基于GNU Radio和USRP的认知无线电平台研究

或者供两个收发子板使用。子板提供RF 接收接口或者调谐器和发送器。这就允许在使用实采样时，每个子板能使用两个独立的 RF 和天线。如果使用复采样，每个子板能使用一个 RF 和天线。通常，每个子板都有两个 SMA 连接口供输入或者输出使用。子板上有一个 I2C的 EEPROM 以便储存子板的标识信息和一些校准信息比如：直流偏置值和 IQ 误差，当子板插到母板上时能够被系统正确识别。

子板有多种类型，分别覆盖不同的射频范围，且具有不同的收、发功能。目前有下面几种子板：

BasicTX、Basic RX：这两种子卡没有中频 IF 与射频 RF 间的频谱变换，仅仅提供主板上中频信号与天线间的接口。尽管如此， 由于 ADC 和 DAC 可进行带通采样，仍然可支持 2MHz～200MHz 的载频；

TVRX：可覆盖 500MHz～800MHz 广播电视频段的接收子卡；

DBSRX：可覆盖 800MHz～2.4G 的接受子卡；

RFX400、RFX900、RFX1200、RFX1800、RFX2400：这些子卡均为支持双工，可分别覆盖400～500MHz、800～1000 MHz、1150～1450 MHz、1.5～2.1 GHz、2.3～2.9GHz频段。由于其通用性，使用较多。本实验平台一般使用 RFX400、RFX2400。

图 3-8 为 RFX400 子板，可以看到在子板上有两个接口，可用来连接输入、输出信号。

(4)USB2.0

USRP采用 USB2.0 接口与 PC 连接。最高达到 32M Byte/s 的数据传输速率。如果AD 和 DA 分别采用 12Bit和 14Bit 的采样精度，那么每个实采样点占用 2Bytes，每个复采样点占用 4Bytes。如果以一路复数采用进行单收或单发，则最高可达到 32M/4=8M复采样每秒，即最高发送或接收 8MHz 带宽的信号。如果用 8bit 采样，则最高可收、发16MHz 带宽的信号。ADC 和 DAC 始终分别以 64M 和 128M 的速率进行采样，用户实际获得的采样速率是通过设置抽值率或插值率得到的。

USB支持三种传输方式：命令、bulk 读写、同步传输。在这里我们使用命令包配置USRP、装入固件和 FPGA的 bitstream；使用 bulk 读写或者同步传输传送 FPGA 与 PC之间的数据。

从图 3-9 可知，以数据接收过程为例，从射频 RF 端到模拟基带信号到数字系带信号再到 PC 传输，整个流程转换过程。可见 GNU Radio 和 USRP 可以处理无线信号并具有极强的可重构能力。

3.4 GNU Radio 和 USRP 应用举例

经过几年的发展，各地的研究者和爱好者已经发展了多种应用，下面对一些典型应用做一个简单介绍。

（1）由意大利 PISA 大学研究的 DVB-T 实时接收播放播放系统，使用一个单核奔腾 3.0G CPU 处 理 。 这 个 模 块 将 很 快 集 成 到 GNU Radio 中 。

（2）弗吉尼亚理工大学的 CWT 研究所使用 GNU Radio 和 USRP 实现 SmartRadio认知无线电项目，这个项目是为了在灾后能迅速发现周围的无线电通信信号，并与之通信 ， 其 获 得 SDR Forum Smart Radio Challenge 2007的 金 奖 。

（3）德克萨斯大学的 WNCG 研究所利用 GNU Radio 和 USRP 实现 MIMO 和多跳网络的测试

（4）还有其它常用的的应用比如：MIMO，GPS 接收机，无线电天文学，总之能想到的无线电项目，GNU Radio 和 USRP 几乎都能实现。

 3.5 基于 GNU Radio 和 USRP 认知无线电平台简介

本文基于 GNU Radio 和 USRP 的认知无线电平台所要实现的主要功能有：频谱检测；传输频率选择；软件无线电平台重构；无线传输。

第一步——频谱检测及选择，检测授权用户是否在使用，在使用哪一段频率，哪一段频率有空闲。认知无线电非授权用户可以将频谱检测的信息与其它认知无线电用户分享，合作认知即是使用这种方法。其中合作认知又分为具有中心节点（由中心节点收集所有频谱信息，再做决策）和非中心节点式的（由普通节点决策）。认知无线电网络最终决策出通信的频段和通信方式。

