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?，F(xiàn)有頻譜管理機(jī)構(gòu)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(tǒng)，即將某一無線頻譜塊固定指派給某一特定的無線接入網(wǎng)絡(luò)，這些頻譜塊大小固定，相互之間間隔一定大小的保護(hù)頻段，分配給具有執(zhí)照資格的不同運(yùn)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(yīng)無線多媒體應(yīng)用的高速發(fā)展。

從文獻(xiàn)[5-7]及上圖可以看到，在采用固定方式劃分的頻譜當(dāng)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(fù)載使用，前兩類低效利用的頻譜被稱之為頻譜洞(spectrum hole)。文獻(xiàn)[5]對頻譜洞的定義為：在管理機(jī)構(gòu)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(tǒng)產(chǎn)生不可忍受干擾的前提下，允許未授權(quán)(unlicensed)系統(tǒng)中的次用戶(secondary user)利用頻譜洞進(jìn)行接入和通信。認(rèn)知無線電技術(shù)使得上述對頻譜洞的二次利用(secondary use)成為可能，由此被認(rèn)為是解決無線頻譜緊缺問題的方法之一。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的用戶具有感知周圍環(huán)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(diào)整接入的頻譜范圍，在不對主用戶系統(tǒng)產(chǎn)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(nèi)外研究現(xiàn)狀

認(rèn)知無線電(Cognitive Radio)這個術(shù)語首先是Joseph Mitola 在軟件無線電概念的基礎(chǔ)上提出的。1999 年Mitola 在他的博士論文中描述了一個認(rèn)知無線電系統(tǒng)，通過無線知識描述語言(RKRL)來加強(qiáng)個人無線服務(wù)的靈活性，對認(rèn)知無線電進(jìn)行擴(kuò)展，并給出了令人感興趣的跨學(xué)科的認(rèn)知無線電的概念總結(jié)。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)2002 年發(fā)布的頻譜政策特別工作組(SPTF)報(bào)告，對頻譜資源的使用政策具有深遠(yuǎn)的影響。報(bào)告設(shè)定了認(rèn)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(rèn)知無線電的學(xué)術(shù)會議，標(biāo)志著認(rèn)知無線電技術(shù)正式起步。學(xué)術(shù)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(fā)表了關(guān)于認(rèn)知無線電的綜述性文章“Cognitive radio:brain-empowered wireless communications”，開始了國際性的認(rèn)知無線電技術(shù)研究。隨后Berkeley、Virginia、Stevens等大學(xué)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(xué)Winlab實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了認(rèn)知無線電平臺的開發(fā)。Berkeley 大學(xué)提出了一種認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，考慮了結(jié)構(gòu)底下兩層與普通的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的不同之處。美國國防部(DARPA)的XG 計(jì)劃將研制以認(rèn)知無線電為核心的系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)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(jīng)開始著手進(jìn)行民用認(rèn)知無線電系統(tǒng)技術(shù)的研究。近兩年國際上召開了兩個重要的有關(guān)認(rèn)知無線電技術(shù)和動態(tài)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(yè)和軍事需求和機(jī)會，對于認(rèn)知無線電的頻譜政策——軍事和商業(yè)要求，從軟件定義的無線電發(fā)展到認(rèn)知無線電，用于自適應(yīng)頻譜管理的工具和技術(shù)，子系統(tǒng)的研發(fā)：智能天線、傳感器和接收機(jī)，自適應(yīng)調(diào)制和波形技術(shù)；2005 年11 月份召開的動態(tài)頻譜接入(DySPAN)會議，會議的主要議題是基于認(rèn)知無線電的動態(tài)頻譜分配和接入技術(shù)，會議發(fā)表了80 多篇文章。

近幾年，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始關(guān)注和跟蹤該技術(shù)，包括電子科技大學(xué)，清華大學(xué)，香港科技大學(xué)及西安交通大學(xué)等。國家863 計(jì)劃基金在2005 年首次支持了認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)的研究。目前的研究課題主要集中于認(rèn)知無線電系統(tǒng)種的合作及跨層設(shè)計(jì)技術(shù)，空間信號檢測和分析及QoS 保證機(jī)制等，涉及實(shí)驗(yàn)平臺上的研究較少，還沒有成熟的平臺可供實(shí)際測試和驗(yàn)證。

