如何使用GNU Radio和USRP實現(xiàn)認知無線電平臺的研究說明平臺研究

　　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(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(zhí)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(fā)展。

　　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(tǒng)產生不可忍受干擾的前提下，允許未授權（unlicensed）系統(tǒng)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(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，可以智能地調整接入的頻譜范圍，在不對主用戶系統(tǒng)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。

　　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(tǒng)，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(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(fā)表了關于認知無線電的綜述性文章“Cognitive radio:brainempowered 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(fā)。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(tǒng)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(tǒng)方法和關鍵技術，以實現(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 等公司也已經開始著手進行民用認知無線電系統(tǒng)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(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)和軍事需求和機會，對于認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)展到認知無線電，用于自適應頻譜管理的工具和技術，子系統(tǒng)的研發(fā)：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(tài)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(tài)頻譜分配和接入技術，會議發(fā)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(tǒng)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。

　　本文主要研究基于GNU Radio 和USRP 實現(xiàn)的認知無線電實驗平臺，實現(xiàn)認知無線電中關鍵的兩部分功能：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計出終端原型。本文介紹了GNURadio 的實現(xiàn)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(xiàn)進行了研究，主要實現(xiàn)的研究目標有：（1）實現(xiàn)大范圍的頻譜的能量檢測，檢測出空閑的頻段并作統(tǒng)計決策。（2）實現(xiàn)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(tài)接入功能，實現(xiàn)動態(tài)接入和傳輸?shù)奈锢韺臃椒?。?）設計MAC 層、網絡層及應用層的實現(xiàn)方法。（5）研究演示系統(tǒng)，并最終測試驗證性能。