基于GNU Radio和USRP的认知无线电平台研究

第一章 绪论

1.1 论文选题意义

策略是造成频谱资源紧缺的重要原因之一。现有频谱管理机构主要采用固定分配频谱的方法，将无线频谱分配给不同的无线通信系统，即将某一无线频谱块固定指派给某一特定的无线接入网络，这些频谱块大小固定，相互之间间隔一定大小的保护频段，分配给具有执照资格的不同运营商使用到一定的期限，期满后再重新指派。固定分配方式下频谱管理非常简单，但是整体的频谱利用率却相对低下，不适应无线多媒体应用的高速发展。

从文献[5-7]及上图可以看到，在采用固定方式划分的频谱当中，某些频带在大部分时间未被占用，还有些频带只有部分频率被占用，而剩下的频带却被过负载使用，前两类低效利用的频谱被称之为频谱洞(spectrum hole)。文献[5]对频谱洞的定义为：在管理机构指派给主用户(primary user)的频谱中，某时某地未被主用户使用的频率。在不对主用户系统产生不可忍受干扰的前提下，允许未授权(unlicensed)系统中的次用户(secondary user)利用频谱洞进行接入和通信。认知无线电技术使得上述对频谱洞的二次利用(secondary use)成为可能，由此被认为是解决无线频谱紧缺问题的方法之一。认知无线电系统的用户具有感知周围环境的能力，通过感知周围的频谱使用情况，检测主用户是否占用或释放频谱洞，可以智能地调整接入的频谱范围，在不对主用户系统产生不可忍受干扰的前提下，使用原来低效利用的频谱资源，从而使得整体的频谱利用率得到提高。

1.2 国内外研究现状

认知无线电(Cognitive Radio)这个术语首先是Joseph Mitola 在软件无线电概念的基础上提出的。1999 年Mitola 在他的博士论文中描述了一个认知无线电系统，通过无线知识描述语言(RKRL)来加强个人无线服务的灵活性，对认知无线电进行扩展，并给出了令人感兴趣的跨学科的认知无线电的概念总结。美国联邦通信委员会(FCC)2002 年发布的频谱政策特别工作组(SPTF)报告，对频谱资源的使用政策具有深远的影响。报告设定了认知无线电工作组，并于2003 年5 月在华盛顿成立，随后在2004 年3 月在美国拉斯维加斯召开了一个认知无线电的学术会议，标志着认知无线电技术正式起步。学术界也行动起来，著名通信理论专家Simon Hakin 在2005年2月JSAC in Communications 上发表了关于认知无线电的综述性文章“Cognitive radio:brain-empowered wireless communications”，开始了国际性的认知无线电技术研究。随后Berkeley、Virginia、Stevens等大学研究所和软件无线电(SDR) 论坛等研究组织纷纷展开研究，Rutgers 大学Winlab实验室进行了认知无线电平台的开发。Berkeley 大学提出了一种认知无线电网络层次结构，考虑了结构底下两层与普通的开放系统互连(OSI)模型的不同之处。美国国防部(DARPA)的XG 计划将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享。XG 称其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高10～20 倍。Intel、Qualcomm、Philips、Nokia 等公司也已经开始着手进行民用认知无线电系统技术的研究。近两年国际上召开了两个重要的有关认知无线电技术和动态信道分配的会议，分别是：2004 年10 月份在Washington 召开的“Cognitive Radios Conference”，会议的主要议题包括：紧急的商业和军事需求和机会，对于认知无线电的频谱政策——军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到认知无线电，用于自适应频谱管理的工具和技术，子系统的研发：智能天线、传感器和接收机，自适应调制和波形技术；2005 年11 月份召开的动态频谱接入(DySPAN)会议，会议的主要议题是基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术，会议发表了80 多篇文章。

近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，包括电子科技大学，清华大学，香港科技大学及西安交通大学等。国家863 计划基金在2005 年首次支持了认知无线电关键技术的研究。目前的研究课题主要集中于认知无线电系统种的合作及跨层设计技术，空间信号检测和分析及QoS 保证机制等，涉及实验平台上的研究较少，还没有成熟的平台可供实际测试和验证。

