通信系统综合实验报告.docx

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通信系统综合实验报告

班级011506

学号**********

西安电子科技大学

通信系统综合实验报告

学院：

通信工程学院

班级：

011506

专业：

通信与信息系统

*****

2015年11月

实验一：

通信传输的有效性与可靠性分析

一．实验目的

（1）理解点对点数据传输中的流量控制，差错控制的方法。

（2）结合实验原理分析无误码情况下速率测试的结果；加上误码之后，在通信的可靠性和有效性之间做出折衷。

（3）理解多点共享信道的常用技术和它们的性能。

二．实验的仪器和设备

每两台PC机为一组，双方软、硬件配置相同。

（1）硬件：

串口连接电缆（反绞，用于连接两台计算机的串口），带串口及USB接口的蓝牙模块，USB电缆，串口连接电缆（不反绞），电源（串口实验时用）。

（2）软件：

Windows2000或Windows操作系统，TTP通信传输的有效性和可靠性分析实验软件。

三．实验内容

1．性能仿真

1）连续ARQ和停止等待协议的差错率和帧传送平均延时的关系（点击主界面图上的“仿真2”）。

2）陆地和卫星通信信道环境中，各种参数下最佳帧长与信道利用率的关系（点击主界面图上的“仿真1”）。

3）共享信道技术、网络负载和吞吐量等参数之间的关系（点击主界面图上的“仿真3”～“仿真7”）。

2．数据速率

数据传输速率的分析（点对点通信）

通过无线信道速率测试程序，是学生体会：

无线信道两端距离，信道上障碍物，帧长队无线传输速率的影响。

设置数据包长度，测试：

1）两台计算机直接用串口电缆连接，测得实际速率VRS232。

2）两台计算机各自用串口连接蓝牙模块，建立连接后测得实际速率VRS232+BT。

3）两台计算机都各自用USB连接蓝牙模块，建立连接后测得实际速率VUSB+BT。

3．文件传输

1）发送方选择传送的文件、数据帧长、对传输的数据帧进行纠检错的信道编码方式及容许的最大重传次数和信道误码率。

2）接收方对收到的包进行解码，如能纠错，即纠正错误；如能检出错误不能纠正，则要求重发。

接收方如认为一帧传输无误，则提交给上层应用程序。

3）统计通信性能参数：

文件实际传输时间、文件实际传输的字节数和重传次数。

文件传输后可以得到的结果有文件传输的误比特率、实际传输的时间、在信道上实际的流量和重传次数。

改变两个蓝牙模块之间的距离，增加信道上的金属障碍物，改变帧长，观察对文件传输速率和误比特率的影响。

1．

四．实验要求

1．在速率测试中，设置包的个数为10，测试次数为10次，取不同的包长，记录通过串口连接蓝牙设备模块和通过USB口连接蓝牙模块的测试结果（包括包长、数据量、花费时间和平均速率）并分析各次测试结果

2．在文件传输测试中，传输一个大小为100kb的文件，误码率分别设为0.001、0.005、0.01和0.05，帧长设为300字节，最大传输次数为50。

分别采用CRC与线性纠错编码方式纠错，记录通过串口连接蓝牙设备模块和通过USB口连接蓝牙模块的测试结果（包括误码率、传输字节、花费时间、重传次数和不同比特数）并分析各次测试结果。

五：

实验原理

ARQ协议是指收端收到一帧后，经过CRC检验，如果发现该帧传输有误，则通过反馈信道以某种反馈规则通知发端重复上述过程，直到收端收到正确的帧为止。

停等式ARQ的基本思想是在开始下一帧传送以前，必须确保当前帧已被正确接收。

连续ARQ的基本思路是发端没有收到对方应答的情况下，可以连续发送n帧。

收端仅接收正确且顺序连续的帧，其应答中的RN表示RN以前的所有帧都已正确接收。

连续ARQ协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方面，在重传时又必须把原来正确传过的数据帧进行重传（仅因为这些数据帧前有一个帧出错），这种做法又使传送效率降低。

