如何使用GNU Radio和USRP實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電平臺(tái)的研究說明平臺(tái)研究

　　策略是造成頻譜資源緊缺的重要原因之一。現(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(duì)低下，不適應(yīng)無線多媒體應(yīng)用的高速發(fā)展。

　　在采用固定方式劃分的頻譜當(dāng)中，某些頻帶在大部分時(shí)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)對(duì)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(shí)某地未被主用戶使用的頻率。在不對(duì)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(duì)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(duì)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。

　　認(rèn)知無線電（Cognitive Radio）這個(gè)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(gè)認(rèn)知無線電系統(tǒng)，通過無線知識(shí)描述語言（RKRL）來加強(qiáng)個(gè)人無線服務(wù)的靈活性，對(duì)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(huì)（FCC）2002 年發(fā)布的頻譜政策特別工作組（SPTF） 報(bào)告，對(duì)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(gè)認(rèn)知無線電的學(xué)術(shù)會(huì)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(dòng)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:brainempowered 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(tái)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(dòng)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(gè)重要的有關(guān)認(rèn)知無線電技術(shù)和動(dòng)態(tài)信道分配的會(huì)議，分別是：2004 年10 月份在 Washington 召開的“Cognitive Radios Conference”，會(huì)議的主要議題包括：緊急的商業(yè)和軍事需求和機(jī)會(huì)，對(duì)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(dòng)態(tài)頻譜接入（DySPAN）會(huì)議，會(huì)議的主要議題是基于認(rèn)知無線電的動(dòng)態(tài)頻譜分配和接入技術(shù)，會(huì)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(hào)檢測和分析及QoS 保證機(jī)制等，涉及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的研究較少，還沒有成熟的平臺(tái)可供實(shí)際測試和驗(yàn)證。

　　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(tái)，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(dòng)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(tái)，這個(gè)平臺(tái)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(duì)認(rèn)知無線電功能在這個(gè)平臺(tái)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(duì)干擾信號(hào)能量的快速檢測和反應(yīng)。（3）具有靈活快速的動(dòng)態(tài)接入功能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接入和傳輸?shù)奈锢韺臃椒?。?）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。