第二步，认知无线电平台根据决策以某种调制方式、传输功率重构到某一空闲频率，重构的过程应尽可能快。

最后一步，传输数据，不单只物理层要重构好，MAC 层及以上层级也需作出相应的策略，保证传输速率和质量。

3.6 本章小结

本章介绍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 基于 GNU Radio 和 USRP 的频谱检测方法

4.1 频谱检测方法介绍

4.1.1 认知无线电频谱感知原理

目前，在认知无线电领域用于检测某频段内是否有信号存在、有哪些信号存在的方法有多种。以检测类型划分，可分为信号存在性检测和信号覆盖范围检测两类；以检测节点个数划分，可分为单节点检测和多节点联合检测；以检测方法划分，主要分为匹配滤波、能量检测、周期特性检测三类[23]。总结归纳各种方法如图所示：

信号存在检测，是指在经过对某特定频段内信号的进行观测之后，做出该频段上是否有信号存在的判断，这种探测原理的基本模型可以用下面的公式表示：

其中，x(t)是认知无线电接收到的信号，s(t)是第一用户传输的信号；n(t)是加性白高斯噪声；h 是信道的增益；Ho 是未被占用的假设，表明了目前在这一确定频段上没有第一用户；H1 是另一种假设，表明目前存在第一用户。

下面将对单节点检测的几种方法进行介绍、分析：

（1）匹配滤波器探测

当认知无线电获悉了第一用户的信号后，静态高斯噪声理想探测器就是匹配滤波器，原因在于它能使接收到的信号的信噪比（SNR）最大化。匹配滤波器的主要优点是它只需很短的时间就可以获得高处理增益。然而，它必须有效地对第一用户的信号进行解调，这就意味着它需要第一用户的先验知识，比如解调方式和阶数、数据包格式等。

上述信息可以预存在认知无线电的内存中，然而，对解调来讲，认知无线电必须通过时间和载频同步甚至信道同步来获得第一用户的相关性。如果这些信息是不准确的，那么，匹配滤波器的性能就会变得很差。匹配滤波器探测的一个明显缺点在于，认知无线电对每一类型的第一用户都要有一个专门的接收器。

（2）能量探测

如果接收机不能够收集到第一用户信号的足够的信息，此时的最佳探测器就是能量探测器。为了测量接收信号的能量，需要对带宽为 W 的带通滤波器的输出信号进行平方运算并在观测时间段 T 内进行积分，并将积分器的输出 Y 与门限值进行比较，从而判定合法用户是否出现。检测过程示意图如下所示：

能量探测器的门限很容易受到噪声功率的变化的影响。为了解决这个问题，已经有文献提出通过第一用户发射机的导频音（Pilot Tone）来提高认知无线电能量探测器的准确性。另外，即使能够适应性的设定门限值，带内干扰的出现也会扰乱能量探测器。能量探测器的另外一个缺点是它只能探测到有用信号出现，而不能够区分信号的类型，即它不能区分已调制信号 、噪声及干扰。因此，能量探测器容易被不明信号误导而产生误判决。

（3）静态循环特征探测

调制信号一般都经过了载波、脉冲序列、重复性扩展、跳频及循环前缀等耦合处理，使已调信号具有了内在的周期性。虽然数据是静态随机的，但是这些调制后的信号的均值和自相关函数都具有周期性，因而称其具有循环性。通过分析频谱自相关函数可以探测出这些特征。频谱自相关函数的最主要的优点是它能够把噪声能量和已调信号的能量区分开来，这是因为噪声是一个宽带的、静态的、没有相关性的信号，而已调信号具有频谱相关性和周期性。静态循环特征探测器具有更强的抵抗噪声功率中不确定性的能力，因而能够比能量探测器更好地分辨出噪声信号。不过，它就比能量探测器更加复杂并且需要更长的观测时间。

4.1.2 感知任务

综合比较上述三种检测方法的优缺点，我们可以得到下面的对比：

在本认知无线电实验平台中，我们选择能量检测的方式做频谱感知。因为匹配滤波需要授权用户的信号模型，只能针对某种信号进行检测，而能量检测的方法对任意信号都适用。而且匹配滤波需要重构到某种调制解调方式，解码成型需要花费大量的计算时间。而周期特性检测复杂度太高，时间也较长，作为初步实验并不需要如此复杂的检测技术。

本次实验采用能量检测的方法。感知任务如下：

在选取子板所能接收的频率范围内，可以对任意的频段进行能量检测，比如针对RF