因此，若传输信道的传输质量很差时，连续ARQ并不优于停等ARQ。

信道利用率和最佳帧长的关系如下：

数据帧取得很短，控制信息占的比例增大，导致信道利用率下降，如果帧长取得太长，数据帧在传输过程中出错的概率就增大，于是重传的次数就增大，这也会使信道利用率下降。

所以，存在一个最佳帧长，在此帧长下信道利用率最高。

检错重发ARQ需要通信两端具有双向信道。

编译码器比较简单，纠错能力较强。

但实时性较差。

本实验中使用CRC-16

前向纠错FEC不需要反向信道，也不需要有反复重发引起的延误时间，故实时性较好。

但设备较复杂。

本实验中使用（32，24）的线性分组码改自（31，26），监督字节中低三位无意义，高五位能够纠正32个位置的单比特错误。

编码效率为1-r/n=3/4。

．

六．实验步骤与实验结果

1.性能仿真

（1）打开计算机，将蓝牙实验模块USB/RS232开关置RS232后再接通蓝牙实验模块电源。

（2）运行TTP通信传输的有效性和可靠性分析实验软件。

（3）输入以下参数：

链路1容量:

4.8kb;

链路2容量:

48kb;

误比特率:

0.000001;

卫星链路延时:

350ms;

传播时延:

50ms;

控制信息长度:

48bits;

（4）点击开始可得仿真一的结果如下：

图1-1仿真一信道利用率和帧长的关系

（5）依次点击主界面上的仿真二到仿真七分别得到如下仿真结果：

图1-2仿真二连续ARQ和停止等待协议的比较

图1-3仿真三非坚持CSMA在延时不同的条件下，吞吐量S-网络负载G曲线

图1-4仿真四坚持CSMA在延时不同的条件下，吞吐量S-网络负载G曲线

图1-5仿真五CSMA/CD在时延不同的条件下，吞吐量S-网络负载G曲线

图1-6仿真六当时延不同时，接入技术的吞吐量-网络负载曲线

图1-7仿真七归一化传播时延和站数对信道利用率的影响

2.进行速率测试

（1）通过串口连接蓝牙设备模块，设置包的个数为10，测试次数为10次，帧长分别为100字节和400字节的测试结果分别如下所示：

图1-8速率测试1

图1-9速率测试2

结论：

设置包的个数为10，测试次数为10次，帧长分别为100字节和400字节，记录通过串口连接蓝牙设备模块的测试结果。

可以看出，帧长越长，传输的数据量越大，花费时间越长和平均速率越快。

（2）通过USB口连接蓝牙模块，设置包的个数为10，测试次数为10次，帧长分别为100字节和400字节的测试结果

图1-10速率测试3

结论：

设置包的个数为10，测试次数为10次，帧长分别为100字节和400字节，记录通过串口连接蓝牙设备模块的测试结果。

可以看出，帧长越长，传输的数据量越大，花费时间越长和平均速率越快。

图1-11速率测试4

3.进行文件传输

（1）通过串口连接蓝牙模块的测试结果：

图1-12CRC编码的文件传输

线性分组码：

实验结果分析：

在相同的条件下：

传输一个大小为100kb的文件，误码率分别设为0.001，0.005，0.01和0.05，帧长为300字节，最大传输次数为50。

采用CRC差错控制编码：

在传输数据量一定的条件下，误码率越大，重传次数越多，花费时间也就越长。

误码率为0.001时，重传次数为零。

当误码率为0.05时，最大重传次数过小，不能传输文件。

这种差错控制方式的传输时间较长，但却保证了传输的可靠性。

在可靠性要求较高而实时性要求较低的场合可以使用这种传输方式。

采用线性纠错码方式纠错：

在传输数据量一定的条件下，误码率对传输时间的影响很小。

这种传输方式不会进行重传，因此在传输时间上比CRC更有优势，但是它只能在一定程度上纠错，因此不能保证传输的可靠性，在可靠性要求不高而实时性要求较高的场合可以采用这种传输方式。

