如何使用GNU Radio和USRP实现认知无线电平台的研究说明平台研究

　　策略是造成频谱资源紧缺的重要原因之一。现有频谱管理机构主要采用固定分配频谱的方法，将无线频谱分配给不同的无线通信系统，即将某一无线频谱块固定指派给某一特定的无线接入网络，这些频谱块大小固定，相互之间间隔一定大小的保护频段，分配给具有执照资格的不同运营商使用到一定的期限，期满后再重新指派。固定分配方式下频谱管理非常简单，但是整体的频谱利用率却相对低下，不适应无线多媒体应用的高速发展。

　　在采用固定方式划分的频谱当中，某些频带在大部分时间未被占用，还有些频带只有部分频率被占用，而剩下的频带却被过负载使用，前两类低效利用的频谱被称之为频谱洞（spectrum hole）。文献对频谱洞的定义为：在管理机构指派给主用户（primary user）的频谱中，某时某地未被主用户使用的频率。在不对主用户系统产生不可忍受干扰的前提下，允许未授权（unlicensed）系统中的次用户（secondary user）利用频谱洞进行接入和通信。认知无线电技术使得上述对频谱洞的二次利用（secondary use）成为可能，由此被认为是解决无线频谱紧缺问题的方法之一。认知无线电系统的用户具有感知周围环境的能力，通过感知周围的频谱使用情况，检测主用户是否占用或释放频谱洞，可以智能地调整接入的频谱范围，在不对主用户系统产生不可忍受干扰的前提下，使用原来低效利用的频谱资源，从而使得整体的频谱利用率得到提高。

　　认知无线电（Cognitive Radio）这个术语首先是Joseph Mitola 在软件无线电概念的基础上提出的。1999 年Mitola 在他的博士论文中描述了一个认知无线电系统，通过无线知识描述语言（RKRL）来加强个人无线服务的灵活性，对认知无线电进行扩展，并给出了令人感兴趣的跨学科的认知无线电的概念总结。美国联邦通信委员会（FCC）2002 年发布的频谱政策特别工作组（SPTF） 报告，对频谱资源的使用政策具有深远的影响。报告设定了认知无线电工作组，并于2003 年5 月在华盛顿成立，随后在2004 年3 月在美国拉斯维加斯召开了一个认知无线电的学术会议，标志着认知无线电技术正式起步。学术界也行动起来，著名通信理论专家Simon Hakin 在2005年2月JSAC in Communications 上发表了关于认知无线电的综述性文章“Cognitive radio:brainempowered wireless communications”，开始了国际性的认知无线电技术研究。随后Berkeley、Virginia、Stevens等大学研究所和软件无线电（SDR） 论坛等研究组织纷纷展开研究，Rutgers 大学Winlab实验室进行了认知无线电平台的开发。Berkeley 大学提出了一种认知无线电网络层次结构，考虑了结构底下两层与普通的开放系统互连（OSI）模型的不同之处。美国国防部 （DARPA）的XG 计划将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享。XG 称其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高10～20 倍。Intel、Qualcomm、Philips、Nokia 等公司也已经开始着手进行民用认知无线电系统技术的研究。近两年国际上召开了两个重要的有关认知无线电技术和动态信道分配的会议，分别是：2004 年10 月份在 Washington 召开的“Cognitive Radios Conference”，会议的主要议题包括：紧急的商业和军事需求和机会，对于认知无线电的频谱政策——军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到认知无线电，用于自适应频谱管理的工具和技术，子系统的研发：智能天线、传感器和接收机，自适应调制和波形技术；2005 年11 月份召开的动态频谱接入（DySPAN）会议，会议的主要议题是基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术，会议发表了80 多篇文章。近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，包括电子科技大学，清华大学，香港科技大学及西安交通大学等。国家863 计划基金在2005 年首次支持了认知无线电关键技术的研究。目前的研究课题主要集中于认知无线电系统种的合作及跨层设计技术，空间信号检测和分析及QoS 保证机制等，涉及实验平台上的研究较少，还没有成熟的平台可供实际测试和验证。

　　本文主要研究基于GNU Radio 和USRP 实现的认知无线电实验平台，实现认知无线电中关键的两部分功能：频谱检测和动态接入。Gnuradio 和USRP 是基于PC 的一套开源的软件无线电开发平台，这个平台能快速灵活的设计出终端原型。本文介绍了GNURadio 的实现方式和编程原理；介绍了与作为配套硬件的USRP 的结构组成和功能；并着重对认知无线电功能在这个平台上的实现进行了研究，主要实现的研究目标有：（1）实现大范围的频谱的能量检测，检测出空闲的频段并作统计决策。（2）实现对干扰信号能量的快速检测和反应。（3）具有灵活快速的动态接入功能，实现动态接入和传输的物理层方法。（4）设计MAC 层、网络层及应用层的实现方法。（5）研究演示系统，并最终测试验证性能。