1.3 本文主要工作

本文主要研究基于GNU Radio 和USRP 实现的认知无线电实验平台，实现认知无线电中关键的两部分功能：频谱检测和动态接入。Gnuradio 和USRP 是基于PC 的一套开源的软件无线电开发平台，这个平台能快速灵活的设计出终端原型。本文介绍了GNURadio 的实现方式和编程原理；介绍了与作为配套硬件的USRP 的结构组成和功能；并着重对认知无线电功能在这个平台上的实现进行了研究,主要实现的研究目标有：
（1）实现大范围的频谱的能量检测，检测出空闲的频段并作统计决策。
（2）实现对干扰信号能量的快速检测和反应。
（3）具有灵活快速的动态接入功能，实现动态接入和传输的物理层方法。
（4）设计MAC 层、网络层及应用层的实现方法。
（5）研究演示系统，并最终测试验证性能。

1.4 论文结构

论文在对认知无线电的相关理论和技术进行深入了解和研究的基础上，基于GNU Radio 和USRP 设计了一个认知无线电平台。论文的组织思路是：首先介绍国内外认知无线电术的发展状况，分析认知无线电的基本理论，介绍GNU Radio 和USRP 的结构和原理，然后提出一种频谱检测和动态接入的设计和实现认知无线电网络，并在网络内传输实时视频验证演示，最后分析了系统的性能和待改进之处。

论文的章节安排如下：
第一章，结合国内外认知无线电研究动态和发展趋势，简要地介绍了论文的选题意义和主要从事的研究工作。
第二章，结合无线电发展背景介绍软件无线电和认知无线电等方面背景理论知识。
第三章，介绍GNU Radio 和USRP，对其软件和硬件技术进行了详细的描述。并提出了基于该平台设计的认知无线电平台的基本框架。
第四章，介绍了频谱检测的方法和原理，设计了频谱能量检测的方法。
第五章，详细描述了动态接入和传输的基本原理和实现过程。设计了物理层、MAC层、网络层及应用层的实现方法。
第六章，给出了平台演示系统实现的方法，并测试了平台的性能，最后总结全文，提出了待改进之处及其改进思路。

1.5 本章小结

本章主要先介绍了论文的选题意义、国内外认知无线电技术研究现状，并给出了主要从事的研究工作，最后介绍了论文的组织结构。

第二章 认知无线电背景

2.1 无线电平台发展背景

在第一章中，我们已经列举了认知无线电在各个研究领域的几种专业定义与内涵，那么，认知无线电与传统无线电以及软件无线电之间又有着什么样的关系与区别呢？

传统的模拟无线电系统，其射频部分、上/下变频、滤波及基带处理全部采用模拟方式。一个频段、一种调制方式的无线系统都对应一种硬件结构，很难随着不断发展的技术更新而做出跟进的改变。而软件无线电思想是20 世纪90 年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想，其核心是在通用的硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不同的通信方式间的转换。这种全新的设计思想将极大的缩短通信系统开发的时间和成本。它的基本思想是将宽带的A/D转换器尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在最大程度上通过DSP 软件来实现通信系统的各种功能[8, 9]。

软件无线电将无线设备中原来由硬件实现的功能改由软件实现，通过改变软件就能改变无线设备的功能。但是功能变化必须由外部进行控制，无线设备自身并不能根据需求主动地改变功能[8]。

根据电子与电气工程师协会(IEEE)的定义，一个无线电设备可以称为SDR 的基本前提是：部分或者全部基带或RF 信号处理通过使用数字信号处理软件完成。这些软件可以在出厂后修改。因此，SDR 关注的是无线电系统信号处理的实现方式[8]。

认知无线电技术是一种由软件无线电技术发展而来的无线通信技术。认知无线电在软件无线电的基础上，采用了随时变化的通讯协议的技术，同时增加了一个新的元素——依靠人工智能的支持，能够感知其所在的环境以及所处位置，并在此基础上改变其功率、频率、调制以及一些其它的参数以求更高的频带利用率，即确定绕过障碍的最佳传输路径。从这个意义上讲，认知无线电是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。正是这种对外界环境的自适应能力，使得认知无线电成为实现动态频谱分配的一种主流方案[10]。

总结上述三者之间的异同所在，可以看到，认知无线电具有下面两个主要特征：

（1）认知

认知能力使CR 能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。这一任务通常包括3