SDR E310 部署规划

本文档概述将 NearLink SDR 从纯仿真环境迁移到 USRP E310 硬件的路径。

当前完成度

物理层 (第 6 章) -- 全部完成

功能

模块

标准章节

GFSK 调制解调

phy/gfsk.py

6.2.1.1

BPSK/QPSK 调制解调

phy/psk.py

6.2.1.2

帧结构 FT1-FT4

phy/frame.py

6.3

前导码

phy/preamble.py

6.4

同步信号 1-6

phy/sync_sequence.py

6.5/6.6

导频

phy/pilot.py

6.7

控制信息 A/B 组

phy/control_info.py

6.4

CRC-12/24A/24B/32

common/crc.py

6.9

Polar 编解码 (SSC)

common/polar.py

6.10.1

码块分割

common/code_block_seg.py

6.10.2

跳频序列 (2.4/5.1/5.8 GHz)

phy/freq_hopping.py

6.10.3

信道比特加扰

common/scrambler.py

6.10.4

MCS 表与速率匹配

common/mcs.py

6.10.5/6

BCH 编码

common/bch.py

6.11

TX/RX 流水线

phy/tx_pipeline.py, phy/rx_pipeline.py

6.10

测量信号 1/2 (多音)

phy/measurement.py

6.2.4

测量帧类型 1-4 + UWB

phy/measurement_frame.py

6.3.6-11

安全随机函数

mac/crypto.py

6.10.7

PRBS11/PRBS17

common/prbs.py

8.3.5

USRP E310 接口

phy/usrp.py

-

MAC-PHY 适配层

phy/mac_interface.py

-

信道模型 + 均衡器

phy/channel.py, phy/equalizer.py

-

MAC 层 (第 7 章) -- 全部完成

功能

模块

标准章节

控制面/数据面/复用帧结构

mac/frame.py

7.3

信令注册表 (130 类型)

mac/signaling.py

7.3.2 全覆盖

链路控制信令

mac/link_control.py

7.3.2.2-114

功率控制

mac/power_control.py

7.2.13

广播帧 + 子信息 (7.1.4.1-9)

mac/broadcast.py

7.1.4

链路管理状态机 (含休眠/唤醒)

mac/link_manager.py

7.1/7.2/7.2.14

接入流程

mac/access.py

7.1.3

时隙调度器

mac/scheduler.py

6.3.1/7.1.4

QoS 管理 (ARQ/HARQ/流控)

mac/qos.py

6.5

配对信令

mac/security.py

9.2

加密模块 (AES-CCM/ECDH/KDF)

mac/crypto.py

9.3/9.4

安全管理器

mac/security_manager.py

9.2-9.4

仿真 (15 阶段 + USRP 环回)

阶段

内容

Phase 1

GFSK/BPSK/QPSK 未编码 BER

Phase 2

Polar 编码 BER/FER

Phase 3

帧级导频 BER/FER

Phase 4

多径衰落 + 均衡器性能

Phase 5

频率选择性信道

Phase 6

全 TX/RX 流水线

Phase 7

多径 + 频偏集成

Phase 8

Pipeline 全帧类型对比

Phase 9

MAC 帧端到端 (信令/数据/复用)

Phase 10

多链路调度仿真

Phase 11

接入 → 配对 → 加密端到端

Phase 12

AMC + HARQ + 跳频多径

Phase 13

QoS ARQ/AMC/流控自适应

Phase 14

双节点 SleNode 端到端

Phase 15

SleNode 集成仿真 (跳频/接入/功率/信道)

USRP Sim

MockUSRP 环回 (IQ/PHY/MAC/跳频/批量)

统一实体

功能

模块

SLE 节点实体

node.py

USRP 环回仿真引擎

sim/usrp_sim.py

测试质量

  • 2652 个测试用例, 全部通过

  • 整体覆盖率 91%, 核心模块覆盖率 97%+, 测试执行时间 5.00 秒

  • 标准第 14 章测试向量 (TV101-TV206, SyncWord2) 全部验证通过

  • 一致性测试 244 个 (协议/射频/安全)

未实现的进阶特性

以下是标准中定义但当前未实现的进阶功能, 不影响核心 SLE 通信:

特性

标准章节

说明

睡眠时钟精度计算

8.2.2.4-5

DORMANT/WAKING 状态已实现, 精确漂移补偿需硬件

SDR E310 迁移规划

前置条件

  1. USRP E310 硬件就绪, UHD 驱动已安装

  2. 宿主机与 E310 网络连通 (或直接在 E310 ARM 上运行)

