文档介绍：毕业设计论文
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(Cognitive Radio,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,如的无线局域网和 IEEE 的无线城域网;另一种是择机地使用已授权给其他系统的频段,如 IEEE 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GNU Radio和USRP实现的认知无线电实验平台。GNU Radio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GNU Radio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
    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
(spectrum hole)。文献[5]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。
    国内外研究现状
    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 munications 上发表了关于认知无线电的综述性文章“Cognitive radio:brain-empowered munications”
,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 Wi