CN114938251B - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
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xA到R，第二个时隙R转发数据包xA到B，完成A到B的信息交互，第三个时隙B发送数据包xB到R，第四个时隙R转发数据包xB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xA和xB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
本发明的目的在于针对传统水声双向中继传输系统需要采用四个时隙完成信息交互，端到端传输速率较低；基于DSP或FPGA等嵌入式芯片构建原型系统存在开发周期长、重构性差等问题，而基于USRP和GNU Radio的软件无线电平台在水声通信和网络系统中的应用还未普及，还需要面临硬件驱动函数配置缺失、信号处理模块失配和符号同步不准确等问题，提供适应于水声信道长传播延时，时间-频率双扩展特性的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。
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，包含两个终端节点A和B，以及一个中继节点R，所述中继节点部署在两个终端节点A和B之间；终端节点A、终端节点B和中继节点R均由PC主机、USRP及其子板、外设电路和水声换能器组成；
所述PC主机装载GNU Radio；GNU Radio用户编写信号处理模块、流图构建和硬件驱动开发；
所述USRP用于实现中频信号插值和抽取；子板包括LFTX子板和LFRX子板，LFTX子板用于发送信号，LFRX子板用于接收信号；
所述外设电路包括收发切换电路、接收端的前放和发送端的功放，以适应于水声信号；LFTX子板的输出端接发送端的功放，功放的输出端接收发切换切换电路；收发切换电路受USRP的FPGA端口控制，该端口提供高、低电平，由LFTX的J45转接口引出；收发切换电路的输出端接前放，前放的信号输出端接LFRX子板，LFRX子板将接收的信号传输至USRP，USRP将信号传输至PC主机；
所述水声换能器，水声换能器与收发切换电路互通连接，用于实现声/电和电/声转换。
进一步的，所述USRP可采用N210；利用USRP的通用输入输出端口GPIO切换发送通路和接收通路，针对系统收发切换需求，将USRP的GPIO引出到系统的外设电路中，调用硬件驱动函数，重新配置USRP的GPIO属性。
所述GPIO为N210 FPGA芯片的其中一个IO口，该IO口与子板相连接，从子板LFRX的转接口J45引出，作为收发切换电路的控制口。
所述GNU Radio用于搭建终端节点和中继节点的信号处理模块。终端节点的接收机包含USRP Source、帧同步、OFDM解调、XOR和File Sink等模块；终端节点的发射机包含File Source、OFDM调制和USRP Sink等模块，中继节点的接收机包含USRP Source、帧同步、PNC同步、OFDM解调、PNC映射等模块，中继节点的发射机包含OFDM调制和USRP Sink等模块。
以上所述OFDM解调模块包含串/并转换机制，串/并转换机制将串行数据流转换为并行数据流；
以上所述帧同步模块包含控制信标流机制，控制信标流机制用于对USRP传输来的数据流进行匹配滤波、峰值判决、符号截取，以实现帧同步；
以上所述PNC同步模块包含样本计数机制，样本计数机制用于通过计算两个样本位置之间的样本数，得到两终端节点到达中继节点的时延差，以实现PNC同步。
进一步的，所述串/并转换机制依次包括BPSK映射模块、Stream to Vector模块、载波映射模块；数据经过BPSK映射模块后，利用Stream to Vector模块实现串行数据流转换为并行数据流的功能；Stream to Vector模块将输入端口中的n个矢量数据，转化为大小的n的vector数组，从输出端口输出该数组，实现串/并转换功能；后续数据流以vector数组的形式流入到载波映射模块。