COM口和USB口的比较：

无论采用哪种差错控制机制，串口连接所使用的时间比USB口连接所使用的时间要长，但是在相同误码率条件下，文件传输的可靠性差不多。

七．思考题

1.推导（32，24）线性分组码的监督位生成式，纠错方法。

在选取汉明码时，信息位和监督位的个数都要是8的整数倍，通信性能仿真中所使用的（32,24）的线性分组码改自（31,26），监督字节中第3位无意义，高5位能纠正第32个位置的单比特错误。

编码效率为1—r/n=3/4。

2.文件传输中的最佳帧长结果与仿真1中结果有什么差异,你如何解释？

信道利用率和最佳帧长的关系如下：

如果数据帧取得很短，控制信息占的比例增大，将会导致信道利用率下降;反之，如果帧长取得太长，数据帧的传输过程中出错的概率就增大，重传的次数就会增大，这也将使信道利用率下降。

因此存在一个最佳帧长，在此帧长下信道利用率最高。

在仿真1中，设每帧中信息长度为1048bit，误比特率pb=0.00001，可以求出在这种信道下，最佳帧长大体在1000—2000bit之间。

文件传输中，相同条件下，求出的最佳帧长比仿真中的小，因为在实际传输中，他要受到蓝牙模块之间距离，连接电脑之间的障碍物以及其他许多因素的影响

实验二　无线多点组网实验

一．实验目的

（1）理解点对多点的网络、Adhoc网络多跳转接的拓扑结构；

（2）组网过程、简单的路由协议以及广播和组播的概念。

二．实验仪器和设备

本实验每5台PC机为一组，每台软、硬件配置相同。

硬件：

PC机，带USB接口的蓝牙模块，USB连接线。

软件：

Windows2000或Windows操作系统，TTP无线组网实验软件。

三．实验原理

1．通信网络拓扑结构

现代通信网络可以大体归纳网形、星形、总线性、环形和混合形。

两台计算机能互相通信必须解决如下问题：

（1）计算机互相通信时使用什么样的物理媒介？

信道特性

（2）如果使用的通信媒介是多台计算机共享的，如何决定在某一时刻由哪台计算机发送数据包？

信道共享

（3）如何对计算机进行编址，以唯一区分每个数据包的发送者和接收者？

地址分配

（4）如果两台计算机不是直连在一起的，数据包如何选出一条从起点到目的地的合适的通路？

路由选择

（5）如何检测通信过程中的错误，检测到错误后又如何去校正错误？

错误检测

（6）通信过程中使用什么数字格式来表示数据？

协议

OSI从低到高的七层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

一个网络设备就是一个节点。

网络层定义的网络设备（或节点）有两类：

主机：

包括PC机、工作站、主机、文件服务器等等。

路由器：

它在主机和其它路由器之间转发数据包，使得主机不必和通信所用的链路直接相连。

实现存储转发功能、执行路由协议。

2．路由技术及组播和广播

数据包能够通过多条路径从源设备到达目的设备，选择什么路径最合适，就是路由技术所要研究的问题。

路由器之间通过路由协议交换信息，以报告它们各自所连接的网络和设备，更新路由表。

根据传输的可靠性要求、数据包的传输费用和时延，有多种路由选择算法可供选择。

将数据包的地址设置为一个特殊的广播地址，网络中所有的主机都能收到该数据包。

每个组播组通过唯一的组播地址来识别。

任何节点都可以加入多个组播组，发给某个组的数据只有该组成员才能接收。

组播也需要组播路由算法。

3．Adhoc网络

Adhoc网络技术可使任何设备在任何地方都可以方便迅速组网。

在Adhoc网络中，所有节点的地位都是平等的，每个节点都有路由器的功能，信息可以经由各节点转发至目的节点。

组网过程，如下图1示例。

图2-1组网过程图

首先由一个设备（例如b）发起查询，如果找到多个设备，则任选其二（例如d、e）主动与其建链。

在这个阶段，b、d、e构成一个微微网，b为主设备（M），d、e为从设备（S）。

注意在微微网中对处于激活状态的从设备的个数限制为2；而某个设备一旦成为从设备（即d、e），它就不能再被其它设备发现，也不能查询其它设备或与其它设备建链。

再由另外一个设备（a）发起查询，查询到设备b和设备c，再主动链接。

此时，a、b、c、d、e构成了一个分布式网络。

由于参与组网的设备数量较少，它实际上已经组成了一个自组织的Adhoc网络。

设备a成为网络中的根设备。

最终形成如前图所示的拓扑结构，是个典型的二叉树形结构。

在建链过程中，如果已经作为M的设备（如b）再接受建链成功，要把自己的从设备的信息（路由信息）告知上一个主设备（父设备）。

这样最终所有的设备的路由信息都在保留在树形结构的根设备（最上层的父设备）中。

