超声波网络 (TCP/IP on Audio)

介绍

我们借助于 Gnuradio 和一个麦克风和扬声器,展示了跨超声波频率的网络互连的实现。  这允许你通过一个音频连接来使用 TCP/IP,UDP 协议。

为了实践这个教程,我们建议你使用Gnuradio的LiveDVD发行版(它就是一个已经简单安装了gnuradio的Ubuntu发行版)。这可以很容易的从 http://gnuradio.org/redmine/news/31 下载到。首先你需要将我们为Gnuradio创建的补丁包下载到一个USB记忆棒上面。你可以从 https://github.com/anfractuosity/ultrasonicnetworking/archive/master.zip 下载到这个补丁包。为了使用这个补丁包,你需要root权限,因此请输入‘sudo bash’,然后解压这个补丁包,然后通过输入 ./setup.sh 简单的运行 setup.sh. 安装文件简单的为Gnuradio的分组编码器和译码器打上了补丁,以支持可变长的分组数据包。

运行完 setup.py 之后, 你就可以对 Gnuradio 进行初始化了,这里你需要以root权限运行,因此请输入 sudo gnuradio-companion。 而然后在你的第一台笔记本上面加载 a.grc 。

图1 描述了我们使用超声波网络的图示。  我们现在将描述图中所示的每一块的功能。  第一块是左上角,TUNTAP PDU, 它允许你创建一个虚拟网络接口, 通过这个虚拟网络接口我们可以发送和接收包。

我们使用“PDU 到标记的流”这块功能来将来自虚拟NIC的包,转换成可以为编码补丁处理的二进制流. 我们不能直接将被标记流的输出附加到GFSK调制器上, 因为我们需要通过使用CRC向其中加入一个效验码,并且我们也需要添加一个序言和头到数据包上 – 这都是借助于数据包编码器的使用来实现的。

序言本质上就是一系列的位,它可以在接收器的末端检测到,为了将位正确的对齐到正确的字节码边界。包编码器还在序言后面加入了一个头,它使用字节的形式描述了包有多长。

图. 1

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GFSK 调制器本质上就是进行频移键控调制。 如你在图2中可以看到的,被调制过的信号频率,当一个 ’0′ 被发送时,一个′1’就会被发送。我们发现在使用笔记本电脑和麦克风扬声器的超声波网络环境中, FSK 的表现比 PSK 要好(相移键控Phase Shift Keying – 它利用的是相变来交换位),这是另外的一种调制技术。

图. 2 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Fsk.svg)

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GFSK 块一个非常重要的方面是样本/符号的数量.  我们将这个设置为9.  它的意思是,调制器每接收一个符号,都将会生成9个样本.  这个数字越高信号对噪音越有弹性, 但是波特率相应的会越低(这本质上意味着它需要发送数据包的时间更长).
波特率表示每分钟被传输的符号数量.

然后我们使用合理重新采样器,来使得使得信号更具弹性.  每一个进入的样本, 它都会有 320 个输出.

我们使用了一个频率翻译FIR过滤器, 来翻译进入信号的频率.  我们通过carrier_tx来偏移信号, 在此例中是-19kHz.  这样可以让信号偏移出人类听力可及的范围。

因为在这一点上我们一直使用复数信号进行工作,我们需要将复数输出转换成声卡可用的浮点数输出。我们通过“复数转实数”块来实现它。

图的底部,描述了程序的接收器部分。它本质上也是执行了相同的功能,就是逆序了。

在“复数转实数”块后,仍然有2个其它块。乘常数块,可以让你将麦克风的输出乘上一个固定数。这个块之后是带通滤波器,它仅允许小范围的频率可以通到解调器,这有助于去除存在于麦克风输出中的大量噪音。

在图示3中,你会看到两张图片。  上面的图片展示了向信号传输器的输出,而下面的图片则展示了来自麦克风的输入(后面带上了一个适用于它的带通过滤器)。  上面的图片的顶部还出现了一个滑块,让你可以用一个指定的值同来自麦克风的信号相乘.  当在使用两台相距甚远的笔记本电脑通信时这回很有用。

图示. 3

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双工

图 4 描述了我们所用的全双工信号。在这个例子中,你可以看到传输所用的两个不同的频率,19kHz 与 18kHz。这允许两个笔记本同时发送他们自己的信号。

图 4

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设置

在 Gnuradio-companion 里,你需要切换到 Build > Execute,来执行图中的例子。之后你需要对它为你创建的 tap0 接口指定一个 IP 地址。你需要通过终端来进行这个操作,例如输入
sudo ifconfig tap0 192.168.1.10 。

你需要在第二台笔记本 B 上执行同样的操作步骤,但这次不是加载 b.grc,而是使用 sudo ifconfig tap0 192.168.1.20

我们发现,最好是手工指定每台笔记本的 ARP 记录。为了指定一个 ARP 记录,在笔记本 A 上,执行  arp -s 192.168.1.20 <Laptop B’s MAC address for tap0> -i tap0

你在两台笔记本上预置的拷贝补丁文件到 Gnuradio 里的安装脚本,和修改 TCP 选项一样,都是为了让 TCP/IP 可以工作在延迟非常大的网络上。

第一行是必要的,为了让客户端的 TCP 连接在关闭前,处于打开状态的时间长于默认的 20 秒。

测试

为了测试网络功能运行正确,我们推荐适用netcat。 测试 TCP/IP 连通性可以在笔记本电脑A上面使用 netcat -vv -l 10000, 而用笔记本电脑B上使用 netcat -vv 192.168.1.10 10000 连接它。  因为我们使用了详细(verbose )选项, netcat 将会在已经有同笔记本电脑A的连接被确认时通知你, 然后你就可以在两边都发送文本了。

Gnuradio 补丁包

由于Gnuradio提供的编码和解码补丁包只能工作于固定数量大小的数据,为了支持对流标记的图取,对这些数据的修改是必要的。 “PDU标记流”标记来自笔记本电脑段接口附上数据大小的打包。 编码/解码补丁包不能正常的处理这些标记, 因此为了读取这些标记,我们修改了数据包编码器,并且生成了同来自笔记本电脑0帧相近大小的数据包。 而数据包解码器则解开数据包的封装, 并且用它的数据大小标记结果数据。

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