第一章 緒論

1.1 論文選題意義

策略是造成頻譜資源緊缺的重要原因之一。現有頻譜管理機構主要采用固定分配頻譜的方法，將無線頻譜分配給不同的無線通信系統，即將某一無線頻譜塊固定指派給某一特定的無線接入網絡，這些頻譜塊大小固定，相互之間間隔一定大小的保護頻段，分配給具有執照資格的不同運營商使用到一定的期限，期滿后再重新指派。固定分配方式下頻譜管理非常簡單，但是整體的頻譜利用率卻相對低下，不適應無線多媒體應用的高速發展。

從文獻[5-7]及上圖可以看到，在采用固定方式劃分的頻譜當中，某些頻帶在大部分時間未被占用，還有些頻帶只有部分頻率被占用，而剩下的頻帶卻被過負載使用，前兩類低效利用的頻譜被稱之為頻譜洞(spectrum hole)。文獻[5]對頻譜洞的定義為：在管理機構指派給主用戶(primary user)的頻譜中，某時某地未被主用戶使用的頻率。在不對主用戶系統產生不可忍受干擾的前提下，允許未授權(unlicensed)系統中的次用戶(secondary user)利用頻譜洞進行接入和通信。認知無線電技術使得上述對頻譜洞的二次利用(secondary use)成為可能，由此被認為是解決無線頻譜緊缺問題的方法之一。認知無線電系統的用戶具有感知周圍環境的能力，通過感知周圍的頻譜使用情況，檢測主用戶是否占用或釋放頻譜洞，可以智能地調整接入的頻譜范圍，在不對主用戶系統產生不可忍受干擾的前提下，使用原來低效利用的頻譜資源，從而使得整體的頻譜利用率得到提高。

1.2 國內外研究現狀

認知無線電(Cognitive Radio)這個術語首先是Joseph Mitola 在軟件無線電概念的基礎上提出的。1999 年Mitola 在他的博士論文中描述了一個認知無線電系統，通過無線知識描述語言(RKRL)來加強個人無線服務的靈活性，對認知無線電進行擴展，并給出了令人感興趣的跨學科的認知無線電的概念總結。美國聯邦通信委員會(FCC)2002 年發布的頻譜政策特別工作組(SPTF)報告，對頻譜資源的使用政策具有深遠的影響。報告設定了認知無線電工作組，并于2003 年5 月在華盛頓成立，隨后在2004 年3 月在美國拉斯維加斯召開了一個認知無線電的學術會議，標志著認知無線電技術正式起步。學術界也行動起來，著名通信理論專家Simon Hakin 在2005年2月JSAC in Communications 上發表了關于認知無線電的綜述性文章“Cognitive radio:brain-empowered wireless communications”，開始了國際性的認知無線電技術研究。隨后Berkeley、Virginia、Stevens等大學研究所和軟件無線電(SDR) 論壇等研究組織紛紛展開研究，Rutgers 大學Winlab實驗室進行了認知無線電平臺的開發。Berkeley 大學提出了一種認知無線電網絡層次結構，考慮了結構底下兩層與普通的開放系統互連(OSI)模型的不同之處。美國國防部(DARPA)的XG 計劃將研制以認知無線電為核心的系統方法和關鍵技術，以實現動態頻譜接入和共享。XG 稱其論證的頻譜效率可使目前的頻譜利用率提高10～20 倍。Intel、Qualcomm、Philips、Nokia 等公司也已經開始著手進行民用認知無線電系統技術的研究。近兩年國際上召開了兩個重要的有關認知無線電技術和動態信道分配的會議，分別是：2004 年10 月份在Washington 召開的“Cognitive Radios Conference”，會議的主要議題包括：緊急的商業和軍事需求和機會，對于認知無線電的頻譜政策——軍事和商業要求，從軟件定義的無線電發展到認知無線電，用于自適應頻譜管理的工具和技術，子系統的研發：智能天線、傳感器和接收機，自適應調制和波形技術；2005 年11 月份召開的動態頻譜接入(DySPAN)會議，會議的主要議題是基于認知無線電的動態頻譜分配和接入技術，會議發表了80 多篇文章。

近幾年，國內研究機構也開始關注和跟蹤該技術，包括電子科技大學，清華大學，香港科技大學及西安交通大學等。國家863 計劃基金在2005 年首次支持了認知無線電關鍵技術的研究。目前的研究課題主要集中于認知無線電系統種的合作及跨層設計技術，空間信號檢測和分析及QoS 保證機制等，涉及實驗平臺上的研究較少，還沒有成熟的平臺可供實際測試和驗證。