进一步的，所述控制信标流机制包括USRP Source模块和帧同步模块；所述帧同步模块由三个模块组成，分别为：ChAD模块、Delay模块和符号截取模块；USRP Source模块将数据流传送到帧同步模块，所述ChAD模块即信号同步模块，ChAD模块的输入端口的数据流是流入帧同步模块的数据流，ChAD模块对输入数据流进行匹配滤波、峰值判决，用来检测LFM信号；ChAD模块输出端口包含两个，分别连接Delay模块和符号截取模块，输出端口1输出该模块的输入数据流至符号截取模块，输出端口2同步输出控制信标流1至Delay模块；Delay模块将控制信标流1头部填充0数据得到控制信标流2并传输至符号截取模块，符号截取模块控制信标流2检测到特殊值，进而获知OFDM帧数据边界，进行符号截取。
进一步的，所述样本计数机制包括两个ChAD模块和一个计数模块，USRP Source模块的数据流并传送到两个ChAD模块，两个ChAD模块均输出控制信标流和数据流，其中输出数据流相同；两个控制信标流并行流入计数模块，两个信号之间的距离即为两个终端节点到达中继节点的符号差；计数模块对流入的信标流同步检测，当检测到一个信标之后，计数模块开始计数，直到找到下一个信标的样本位置；通过计算第一个样本位置和第二个样本位置之间的样本数，PC主机可以得到两终端节点到达中继节点的时延差。
基于上述通用软件无线电平台的水声物理层网络编码中继系统，本发明的数据传输方法包括：
1)交互发起阶段，中继节点R广播信标Beacon以发起PNC双向中继传输；
2)多址接入阶段，采用两步握手的符号同步机制，假设终端节点B距离中继节点R较近，终端节点A接收到Beacon后等待τA时间发送数据包xA进入多址接入阶段，终端节点B接收到Beacon后等待τA+Δτ发送数据包xB；中继节点R收到叠加信号xA+xB后对信号进行处理；
3)信号广播阶段，发送数据包xR，终端节点A接收到数据包xR后联合本地保存的xA进行解码，得到xB；终端节点B接收到数据包xR后联合本地保存的xB进行解码，得到xA。
在步骤2)中，所述两步握手的符号同步机制，是在交互过程中不单独求解上行或下行的单程传播延时，联合考虑实际数据传输过程中存在的交互发起和多址接入两个阶段需要的时间差，时间差仅在中继节点处求解，以克服三节点之间的时钟异步问题，具体步骤可为：中继节点R在时刻t0发送RTS控制包，终端节点A和B收到RTS控制包后分别等待τ时间后回复控制包CTSA和CTSB，记CTSA和CTSB到达中继节点的时刻分别为t2和t1；从中继节点发送RTS控制包到接收到CTS控制包的时间为交互的往返时间RTT(Round Trip Time，RTT)，则中继节点R与终端节点A的RTTA＝t2-t0，中继节点R与终端节点B的RTTB＝t1-t0，求得两终端节点到达中继节点R的时延差为Δτ＝|RTTA-RTTB|；得到时延差之后，中继节点向终端节点广播携带此时间差信息的控制包ANN，控制包ANN与信标Beacon复用；
所述中继节点R收到叠加信号xA+xB后对信号进行处理，是中继节点R将接收的叠加信号解调，映射成表示两个终端节点A和B发送信息关系的比特流，终端节点A或B根据该比特流和本地存储的发送比特解码获得对端的发送信息；选择正交频分复用(OFDM)调制解调技术作为水声PNC中继传输系统的物理层调制方案，将频率选择性衰落信道转化为平坦衰落信道，以降低对叠加信号编码的难度，设计适应于水声信道特性的帧结构，提高符号异步的容错性。
本发明具有如下有益效果：
相比于传统水声双向中继传输系统，水声PNC双向中继传输系统允许终端节点的符号在中继节点处重叠，端到端传输速率也此次提高100％；非对称传播延时避免的符号同步机制解决水声通信系统传播延时不可忽略且上下行传播延时不对称的问题，使中继节点处符号同步性能达到能够准确网络编码的要求；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。
对硬件驱动函数重配置而设计的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的问题，能够为半双工通信系统提供通用的收发通路切换解决方案；为适应于水声通信系统而设计的包含串/并转换机制和控制信标流机制等的信号处理模块能够代替原有GNU Radio的其他消息传递机制，为GNU Radio信号流的控制提供一种更稳健的分割机制，该机制同样适用于其他通信系统；为符号同步机制编写的样本计数模块是一种精准的时间同步方案，能够为其他基于USRP构建的通信系统提供参考。
附图说明