  3. SLE 2.4 GHz 频段射频校准完成

软件仿真验证 (已完成)

以下步骤已通过 MockUSRP 环回仿真完成验证:

  • IQ 级环回: TX IQ 样本 → LoopbackBuffer → RX, AWGN/多径信道可选

  • PHY 全链路: 编码 → 调制 → MockUSRP TX → 信道 → MockUSRP RX → 解调 → 解码

  • MAC 帧级: AsyncDataFrame 打包 → PHY → 环回 → PHY → 解包

  • 跳频序列: 在多个信道上依次发射/接收

  • 双节点: SleNode G + SleNode T 端到端通信

  • 批量帧: 多帧 BER/FER 统计

验证代码: sim/usrp_sim.py + tests/test_usrp_sim.py (33 个测试)

阶段一: 硬件验证

目标: 验证 phy/usrp.py 在真实硬件上的基本功能

scripts/hw_verify.py:
  1. 初始化 USRPDevice(use_mock=False)
  2. 验证频率设置 (2402-2480 MHz)
  3. 验证增益控制 (TX/RX)
  4. 发射单载波 → 频谱仪确认
  5. 回环测试 (TX→RX, 外部衰减器/线缆)

关键参数:

  • 采样率: 1 MHz (GFSK) 或 2 MHz (QPSK)

  • 中心频率: 2440 MHz (信道 19)

  • TX 增益: 20 dB (初始低功率)

  • RX 增益: 40 dB

阶段二: 物理层回环

目标: TX pipeline → 空口/线缆 → RX pipeline 回环验证

scripts/phy_loopback.py:
  1. 构造 FT2 帧 (GFSK, MCS=0)
  2. mac_to_iq() 生成 IQ 样本
  3. SLETransceiver.transmit_iq() 发射
  4. SLETransceiver.receive_iq() 接收
  5. iq_to_mac() 解码比较
  6. 统计 BER/PER

注意事项:

  • 首次使用线缆回环 + 衰减器, 排除空口干扰

  • 频偏校准: E310 TCXO 精度 ±2.5 ppm, 对应 ±6 kHz@2.4 GHz

  • AGC: 初始固定增益, 后续增加自动增益控制

阶段三: 双机通信

目标: 两台 E310 之间收发通信

scripts/tx_node.py:    # G 节点发射端 (待创建)
scripts/rx_node.py:    # T 节点接收端 (待创建)

流程:
  G 节点:
    1. 广播帧发射 (周期性)
    2. 等待接入请求
    3. 建立连接
    4. 数据帧发射

  T 节点:
    1. 扫描广播帧
    2. 前导码检测 + 同步
    3. 解码广播帧
    4. 发送接入请求
    5. 数据帧接收

阶段四: 协议栈集成

目标: MAC 状态机驱动的完整协议栈运行

main.py (重构):
  - CLI 入口: tx/rx/loopback/sim 模式选择
  - G 节点模式: 广播 → 接入 → 连接 → 数据传输
  - T 节点模式: 扫描 → 接入 → 连接 → 数据接收
  - 仿真模式: 各 Phase 仿真

关键集成:
  LinkManager → mac_to_iq() → SLETransceiver → 空口 → iq_to_mac() → LinkManager

阶段五: 性能优化

  • 实时性: NumPy 计算耗时评估, 瓶颈识别

  • 缓冲区管理: TX/RX 缓冲区大小调优

  • 跳频延迟: tune_channel() 切换时间测量

  • 功率控制: TX 增益动态调节

  • 时钟同步: PPS/GPS 外部参考时钟 (可选)

部署优先级

优先级

任务

状态

P0

广播帧子信息补全 (7.1.4.1-9)

已完成

P0

接入流程实现 (7.1.3)

已完成

P1

时隙调度子系统

已完成

P1

MockUSRP 环回仿真验证

已完成

P2

控制面信令类型 (7.3.2 全覆盖)

已完成

P2

休眠唤醒状态 (DORMANT/WAKING)

已完成

P3

硬件验证脚本

待 E310 硬件就绪

P3

物理层线缆回环

待硬件验证完成

P4

双机空口通信

待物理层回环调通

P5

协议栈 CLI 集成

待双机通信稳定

P6

实时性能优化

待部署后评估