1.3 本文主要工作

本文主要研究基于GNU Radio 和USRP 實現的認知無線電實驗平臺，實現認知無線電中關鍵的兩部分功能：頻譜檢測和動態接入。Gnuradio 和USRP 是基于PC 的一套開源的軟件無線電開發平臺，這個平臺能快速靈活的設計出終端原型。本文介紹了GNURadio 的實現方式和編程原理；介紹了與作為配套硬件的USRP 的結構組成和功能；并著重對認知無線電功能在這個平臺上的實現進行了研究,主要實現的研究目標有：
（1）實現大范圍的頻譜的能量檢測，檢測出空閑的頻段并作統計決策。
（2）實現對干擾信號能量的快速檢測和反應。
（3）具有靈活快速的動態接入功能，實現動態接入和傳輸的物理層方法。
（4）設計MAC 層、網絡層及應用層的實現方法。
（5）研究演示系統，并最終測試驗證性能。

1.4 論文結構

論文在對認知無線電的相關理論和技術進行深入了解和研究的基礎上，基于GNU Radio 和USRP 設計了一個認知無線電平臺。論文的組織思路是：首先介紹國內外認知無線電術的發展狀況，分析認知無線電的基本理論，介紹GNU Radio 和USRP 的結構和原理，然后提出一種頻譜檢測和動態接入的設計和實現認知無線電網絡，并在網絡內傳輸實時視頻驗證演示，最后分析了系統的性能和待改進之處。

論文的章節安排如下：
第一章，結合國內外認知無線電研究動態和發展趨勢，簡要地介紹了論文的選題意義和主要從事的研究工作。
第二章，結合無線電發展背景介紹軟件無線電和認知無線電等方面背景理論知識。
第三章，介紹GNU Radio 和USRP，對其軟件和硬件技術進行了詳細的描述。并提出了基于該平臺設計的認知無線電平臺的基本框架。
第四章，介紹了頻譜檢測的方法和原理，設計了頻譜能量檢測的方法。
第五章，詳細描述了動態接入和傳輸的基本原理和實現過程。設計了物理層、MAC層、網絡層及應用層的實現方法。
第六章，給出了平臺演示系統實現的方法，并測試了平臺的性能，最后總結全文，提出了待改進之處及其改進思路。

1.5 本章小結

本章主要先介紹了論文的選題意義、國內外認知無線電技術研究現狀，并給出了主要從事的研究工作，最后介紹了論文的組織結構。

第二章 認知無線電背景

2.1 無線電平臺發展背景

在第一章中，我們已經列舉了認知無線電在各個研究領域的幾種專業定義與內涵，那么，認知無線電與傳統無線電以及軟件無線電之間又有著什么樣的關系與區別呢？

傳統的模擬無線電系統，其射頻部分、上/下變頻、濾波及基帶處理全部采用模擬方式。一個頻段、一種調制方式的無線系統都對應一種硬件結構，很難隨著不斷發展的技術更新而做出跟進的改變。而軟件無線電思想是20 世紀90 年代以后逐漸興起的一種全新的設計思想，其核心是在通用的硬件平臺上加載不同的通信軟件，以實現不同的通信方式間的轉換。這種全新的設計思想將極大的縮短通信系統開發的時間和成本。它的基本思想是將寬帶的A/D轉換器盡可能地靠近射頻天線，即盡可能早地將接收到的模擬信號轉化為數字信號，在最大程度上通過DSP 軟件來實現通信系統的各種功能[8, 9]。

軟件無線電將無線設備中原來由硬件實現的功能改由軟件實現，通過改變軟件就能改變無線設備的功能。但是功能變化必須由外部進行控制，無線設備自身并不能根據需求主動地改變功能[8]。

根據電子與電氣工程師協會(IEEE)的定義，一個無線電設備可以稱為SDR 的基本前提是：部分或者全部基帶或RF 信號處理通過使用數字信號處理軟件完成。這些軟件可以在出廠后修改。因此，SDR 關注的是無線電系統信號處理的實現方式[8]。

認知無線電技術是一種由軟件無線電技術發展而來的無線通信技術。認知無線電在軟件無線電的基礎上，采用了隨時變化的通訊協議的技術，同時增加了一個新的元素——依靠人工智能的支持，能夠感知其所在的環境以及所處位置，并在此基礎上改變其功率、頻率、調制以及一些其它的參數以求更高的頻帶利用率，即確定繞過障礙的最佳傳輸路徑。從這個意義上講，認知無線電是更高層的概念，不僅包括信號處理，還包括根據相應的任務、政策、規則和目標進行推理和規劃的高層功能。正是這種對外界環境的自適應能力，使得認知無線電成為實現動態頻譜分配的一種主流方案[10]。

總結上述三者之間的異同所在，可以看到，認知無線電具有下面兩個主要特征：

（1）認知

認知能力使CR 能夠從其工作的無線環境中捕獲或者感知信息，從而可以標識特定時間和空間的未使用頻譜資源(也稱為頻譜空洞)，并選擇最適當的頻譜和工作參數。這一任務通常包括3