图1为三节点水声PNC双向中继传输系统框图；
图2为节点硬件系统组成框图；
图3为终端节点发射机和接收机流图；
图4为终端节点信号帧结构；
图5为中继节点发射机和接收机流图；
图6为中继节点信号帧结构；
图7为三节点水声PNC双向中继传输过程；
图8为符号同步交互过程；
图9为串/并转换机制；
图10为控制信标流机制；
图11为样本计数机制。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
为了提高两终端之间的端到端传输速率，本发明借鉴陆地无线网络中的物理层网络编码(Physical-layer Network Coding，PNC)技术，利用信号的空间叠加性，将传统双向中继系统的四时隙传输缩减为两时隙：第一个时隙，终端节点A和B同时给中继节点R发送数据包xA和xB，第二个时隙，中继节点R对接收的叠加信号进行编码，生成新的数据包xR，然后将xR广播给终端节点A和B；终端节点A接收到数据包xR后联合本地保存的xA进行解码，以得到xB；终端节点B接收到数据包xR后联合本地保存的xB进行解码，以得到xA。
本发明包含两个终端节点A和B，以及一个中继节点R，基于USRP硬件外设和GNURadio开源软件的通用软件无线电平台构建三节点水声PNC双向中继传输原型系统，考虑到水声通信系统与无线通信系统的差异，原型系统进行硬件驱动函数重配置、信号处理模块重构和精准符号同步等设计。
水声PNC双向中继传输系统包含两个重要的关键技术，一个是非对称传播延时避免的符号同步机制，另一个是抗频率选择衰落特性的调制解调技术。
相比于陆地无线三节点PNC中继系统，由于水下声波传播速率约为1500m/s，比陆地电磁波传播速率低5个数量级，因此，节点之间信号的传播延时不可忽略。当中继节点触发多址接入时隙时，若需要来自终端节点的两个符号同时到达中继节点处，则系统不仅要求中继节点和两个终端节点的传播时延已知，同时需要三节点之间时钟同步，中继节点和终端节点之间的上行和下行传播延时并不对称。为了解决这些问题，本发明提出一种仅需要两步握手的符号同步机制，在交互过程中不单独求解上行或下行的单程传播延时，而是联合考虑实际数据传输过程中存在的交互发起和多址接入两个阶段需要的时间差，而且时间差仅在中继节点处求解，克服三节点之间的时钟异步问题。
PNC能够实现的本质是，首先中继节点利用异或运算将接收的叠加信号，映射成表示两终端节点发送信息关系的比特流，然后终端节点根据该比特流和本地存储的发送比特解码获得对端的发送信息。以上所述的第一个步骤称为编码，实际包含两个过程：对叠加信号解调和将解调结果映射为比特。在水声环境中，信道多径效应明显，对于大多数水声通信系统来说，接收信号将呈现频率选择性衰落；同时，由于海面波浪或节点移动的影响，接收信号同时存在时间选择性衰落。因此对具有时间-频率双选择性衰落的水声叠加信号进行映射求解将变得异常复杂。本发明针对信道的时延扩展问题，选择正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)调制解调技术作为水声PNC中继传输系统的物理层调制方案，将频率选择性衰落信道转化为平坦衰落信道，降低对叠加信号编码的难度，并设计适应于水声信道特性的帧结构。
基于USRP和GNU Radio的软件无线电平台具有匹配于陆地无线通信和网络的较完备通用硬件和开源软件，但由于通信系统的差异，许多用于陆地无线通信系统的模块不能为水声通信系统使用，用户需要开发新的软硬件模块。本发明针对水声通信系统特点，设计关键软硬件模块。
首先是硬件驱动函数的重配置。针对陆地无线通信应用，USRP硬件驱动(USRPHardware Driver，UHD)将底层硬件的参数(譬如采用频率、中心频率等)设置上浮到软件模块，用户能够采用直接调用软件模块的方式来修改参数，而不需要关心底层硬件的端口连接关系和驱动函数。但是，基于USRP的半双工水声通信系统收发采用同一个换能器，需要借助于N210的通用输入输出端口(General Purpose Input Output，GPIO)来切换发送通路和接收通路，因此，本发明针对系统收发切换需求，将USRP的GPIO引出到系统的外设电路中，调用硬件驱动函数，重新配置USRP的GPIO属性。