每个节点也拥有自己的路由信息，路由表中包含默认路由器，也就是它的父节点。

当它无法从本地路由表查找到数据的目的地址时就转发给默认路由器，因为默认路由器可能包含有比它本身更多的路由信息

四．实验内容及结果分析

实验内容如下：

1．组网过程

五人一组，相互配合，共同组成一个无线网络。

从实验中体会微微网、分布式网络的概念和构造，并且掌握如何构造一个基于分布式网络的无中心、自组织的Adhoc网络。

2．单跳与多跳转接

通过单跳或多跳实现网络中任意两个节点间的通信。

请查看发送成功的单播数据的路由信息或接收到单播数据的路由信息。

3．路由协议

观察各个节点之间地址及数据信息的交换过程，理解简单的路由协议的实现过程。

请查看发送成功的单播数据的路由信息或接收到单播数据的路由信息。

4．广播

由任何一个节点设备向网络内所有其他节点发送同一消息，观察其发送的目的地址以及数据交换过程。

在这种情况下的路由过程与两个节点间数据单播的过程有何不同。

5．组播

网络中设置两个多播组。

网络中任何一个节点都可以申请加入一个或多个多播组，而后网络中的任何一个节点设备向某组发送组播信息，观察数据包的发送过程。

可以更改节点加入多播组，观察结果。

实验记录如下：

1.组网步骤完成后，记录本组五个网络节点组成的自组织网络的结构

图22自组织网络拓扑结构

2.与其他四个节点单播通信及路由选择信息

图2-3单播通信及路由选择信息-1

图2-4单播通信及路由选择信息-2

图2-5单播通信及路由选择信息-3

图2-6单播通信及路由选择信息-4

3.加入组播组，与同组其他节点通信

图2-7组播通信

4.对其他节点进行广播

图2-8广播通信

五．思考题

1.组播具体如何实现？

路由器如何知道相应的组播目的节点在哪一方向？

如何减小无用组播数据的传播以及形成环路的情况？

主机收到数据包后，确认目的地址是组播地址。

若本机也在该组播内，则将其送入本机内部处理。

若本机路由表内有其它的同组主机，且不是该数据包的上一跳节点，则将数据包按路由表继续转发。

对于无线网络来说，路由器无法只针对相应的目的节点进行发送（智能天线除外），只能将设置接收节点的地址。

在该无线路由器的功率覆盖范围内的所有主机都将收到其发出的数据包，若本机地址与接收地址不一致则丢弃。

若下一跳覆盖有同组节点，则直接发送；若有同组节点需要经过多跳，则继续转发，接收地址按路由表填写，目的地址仍为组播地址。

为了减少无用的数据传播和避免环路的形成，可以设置数据包的生存期。

2.本实验的组网方式有什么不足，你能提出更好的组网方式吗？

在实验过程中，有时会出现下面的情况：

多台计算机通过蓝牙无线模块组网后，若其中一台死机，该计算机实际上与其它任何网内的机子已失去联系，但其它节点上的托扑图仍然长时间不改变。

这说明了本实验的组网方式中，网络的健壮性还有很大的欠缺，无线组网协议还不够完善。

3.无线网络环境非常复杂，链路经常会在某一方或双方可能都不知道的情况下因不可靠而断开，如何保证网络的自检查和恢复？

对网络负载将会有何影响？

无线网络需要定时探测网络的完整性，需要发现故障时自我修复的功能。

当网络出现故障后，相当数量的业务需要重置和重发，这只会加重网络的负载。

实验三数字基带仿真

一．实验目的

（1）理解差错控制方法、差错控制编码分类及其纠检错能力；了解差错控制编码的生成和纠检错方法。

（2）理解扩频通信（特别是跳频扩频通信）的基本概念、原理及其优缺点。

（3）理解两种加密体制的同异；了解保密通信的全过程，以及密钥在保密通信中的作用。

二．实验原理

（1）差错控制原理：

差错控制方法分类；差错控制编码的生成；校验和纠错的实现。

Ø为什么要进行差错控制？

a.信道传输特性不理想，加性噪声的影响；

b.在已知信噪比情况下达到一定的比特误码率指标；

c.合理设计基带信号，选择调制解调方式，采用时域、频域均衡，使比特误码率尽可能降低。

但实际上，在许多通信系统中的比特误码率并不能满足实际的需求。

Ø常用的差错控制方法。

a.检错重发（简称ARQ）；

b.前向纠错（FEC）；

c.混合纠错（HEC）

Ø差错控制编码的实现方法。

a.在发送端将被传输的信息附上一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联（约束）。

b.接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输发生差错，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可以发现错误乃至纠正错误。

