基于GNU Radio和USRP的认知无线电平台研究

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。

1.4 论文结构

论文在对认知无线电的相关理论和技术进行深入了解和研究的基础上，基于GNU Radio 和USRP 设计了一个认知无线电平台。论文的组织思路是：首先介绍国内外认知无线电术的发展状况，分析认知无线电的基本理论，介绍GNU Radio 和USRP 的结构和原理，然后提出一种频谱检测和动态接入的设计和实现认知无线电网络，并在网络内传输实时视频验证演示，最后分析了系统的性能和待改进之处。

论文的章节安排如下：
第一章，结合国内外认知无线电研究动态和发展趋势，简要地介绍了论文的选题意义和主要从事的研究工作。
第二章，结合无线电发展背景介绍软件无线电和认知无线电等方面背景理论知识。
第三章，介绍GNU Radio 和USRP，对其软件和硬件技术进行了详细的描述。并提出了基于该平台设计的认知无线电平台的基本框架。
第四章，介绍了频谱检测的方法和原理，设计了频谱能量检测的方法。
第五章，详细描述了动态接入和传输的基本原理和实现过程。设计了物理层、MAC层、网络层及应用层的实现方法。
第六章，给出了平台演示系统实现的方法，并测试了平台的性能，最后总结全文，提出了待改进之处及其改进思路。

1.5 本章小结

本章主要先介绍了论文的选题意义、国内外认知无线电技术研究现状，并给出了主要从事的研究工作，最后介绍了论文的组织结构。

第二章 认知无线电背景

2.1 无线电平台发展背景

在第一章中，我们已经列举了认知无线电在各个研究领域的几种专业定义与内涵，那么，认知无线电与传统无线电以及软件无线电之间又有着什么样的关系与区别呢？

传统的模拟无线电系统，其射频部分、上/下变频、滤波及基带处理全部采用模拟方式。一个频段、一种调制方式的无线系统都对应一种硬件结构，很难随着不断发展的技术更新而做出跟进的改变。而软件无线电思想是20 世纪90 年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想，其核心是在通用的硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不同的通信方式间的转换。这种全新的设计思想将极大的缩短通信系统开发的时间和成本。它的基本思想是将宽带的A/D转换器尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在最大程度上通过DSP 软件来实现通信系统的各种功能[8, 9]。

软件无线电将无线设备中原来由硬件实现的功能改由软件实现，通过改变软件就能改变无线设备的功能。但是功能变化必须由外部进行控制，无线设备自身并不能根据需求主动地改变功能[8]。

根据电子与电气工程师协会(IEEE)的定义，一个无线电设备可以称为SDR 的基本前提是：部分或者全部基带或RF 信号处理通过使用数字信号处理软件完成。这些软件可以在出厂后修改。因此，SDR 关注的是无线电系统信号处理的实现方式[8]。

认知无线电技术是一种由软件无线电技术发展而来的无线通信技术。认知无线电在软件无线电的基础上，采用了随时变化的通讯协议的技术，同时增加了一个新的元素——依靠人工智能的支持，能够感知其所在的环境以及所处位置，并在此基础上改变其功率、频率、调制以及一些其它的参数以求更高的频带利用率，即确定绕过障碍的最佳传输路径。从这个意义上讲，认知无线电是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。正是这种对外界环境的自适应能力，使得认知无线电成为实现动态频谱分配的一种主流方案[10]。

总结上述三者之间的异同所在，可以看到，认知无线电具有下面两个主要特征：

（1）认知

认知能力使CR 能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。这一任务通常包括3

个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知的主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性；频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。

（2）重构

重构能力使得CR 设备可以根据无线环境动态编程，从而允许CR 设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和