其次是水声信号处理模块的重构。GNU Radio广为软件定义通信系统开发行业所青睐的一个重要因素是其具有丰富的开源信号处理模块，降低开发难度。然而，现有模块库中的信号处理模块主要服务于陆地无线通信系统，而本发明构建的水声PNC中继传输系统是一种全新的水声通信系统，GNU Radio中现有的信号处理模块不能直接应用或本身就缺失，因此，本发明编写设计串/并转换、控制信标流和样本计数等关键水声信号处理模块。
图1是三节点水声PNC双向中继传输原型系统框图，系统包含三个节点：终端节点A和B，中继节点R；GNU Radio装载于PC主机，基于Linux操作系统编写信号处理模块、流图构建和硬件驱动开发。图2是节点硬件组成框图，每个节点均由PC主机、N210及其子板、外设电路和水声换能器组成：N210实现中频信号插值和抽取；LFTX子板发送信号，LFRX子板接收信号；为适应于水声信号，研制接收端的前放、发送端的功放以及收发切换电路等外设；每个节点均配备单水声换能器，实现声/电和电/声转换。收发切换电路受N210的FPGA端口控制，该端口提供高、低电平，由LFTX的J45转接口引出。
图3是终端节点发射机和接收机流图，发射机在多址接入阶段工作，发射机对发送的比特信息进行OFDM调制后，插入同步信号，打包成帧发送到信道中；接收机在广播阶段工作，接收机从信道中接收信号，帧同步后对信号进行OFDM解调，与本地保存的发送比特信息进行异或操作，得到对端比特信息。图4是终端节点的信号帧结构，帧同步检测接收数据包的起始位置，因此只在终端节点A中插入采用LFMA，而在节点B的相应位置插入空信号，同时LFM信号与调制信号之间存在保护间隔。在调制信号中，两个节点均将n个包含CP的OFDM符号视为一个整体，在整体前添加两个OFDM符号长度的训练符号组成一帧数据。终端节点A和节点B各自的训练符号相互正交，使得中继节点接收机能够分别进行两条上行链路的信道估计。
图5是中继节点发射机和接收机流图，接收机在多址接入阶段工作，接收机从信道中接收信号，帧同步后对信号进行OFDM解调，其中信道估计的过程对应于终端节点的数据帧结构，得到两条上传输信道的信道增益后，在频域中进行PNC映射得到比特编码信号；发射机在广播阶段工作，发射机将编码信号进行OFDM调制，插入同步信号，发送到信道中。图6是中继节点的信号帧结构，一帧的时域信号中包含n个OFDM符号和一个训练符号。
图7是三节点水声PNC双向中继传输过程。传输过程分为三个阶段，第一个阶段是交互发起阶段，由中继节点R广播信标Beacon以发起PNC双向中继传输。第二个阶段是多址接入阶段，假设终端节点B距离中继节点R较近，终端节点A接收到Beacon后等待τA时间发送数据包xA进入多址接入阶段，终端节点B接收到Beacon后等待τA+Δτ发送数据包xB。中继节点R收到叠加信号xA+xB后对信号进行处理，在第三个阶段-信号广播阶段，发送数据包xR，此后终端节点A和终端节点B接收到数据包xR。
图8给出本发明的符号同步交互过程。中继节点在时刻t0发送RTS控制包，终端节点A和B收到RTS控制包后分别等待τ时间后回复控制包CTSA和CTSB，记CTSA和CTSB到达中继节点的时刻分别为t2和t1。从中继节点发送RTS控制包到接收到CTS控制包的时间为交互的往返时间RTT(Round Trip Time，RTT)，则中继节点R与终端节点A的RTTA＝t2-t0，中继节点R与终端节点B的RTTB＝t1-t0，求得两终端节点到达中继节点R的时延差为Δτ＝|RTTA-RTTB|。得到时延差之后，中继节点向终端节点广播携带此时间差信息的控制包ANN，此控制包与图5中的信标Beacon复用。
图9给出本发明的串/并转换机制。数据经过BPSK映射后，利用Stream to Vector模块实现串行数据流转换为并行数据流的功能。将Stream to Vector模块中的输入参数itemsize设置为n，该模块工作时将输入端口中的n个矢量数据，转化为大小的n的vector数组，从输出端口输出该数组，实现串/并转换功能。后续数据流以vector数组的形式流入到载波映射模块。
