[发明专利]基于通用软件无线电平台的水声物理层网络编码中继系统和方法

说明书

基于通用软件无线电平台的水声物理层网络编码中继系统，属于水声通信与组网领域。包含两个终端节点A和B，以及一个中继节点R，中继节点部署在两个终端节点之间；终端节点和中继节点均由PC主机、USRP N210及其子板、外设电路和水声换能器组成；PC主机装载GNU Radio；外设电路包括收发切换电路、前放和功放；OFDM调制解调技术及其特殊帧结构的设计提高符号异步的容错性。收发切换电路解决基于USRP平台半双工水声通信系统收发通路切换问题，串/并转换和控制信标流等机制为GNU Radio信号流的控制提供更稳健的分割机制；样本计数机制为其他基于USRP构建的通信系统提供同步参考。

技术领域

本发明属于水声通信与组网领域，涉及物理层网络编码技术，尤其是涉及基于通用软件无线电平台的水声物理层网络编码中继系统。

背景技术

受水声信号衰减或水下障碍物遮挡的影响，信息交互的两个水声通信终端节点A和B不能直接通信，需要依赖于中继节点R的转发辅助，采用四个时隙完成A到B和B到A的双向信息交互：第一个时隙A发送数据包x_A到R，第二个时隙R转发数据包x_A到B，完成A到B的信息交互，第三个时隙B发送数据包x_B到R，第四个时隙R转发数据包x_B到A，完成B到A的信息交互。

在物理层网络编码(Physical-layer Network Coding，PNC)技术中，将第一个时隙称为多址接入阶段，将第二个时隙称为广播阶段，其中多址接入阶段要求两数据包x_A和x_B能够同时到达中继节点R，称之为数据包同步问题(为描述简单，将数据包同步等价为符号同步)，广播阶段要求中继节点R能够对叠加信号编码，编码的原则是保证发送符号和解码符号之间存在一一对应的映射关系。

专利CN104980255B和CN105356974B在陆地无线环境下针对符号同步问题进行研究，专利CN107147472B和CN 102868487 B在陆地无线环境下针对叠加信号编码问题进行研究。

软件无线电是一种无线电体系结构，是一种设计思路和设计方法，基本思想是将结构精简、可拓展和开放的硬件作为通用平台，通过可重构、可伸缩的软件实现尽可能多的无线电功能。其实现平台主要包含通用处理器(General-Purpose Processor，GPP)，数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)和现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)等三种，其中由通用软件无线电外设(Universal Software RadioPeripheral，USRP)和开源软件GNU Radio搭配组成的软件无线电平台是基于GPP的最广泛使用的软件无线电平台，其核心思想是：利用计算机的CPU计算处理无线通信系统中的基带信号，该过程在开源软件GNU Radio中实现，其它过程，如数字上\下变频，数字\模拟信号之间的转化，射频信号的处理，由USRP负责，用户无需深入研究硬件USRP的构成，只需关注特定通信算法在软件平台GNU Radio上的实现，具有开发周期短和重构性强的优点。专利CN108233993 B、CN 107592173 B和CN 110380801 B分别公开基于USRP实现的无线中继传输方法、5G认知网络系统架构和协作感知算法。

由于水声信道具有区别于无线信道的传播特性，如传播延时长、时间-频率双扩展等，构建水声PNC双向中继系统要比构建无线PNC双向系统要困难得多，符号同步问题和叠加信号编码问题更为严重，公开资料中亦未见有水声PNC双向中继原型系统的报道。本发明基于USRP和GNU Radio快速构建包含两个终端节点和一个中继节点的水声PNC双向中继原型系统，验证PNC技术在水声环境下应用的可行性，为智慧海洋工程提供能够一种能够提升100％端到端吞吐量的水声通信与组网技术。

发明内容