基于GNU Radio和USRP的认知无线电平台研究

通信协议等。重构的核心思想是在不对频谱授权用户(LU)产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被LU 使用，CR 有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对LU 的有害干扰。

2.2 软件无线电基本理论

软件无线电是Joe Mitola 于1991 年提出的一种无线通信新概念,他指的是一种可重新编程或者可重构的无线电系统。也就是说，这种软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下，可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不同的功能。软件无线电概念虽然是从通信领域提出的，但这一概念一经提出就得到了包括通信、雷达、电子战、导航、测控、卫星载荷及民用广播电视等整个无线电工程领域的广泛关注，已成为无线电工程领域具有广泛适用性的现代方法[12]。

传统的无线电系统只能完成一项专属的任务，比如接收电视信号、AM/FM 广播信号，或者进行无线通信比如wifi 或者GSM 通信。每一种无线电系统有其专属的无线制式，包括载频、调制解调方式和功率等。不同的无线电系统间有不同的无线波形，不同的调解方式，不同的纠错方式，它们之间不能够相互通信。一种可以通过软件就可以改变无线制式，而适应不同的通信制式的新型无线电系统出现了，这就是软件无线电。传统的无线电系统的物理层和数据链路层是由硬件实现的，当其设计完成后就不能改变了，而软件无线电系统的物理层和数据链路层能够由软件控制改变，在物理层调制解调的信号能由软件控制，只有少部分由不可编程硬件实现。数据链路层更是完全可有软件控制，差错控制和媒体介入协议可以根据要求任意改变。如图2-1 所示：

经过近20 年的推广和全世界范围的深入研究,软件无线电概念不仅得到了普遍认可,而且已获得广泛应用;尤其是近几年,软件无线电的发展势头更猛,已触动到无线电工程的每一个角落:从3G 到4G,从美军的MBMMR(多频段多模式电台)到JTRS (联合战术无线电系统)都是以软件无线电概念进行设计、开发的，除了军用外，民用或者科研领域，出现了sandbridge SDRcommunication platform, the virtual radio 和GNU Radio。

理想的软件无线电结构如图2-2 所示,其主要特点是尽可能地减少模拟处理环节。在接收端，信号由RF 前端接收，然后由ADC 将模拟信号转化为数字信号，然后通过可编程器件的计算和处理亦即软件无线电代码的作用转为信息。在发射端数字信号由软件无线电代码计算处理生成，然后由DAC 将数字信号转化为模拟信号经由RF 前端发射出去。

如图2-2 所示的软件无线电结构适用于无线电工程的任何领域,如:通信、雷达、电子战、测控等。因为,该硬件结构与所要完成的功能无关,它所完成的功能主要取决于软件无线电代码。这也是之所以称其为"软件" 无线电的原因所在。

一个理想的软件无线电硬件能接收和发送所有频率和任意制式的无线电。但是以现在的技术能力实现是有相当难度的。首先，根据奈奎斯特采样定理，该软件无线电的工作带宽有多宽，其AD 采样至少是带宽的两倍，比如:对于工作在2～2 000MHz 的JTRS电台,其采样频率至少是4 GHz，考虑到滤波器矩形系数，采样频率需要超过5GHz，如此高的采样速率在高分辨率情况下至少在目前是难以实现的；其次，高的采样速率对ADC 后续的信号处理( FPG A /DSP)也提出了非常高的要求，大大提高了信号处理部分的实现难度；最后，随着电磁环境的复杂化，过宽的瞬时处理带宽将导致对动态范围的过高要求，无论是高增益的LNA 还是高速ADC，其动态范围都将无法满足实际需求。

针对理想软件无线电结构实际实现时存在的问题,作者对软件无线电结构进行了分类,提出了软件无线电的三种基本结构[ 13]:基于低通采样的软件无线电结构、基于带通采样的宽带中频软件无线电结构和基于射频直接带通采样的软件无线电结构。

经过十几年全世界范围的广泛研究,软件无线电得到了快速的发展,特别是软件无线电以硬件为核心到以软件为核心的设计理念的转变已渗透到无线电工程的各个领域,并将继续深刻影响和引领无线电工程的未来发展。尤其是认知无线电的提出,将为软件无线电带来新的发展机遇和发展空间[14]。

2.3 认知软件无线电基本理论

认知无线电最早是由Joseph Mitola 博士在1999 年提出的[15]。他描述了认知无线电怎样通过一种"无线电知识描述语言"（RKRL）的新语言来提高个人无线业务的灵活性。但是随着无线电技术的高速发展，到现在，认知无线电的研究和应用已经不局限在最早的范畴当中。在各个方向、领域的研究人员