1.3 本文主要工作

本文主要研究基于GNU Radio 和USRP 實(shí)現(xiàn)的認(rèn)知無線電實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電中關(guān)鍵的兩部分功能：頻譜檢測和動態(tài)接入。Gnuradio 和USRP 是基于PC 的一套開源的軟件無線電開發(fā)平臺，這個平臺能快速靈活的設(shè)計(jì)出終端原型。本文介紹了GNURadio 的實(shí)現(xiàn)方式和編程原理；介紹了與作為配套硬件的USRP 的結(jié)構(gòu)組成和功能；并著重對認(rèn)知無線電功能在這個平臺上的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,主要實(shí)現(xiàn)的研究目標(biāo)有：
（1）實(shí)現(xiàn)大范圍的頻譜的能量檢測，檢測出空閑的頻段并作統(tǒng)計(jì)決策。
（2）實(shí)現(xiàn)對干擾信號能量的快速檢測和反應(yīng)。
（3）具有靈活快速的動態(tài)接入功能，實(shí)現(xiàn)動態(tài)接入和傳輸?shù)奈锢韺臃椒ā?br /> （4）設(shè)計(jì)MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)方法。
（5）研究演示系統(tǒng)，并最終測試驗(yàn)證性能。

1.4 論文結(jié)構(gòu)

論文在對認(rèn)知無線電的相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行深入了解和研究的基礎(chǔ)上，基于GNU Radio 和USRP 設(shè)計(jì)了一個認(rèn)知無線電平臺。論文的組織思路是：首先介紹國內(nèi)外認(rèn)知無線電術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，分析認(rèn)知無線電的基本理論，介紹GNU Radio 和USRP 的結(jié)構(gòu)和原理，然后提出一種頻譜檢測和動態(tài)接入的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸實(shí)時視頻驗(yàn)證演示，最后分析了系統(tǒng)的性能和待改進(jìn)之處。

論文的章節(jié)安排如下：
第一章，結(jié)合國內(nèi)外認(rèn)知無線電研究動態(tài)和發(fā)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(jié)合無線電發(fā)展背景介紹軟件無線電和認(rèn)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(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。并提出了基于該平臺設(shè)計(jì)的認(rèn)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(shè)計(jì)了頻譜能量檢測的方法。
第五章，詳細(xì)描述了動態(tài)接入和傳輸?shù)幕驹砗蛯?shí)現(xiàn)過程。設(shè)計(jì)了物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)方法。
第六章，給出了平臺演示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法，并測試了平臺的性能，最后總結(jié)全文，提出了待改進(jìn)之處及其改進(jìn)思路。

1.5 本章小結(jié)

本章主要先介紹了論文的選題意義、國內(nèi)外認(rèn)知無線電技術(shù)研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)。

第二章 認(rèn)知無線電背景

2.1 無線電平臺發(fā)展背景

在第一章中，我們已經(jīng)列舉了認(rèn)知無線電在各個研究領(lǐng)域的幾種專業(yè)定義與內(nèi)涵，那么，認(rèn)知無線電與傳統(tǒng)無線電以及軟件無線電之間又有著什么樣的關(guān)系與區(qū)別呢？

傳統(tǒng)的模擬無線電系統(tǒng)，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(diào)制方式的無線系統(tǒng)都對應(yīng)一種硬件結(jié)構(gòu)，很難隨著不斷發(fā)展的技術(shù)更新而做出跟進(jìn)的改變。而軟件無線電思想是20 世紀(jì)90 年代以后逐漸興起的一種全新的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)不同的通信方式間的轉(zhuǎn)換。這種全新的設(shè)計(jì)思想將極大的縮短通信系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本。它的基本思想是將寬帶的A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在最大程度上通過DSP 軟件來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能[8, 9]。

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

根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會(IEEE)的定義，一個無線電設(shè)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(shù)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(guān)注的是無線電系統(tǒng)信號處理的實(shí)現(xiàn)方式[8]。

認(rèn)知無線電技術(shù)是一種由軟件無線電技術(shù)發(fā)展而來的無線通信技術(shù)。認(rèn)知無線電在軟件無線電的基礎(chǔ)上，采用了隨時變化的通訊協(xié)議的技術(shù)，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(huán)境以及所處位置，并在此基礎(chǔ)上改變其功率、頻率、調(diào)制以及一些其它的參數(shù)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(rèn)知無線電是更高層的概念，不僅包括信號處理，還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層功能。正是這種對外界環(huán)境的自適應(yīng)能力，使得認(rèn)知無線電成為實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜分配的一種主流方案[10]。

總結(jié)上述三者之間的異同所在，可以看到，認(rèn)知無線電具有下面兩個主要特征：

（1）認(rèn)知

認(rèn)知能力使CR 能夠從其工作的無線環(huán)境中捕獲或者感知信息，從而可以標(biāo)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(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)。這一任務(wù)通常包括3