Ø蓝牙基带包中采用的差错控制编码。

a.包头附加循环冗余校验码以保证包头的完整性，该差错控制通常被称为包头检查（HEC）；

b.有效载荷中附加16比特的循环冗余校验码（由CRC-CCITT多项式210041（8进制表示）生成）；

c.基带包附加CRC码后，一般还应进行前向纠错控制（FEC）。

Ø包头检查（HEC,headererrorcorrection）

HEC的生成示意图见图3-1。

在产生HEC前，线性移位反馈寄存器（LFSR）需要初始化。

为易于理解，初始化值采用设备的高8位地址（UAP）。

输入数据为10位的包头信息（低位先入）。

输出数据为包头信息（10位，低位先出）+HEC（8位，低位先出）。

图3-1　HEC的生成示意图

在接收端，恢复包头信息的示意图与图1同。

此时，输入数据为18位的附加HEC的包头数据。

若8位寄存器的结果值全为0，则说明包头信息传输正确；反之，则说明包头信息传输错误，需重传。

Ø有效载荷校验（采用CRC,Cyclicredundancycheck）

添加到有效载荷中的16位CRC循环冗余校验码，用来判断有效载荷数据传送得是否正确。

该16位码通过CRC-CCITT多项式210041（8进制表示）生成，见图3-2的生成示意图。

在生成CRC码前，采用设备的高8位地址初始化线性反馈移位寄存器。

实验中规定输入数据为80位的有效载荷信息（低位先入）。

输出为有效载荷（80位，低位先出）+CRC码（16位，低位先出）。

图3-2　有效载荷校验码的生成示意图

在接收端，恢复有效载荷信息的示意图与图2同。

此时，输入数据为96位的附加CRC的有效载荷数据。

若16位寄存器的结果值全为0，则说明有效载荷信息传输正确；反之，则说明有效载荷信息传输错误，需重传。

Ø前向纠错（FEC,ForwardErrorCorrection）

本实验包含两类FEC码：

1/3FEC和2/3FEC。

　　对包进行FEC纠错的目的是减少重传的次数。

但在可以允许一些错误的情况下，使用FEC会导致效率不必要的减小，因此对于不同的包，是否使用FEC是灵活的。

　　因为包头包含了重要的链路信息，所以总是用1/3FEC进行保护。

1/3FEC仅仅是使对每个信息位重复三次，见图3-3的1/3FEC码示意图。

图3-3　1/3FEC码示意图

　2/3FEC码则是个缩短的（15,10）汉明码。

该码用于有效载荷数据的纠错控制。

其生成示意图见下页的图3-4。

图3-4　2/3FEC码的生成示意图

　　2/3FEC码能纠正1位错码，且能检出所有2位错码。

（2）跳频扩频原理：

跳频图案的生成；跳频通信方法。

Ø什么是跳频扩频？

a.扩频通信技术是广泛运用在公网和专网的一种无线通信技术。

扩频通信主要有直序列扩频和跳频扩频两种，本实验重点研究跳频技术，以具体的蓝牙技术跳频方案为例介绍跳频扩频技术。

直序扩频技术请参见其它资料。

b.所谓跳频，就是指用一定码序列进行选择的多频率频移键控。

也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。

Ø跳频通信的优点

a.具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享；