图10给出本发明的控制信标流机制。GNU Radio利用USRP Source模块接收从USRP传输过来的数据流。USRP Source模块将数据流传送到帧同步模块，帧同步模块由三个模块组成，分别为：ChAD模块、Delay模块和符号截取模块。ChAD模块即信号同步模块，ChAD模块的输入端口的数据流是流入帧同步模块的数据流，ChAD模块对输入数据流进行匹配滤波、峰值判决，用来检测LFM信号。ChAD模块输出端口包含两个，输出端口1输出该模块的输入数据流，输出端口2同步输出控制信标流1。当ChAD模块检测到数据流中的LFM数据边界，在控制信标流1的相应位置进行特殊值标记。Delay模块负责对控制信标流1的头部填充0数据，得到控制信标流2，控制信标流2的特殊值与OFDM帧数据边界对齐。符号截取模块有两个输入端口，端口1输入数据流，端口2输入控制信标流2，当符号截取模块在控制信标流2检测到特殊值，进而获知OFDM帧数据边界，进行符号截取。
图11给出本发明的样本计数机制。USRP Source模块将数据流传送到两个ChAD模块，ChAD1模块检测LFMA，ChAD2模块检测LFMB，两个ChAD模块均输出控制信标流和数据流，其中输出数据流相同。当任一ChAD模块检测到LFM信号，就在相应的控制信标流上进行标记定位，对于不同LFM信号亦采用不同信标进行表示，LFMA的数据边界是item1，在控制信标流的相应位置标记值sig1，LFMB的数据边界是item2，在控制信标流的相应位置标记值sig2。两个控制信标流并行流入计数(Counting)模块，此时两个LFM信号之间的距离即为两个信标之间的采样点数，实际为两个终端节点到达中继节点的符号差。Counting模块对流入的信标流同步检测，当检测到一个信标之后，Counting模块开始计数，直到找到下一个信标的样本位置。通过计算第一个样本位置和第二个样本位置之间的样本数，主机PC可以得到两终端节点到达中继节点的时延差Δτ。

Claims (6)

1.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，其特征在于包含两个终端节点A和B，以及一个中继节点R，所述中继节点R部署在两个终端节点A和B之间；终端节点A、终端节点B和中继节点R均由PC主机、通用软件无线电外设(USRP)及其子板、外设电路和水声换能器组成；
所述PC主机装载开源软件GNU Radio；开源软件GNU Radio用于用户编写信号处理模块、流图构建和硬件驱动开发；
所述USRP用于实现中频信号插值和抽取；子板包括LFTX子板和LFRX子板，LFTX子板用于发送信号，LFRX子板用于接收信号；
所述外设电路包括收发切换电路、接收端的前放和发送端的功放，以适应于水声信号；LFTX子板的输出端接发送端的功放，功放的输出端接收发切换电路；收发切换电路受USRP的FPGA端口控制，该端口提供高、低电平，由LFTX的J45转接口引出；收发切换电路的输出端接前放，前放的信号输出端接LFRX子板，LFRX子板将接收的信号传输至USRP，USRP将信号传输至PC主机；
所述水声换能器与收发切换电路互通连接，用于实现声/电和电/声转换；
所述开源软件GNU Radio用于搭建终端节点A、终端节点B和中继节点R的信号处理模块；终端节点A和终端节点B的接收机包含依次连接的USRP信源模块、帧同步模块、正交频分复用(OFDM)解调模块、异或模块和文件信宿模块；终端节点A和终端节点B的发射机包含依次连接的文件信源模块、正交频分复用(OFDM)调制模块和文件信宿模块；中继节点R的接收机包含USRP信源模块、帧同步模块、PNC同步模块、OFDM解调模块、PNC映射模块，所述USRP信源模块、帧同步模块、OFDM解调模块和PNC映射模块依次连接，PNC同步模块与USRP信源模块相连接；中继节点R的发射机包含依次连接的OFDM调制模块和USRP信宿模块；
所述OFDM解调模块包含串/并转换功能，即将串行数据流转换为并行数据流；
所述帧同步模块包含控制信标流功能，即对USRP传输来的数据流进行匹配滤波、峰值判决、符号截取，以实现帧同步；
所述PNC同步模块包含样本计数功能，即通过计算两个样本位置之间的样本数，得到两终端节点到达中继节点的时延差，以实现PNC同步。
2.如权利要求1所述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，其特征在于所述USRP采用N210；利用USRP的通用输入输出端口(GPIO)切换发送通路和接收通路，针对系统收发切换需求，将USRP的GPIO引出到系统的外设电路中，调用硬件驱动函数，重新配置USRP的GPIO属性；
所述GPIO为N210 FPGA芯片的其中一个IO口，该IO口与子板相连接，从LFRX子板的转接口J45引出，作为收发切换电路的控制口。
