第五周工作总结——基于Gnuradio实现ibeacon发射机

1 总述

我们已经在Matlab中实现了生成ibeacon信号的功能。为了体现SDR的概念，我们将ibeacon发射机移植到Gnuradio中，用C++实现ibeacon发射链路中的各个模块。

2 预备知识

2.1 基本概念

Gnuradio是一款提供了实现软件无线电所需的信号处理模块的开源软件，与Simulink类似。在我们的实现中用到了Gnuradio的一些重要概念，简介如下（官方教程）：

• flow graph：flow graph是Gnuradio中最基本的概念，类似于流程图，不同的是flow graph中是数据流。flow graph的节点称作block，数据则沿着连接节点的有向边流动。
• block：block是进行信号处理的基本单位，所有的信号处理都是在block中进行的，理想状态下，每个block完成一个原子信号处理操作（如滤波等），block通过port互相连接，其中input port用于接收从前一个block传来的数据，而output port则用于发送数据给后一个block。一个流中的第一个block没有input port，其仅产生数据，被称作source；最后一个block没有output port，仅接收数据，被称作sink。
• item：数据是以item为单位进行传输的，item可以是实采样，复采样，整数或者上述多个某一类型的标量构成的向量。
• tagged stream blocks：这是我们在实现ibeacon发射机时涉及到的最重要的概念。在Gnuradio中，数据有两种传输模式，一种是流传输（例如滤波），另一种是包传输（例如CRC校验）。针对后者，Gnuradio提供了两种实现方式，分别是tagged stream blocks和message passing，这里我们仅介绍前者（关于message passing的概念及其与tagged stream blocks的区别可参见Gnuradio的使用手册）。tagged stream blocks使用了stream tags，后者是关于数据流的描述信息，称作metadata。通俗点说，就是在数据流的特定位置上打标签，声明数据的一些属性或相关信息（比方说ofdm解调中用到cfr等）。tagged stream blocks定义了一个特殊的stream tag来描述数据包的长度，即一个数据包中包含的item的个数。这样，tagged stream block在接收数据流时就可以根据这个描述包长度的stream tag确定数据包边界，进而对整个数据包进行操作。

2.2 Modules

为了便于管理模块，Gnuradio将具有相似功能的block封装到一个module中。除了官方发布的modules外，Gnuradio允许用户根据自己的需要编写module（out-of-tree modules）。自定义module的框架可以通过gr_modtool指令生成。

3 实现

上图展示了我们实现的ibeacon发射机的全貌，其中包括ibeacon_source、ble_crc、ble_data_whitening、ble_access_address_and_preamble等自定义block以及官方提供的GFSK Mod和osmocom sink。

3.1 ibeacon_source

该模块的功能为生成ibeacon使用的ble pdu，其中pdu的各个field的值可以通过设定模块的参数修改。pdu的格式和生成过程与Matlab实现相同，唯一需要注意的问题也是bit ordering。

3.2 ble_crc

该模块的功能是生成CRC，这里我们用到了boost库中的crc类，crc对象的定义如下：

boost::crc_optimal<24, 0x00065B, 0x555555, 0x0, false, false> d_crc_impl;

声明中的参数的意义分别是：多项式的阶、多项式系数，LFSR的初始状态，最终异或值，是否反转输入值，是否反转输出值。

生成CRC的代码如下：

d_crc_impl.process_bytes(in, packet_length);
unsigned int cal_crc = d_crc_impl.checksum();

其中packet_length的值为pdu的字节数。

注意CRC是从大端到小端传输的，并且跟在pdu之后：

out[packet_length] = (unsigned char)((cal_crc >> 16) & 0xFF);
out[packet_length+1] = (unsigned char)((cal_crc >> 8) & 0xFF);
out[packet_length+2] = (unsigned char)(cal_crc & 0xFF);

3.3 ble_data_whitening

该模块的功能是whitening，与Matlab中相同，我们首先算出扰码序列，然后将扰码与数据异或即可。

3.4 ble_access_address_and_preamble

该模块的功能是在经过whitening的包前添加access address和preamble。对于ibeacon而言，上述两个域的值都是固定的，因此直接实现即可（当然access address可以作为参数直接修改，或者通过stream tags从上层模块传递，但是这在ibeacon发射机中是不需要实现的）。

3.5 GFSK Mod

该模块的功能是对整个packet进行GFSK调制，其本身是一个复合模块（hier block），主要包括gaussian filter和frequency modulator两部分组成。

3.6 osmocom sink

该模块的功能是将信号传输到hackrf one外设，并由后者调制到载频发射。

4 运行效果

上述实现的运行效果与第四周工作一样，这里就不再重复了。