[信息与通信]基于gnuradio和usrp的认知无线电平台研究

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1、基于GNURadio和USRP的认知无线电平台研究摘要：  无线频谱的紧缺是限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电(CognitiveRadio，CR)技术被认为是解决无线频谱紧缺问题的一种新方法。认知无线电技术是无线移动通信领域的一种革命性技术，无线用户利用该技术可以智能地感知周围环境，搜索可用频谱资源，并进行动态的频谱接入，从而提高通信系统的容量和频谱利用率。目前，利用认知无线电技术进行动态频谱接入有两种情况。一种是在免执照的开放频段动态共享该段频谱，如2.4GHz的无线局域网和IEEE802.16h/g的无线城域网；另一种是择机地使用已授权给其

2、他系统的频段，如IEEE802.22无线区域网，其用户择机使用已授权于数字广播频谱。现在国内外的研究大多局限于仿真和理论研究，在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GNURadio和USRP实现的认知无线电实验平台。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。平台采用择机动态频谱接入方法，在400M-430M范围内择机使用空闲的授权频段。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在这个平台

3、上的实现进行了研究,主要实现的研究内容为：研究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；研究动态接入和传输的物理层方法；研究设计MAC层、网络层及应用层的实现方法；研究演示系统，并最终测试验证性能。关键词：认知无线电；实验平台；频谱检测；动态接入；GMSK；CSMA；tuntap；网络编程；wxPython第一章绪论  1.1论文选题意义  随着无线多媒体应用的增加，无线频谱成为越来越紧缺的资源。有研究结果[1-4]指出，现有的频谱管理与分配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

4、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。从文献[5-7]及上图可以看到，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(spectrumhole)。文献[5]对频谱洞的定义为：在管理机构指派给主用户(primaryuser)

5、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(secondaryuser)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(secondaryuse)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。  1.2国内外研究

6、现状  认知无线电(CognitiveRadio)这个术语首先是JosephMitola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

7、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SimonHakin在2005年2月JSACinCommunications上发表了关于认知无线电的综述性文章“Cognitiveradio:brain-empoweredwirelesscommunications”，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

8、普通的开放系统互连(OSI)模型的不同