3.如权利要求1所述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，其特征在于所述OFDM解调模块包括依次连接的二进制移相键控映射模块、数据流转矢量模块、载波映射模块；数据经过BPSK映射模块后，利用数据流转矢量模块实现串行数据流转换为并行数据流的功能；数据流转矢量模块将输入端口中的n个矢量数据，转化为大小为n的矢量数组，从输出端口输出该数组，实现串/并转换功能；后续数据流以矢量数组的形式流入到载波映射模块。
4.如权利要求1所述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，其特征在于所述帧同步模块由三个模块组成，分别为：ChAD模块、延时模块和符号截取模块；USRP信源模块将数据流传送到帧同步模块，ChAD模块即信号同步模块，ChAD模块的输入端口的数据流是流入帧同步模块的数据流，ChAD模块对输入数据流进行匹配滤波、峰值判决，用来检测LFM信号；ChAD模块输出端口包含两个，分别连接延时模块和符号截取模块，输出端口1输出该模块的输入数据流至符号截取模块，输出端口2同步输出控制信标流1至延时模块；延时模块将控制信标流1头部填充0数据得到控制信标流2并传输至符号截取模块，符号截取模块控制信标流2检测到特殊值，进而获知OFDM帧数据边界，进行符号截取。
5.如权利要求1所述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，其特征在于所述PNC同步模块包括两个ChAD模块和一个计数模块，USRP信源模块的数据流并行传送到两个ChAD模块，两个ChAD模块均输出控制信标流和数据流，其中输出数据流相同；两个控制信标流并行流入计数模块，两个控制信标流信号之间的距离即为两个终端节点到达中继节点的符号差；计数模块对流入的控制信标流同步检测，当检测到一个信标之后，计数模块开始计数，直到找到下一个信标的样本位置；通过计算第一个样本位置和第二个样本位置之间的样本数，PC主机得到两终端节点到达中继节点的时延差。
6.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的数据传输方法，其特征在于该方法包括：
1)交互发起阶段，中继节点R广播信标以发起PNC双向中继传输；
2)多址接入阶段，采用两步握手的符号同步机制，假设终端节点B距离中继节点R较近，终端节点A接收到信标后等待τA时间发送数据包xA进入多址接入阶段，终端节点B接收到信标后等待τA+Δτ发送数据包xB；中继节点R收到叠加信号xA+xB后对信号进行处理；
所述两步握手的符号同步机制，是在交互过程中不单独求解上行或下行的单程传播延时，联合考虑实际数据传输过程中存在的交互发起和多址接入两个阶段需要的时间差，时间差仅在中继节点R处求解，以克服三节点之间的时钟异步问题，具体步骤为：中继节点R在时刻t0发送RTS控制包，终端节点A和B收到RTS控制包后分别等待τ时间后回复控制包CTSA和CTSB，记CTSA和CTSB到达中继节点R的时刻分别为t2和t1；从中继节点R发送RTS控制包到接收到CTS控制包的时间为交互的往返时间RTT，则中继节点R与终端节点A的RTTA＝t2-t0，中继节点R与终端节点B的RTTB＝t1-t0，求得两终端节点到达中继节点R的时延差为Δτ＝|RTTA-RTTB|；得到时延差之后，中继节点R向终端节点A和终端节点B广播携带此时间差信息的控制包ANN，控制包ANN与信标复用；
所述中继节点R收到叠加信号xA+xB后对信号进行处理，是中继节点R将接收的叠加信号解调，映射成表示两个终端节点A和B发送信息关系的比特流，终端节点A或B根据该比特流和本地存储的发送比特解码获得对端的发送信息；选择OFDM调制解调技术作为水声PNC中继传输系统的物理层调制方案，将频率选择性衰落信道转化为平坦衰落信道，用于降低对叠加信号编码的难度，设计适应于水声信道特性的帧结构，提高符号异步的容错性；
3)信号广播阶段，中继节点R发送数据包xR，终端节点A接收到数据包xR后联合本地保存的xA进行解码，得到xB；终端节点B接收到数据包xR后联合本地保存的xB进行解码，得到xA。
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