package for USRP Radio), чтобы установить и настроить хост-компьютер для использования с радиоприемниками USRP ®. Запуск сеанса работы с MATLAB.

2) Настройте Узел 1 как передатчик для инициализации. helperPacketizedModemInitializeRadio инициализирует подключенное радио USRP ®. Выполняйте helperPacketizedModemInitializeRadio('tx', PLATFORM, ADDRESS, FC, RT), где PLATFORM является типом радио USRP ®, ADDRESS - серийный номер или IP-адрес, FC - центральная частота, а RT - время запуска в секундах. Этот пример использует 915 МГц для центральной частоты. Принимая, что ваш радио является B200 с серийным номером 'ABCDE', вызов функции будет helperPacketizedModemInitializeRadio('tx', 'B200', 'ABCDE', 915e6, 120). Эта функция будет запускать передатчик в течение 120 секунд. Если вам нужно больше времени, чтобы закончить инициализацию, перезапустите команду с более длительным временем запуска.

3) Повторите шаг 1 для второго радио и хоста-компьютера и вызовите этот узел Узел 2.

4) Настройте узел 2 как приемник для инициализации. Выполняйте [CDT, MAXGAIN, RXGAIN] = helperPacketizedModemInitializeRadio('rx', PLATFORM, ADDRESS, FC, RT). Принимая, что ваш радио является B210 с серийным номером '12345', вызов функции будет [CDT1, MAXGAIN1, RXGAIN1] = helperPacketizedModemInitializeRadio('rx', 'B210', '12345', 915e6, 120). Функция будет запускаться до тех пор, пока она не определит лучшие значения для порога детектора несущей (CDT), максимального усиления AGC (MAXGAIN) и коэффициента усиления приема радиосвязи (RXGAIN) или до тех пор, пока не истечут секунды RT. Если алгоритм инициализации не может определить подходящие параметры, это может предложить увеличение или уменьшение степени передатчика и повторную инициализацию.

5) Запустите тот же эксперимент с Узлом 1, что и с приемником, и с Узлом 2, как с передатчиком, чтобы определить лучшие параметры приемника для Узла 1. В большинстве случаев канал должен быть двойным, и параметры будут очень близки.

6) Повторите шаги 1-5 для всех других пар радиостанций, то есть для узла 1 и узла 3, узла 3 и узла 2. Получите значения CDT, MAXGAIN и RXGAIN для каждого узла. При получении различных значений для одного и того же узла при инициализации для различных ссылок выберите максимальные значения для MAXGAIN и RXGAIN и минимум CDT.

7) Запустите узел 1, запустив функцию helperPacketizedModemRadio helper. Используйте команду helperPacketizedModemRadio(P,RA,NA,DA,FC,CDT,MAXG,RGAIN,D)где P - платформа, RA - радиоадрес, NA - адрес узла, DA - список адресов назначения, FC - центральная частота, CDT - порог обнаружения несущей, MAXG - максимальный коэффициент усиления AGC, RGAIN - усиление приемника радиоприемника и D - длительность. Для примера запуска как helperPacketizedModemRadio('B200','ABCDE',1,[2 3],915e6,CDT1,MAXGAIN1,RXGAIN1,120).

8) Запустите узел 2, запустив helperPacketizedModemRadio('B210','12345',2,[1 3],915e6,CDT2,MAXGAIN2,RXGAIN2,120).

9) Запустите узел 3, запустив helperPacketizedModemRadio('B200','A1B2C',3,[1 2],915e6,CDT3,MAXGAIN3,RXGAIN3,120).

10) Когда сеанс заканчивается, каждый узел распечатывает свою статистику.

Три сетевые настройки работали в течение двух часов. Каждый узел сгенерировал пакеты со скоростью 0,2 пакета в секунду согласно распределению Пуассона. Узлы располагали примерно на равном расстоянии. Одно из ссылок имело линию зрения, в то время как другие два не сделали. Следующие результаты собраны на всех трех узлах. Поскольку время туда и обратно обмена DATA-ACK с использованием B2xx радиоприемников, подключенных через USB, может достигать 800 мс, среднее время туда и обратно сети больше 3 с. Алгоритм минимизирует потери пакетов и обеспечивает справедливый доступ к общему каналу для всех узлов.

Node 1:
 NumGeneratedPackets: 1440
 NumReceivedPackets: 1389
 AverageRetries: 0.533738
 AverageRoundTripTime: 3.725093
 NumDroppedPackets: 95
 NumDroppedPackets (Max retries): 23
 Throughput: 5.242823e+03

Node 2:
 NumGeneratedPackets: 1440
 NumReceivedPackets: 1340
 AverageRetries: 0.473157
 AverageRoundTripTime: 3.290775
 NumDroppedPackets: 31
 NumDroppedPackets (Max retries): 9
 Throughput: 5.934772e+03

Node 3:
 NumGeneratedPackets: 1440
 NumReceivedPackets: 1385
 AverageRetries: 0.516129
 AverageRoundTripTime: 3.558408
 NumDroppedPackets: 107
 NumDroppedPackets (Max retries): 29
 Throughput: 5.488410e+03

Обсуждения

Оба кода симуляции из предыдущих разделов и вспомогательная функция helperPacketizedModemRadio используют Системный объект helperPacketizedModemNode для реализации узла модема. В этом примере тот же код используется для оценки системы, сначала используя моделируемый канал, затем используя оборудование SDR и беспроводные каналы.

Даже при том, что код, использующий моделируемые каналы, основан на времени, объект узла модема может использоваться, чтобы запустить симуляцию на основе событий. Этот пример не предоставляет основанное на событиях ядро симуляции.

Дальнейшие исследования

Можно варьировать эти параметры, чтобы исследовать их эффект на эффективность слоя ссылки передачи данных:

Можно также исследовать вспомогательные функции для деталей реализации алгоритмов:

Проверить эффективность физического слоя можно только с помощью скрипта PacketizedModemPhysicalLayerTxRxExample.

Избранная библиография

Уведомление об авторских правах

Universal Software Radio Peripheral ® и USRP ® являются товарными знаками National Instruments ™ ® Corp.