b.可以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。

Ø蓝牙系统中的跳频方案

对于使用79个频道的蓝牙系统，它的工作频段为2400-2483.5MHz，射频信道为2402+kMHz（k=0,1,…,78），每个信道带宽为1MHz。

蓝牙系统一共定义了5种跳频序列。

为易于理解，本实验只介绍其中的3种：

查询状态跳频序列，查询扫描状态跳频序列和连接状态跳频序列。

跳频计算框图见图3-5。

图3-5　跳频计算框图

Ø蓝牙系统中的跳频方案

查询和查询扫描状态是联系在一起的。

如果一个蓝牙设备希望发现在其工作范围内有哪些未知地址的设备，就进入查询状态，成为主设备；而一个蓝牙设备允许自己被其它设备发现，就进入查询扫描状态来响应查询消息，成为从设备。

　　二者的跳频速率都由本地时钟（28比特计数器）决定。

查询状态跳频序列以3200跳/秒的速率进行跳变，而查询扫描跳频序列则以1.28秒/跳的变化率进行跳变。

当查询设备的跳频频率与查询扫描设备的跳频频率发生击中时，从设备就向主设备发送ID包，从而完成链路建立的第一步。

　　当主、从蓝牙设备进入连接状态，跳频频率都由主设备的地址码和时钟决定。

连接状态的跳频速率为1600跳/秒。

（3）保密通信原理：

加密系统的组成部分；密钥的作用；常规密钥密码体制和公开密钥密码体制。

Ø加密系统的组成部分

1）未加密的报文，也即明文。

　2）加密后的报文，也即密文。

3）加密解密设备或算法。

4）加密解密的密钥。

Ø密钥的作用

　　对明文进行加密需要加密密钥；对密文进行解密需要解密密钥。

加密密钥和解密密钥可以相同也可以不同。

信息发送方用加密密钥，通过加密设备或算法，将信息加密后发送出去；接收方在收到密文后，用解密密钥将密文解密，恢复为明文。

　　如果传输中有人窃取，由于没有解密密钥，他只能得到无法理解的密文，从而对信息起到保密作用。

Ø蓝牙加密技术

蓝牙加密技术属于常规密钥密码体制。

所谓常规密钥密码体制，即加密密钥与解密密钥是相同的密码体制。

常规密钥密码体制的保密性取决于对密钥的保密，而算法是公开的。

蓝牙加密算法的示意图如图3-6所示。

图3-6　蓝牙加密算法示意图

ØRSA

　RSA属于公开密钥密码体制。

公开密钥密码体制使用不同的加密密钥与解密密钥，是一种由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上是不可行的密码体制。

　　公开密钥密码体制的示意图如图3-7所示。

图3-7　公开密钥密码体制示意图

三．实验内容

（1）蓝牙基带包的差错控制技术

a）记录包头校验FEC

HEC包头信息：

无误码：

UAP:

3;HEAD:

13a-->HEC包头数据为：

010*********

-------------------------------------------------------

信道传输正确或产生不可检错误码！

校验结果（移位寄存器结果值）为：

00000000

有误码：

更改10位比特信息最后一位

信道传输产生误码！

此时接收的包头数据为（LSB->MSB）：

010*********

校验结果（移位寄存器结果值）为：

11010000

结论：

包头校