LabVIEW和NI USRP硬件加快了认知无线电研究

"NI USRP设备和LabVIEW软件之间的无缝集成，以及创建直观的用户界面来展示此项研究可帮助其他工程师和政策制定者更深入、更全面地了解该项目。"


- Paulo Marques, COGEU


挑战:


证明有限的无线电频谱源能够成功地以较低的成本被主要和次要用户所采用。


解决方案:


借助NI LabVIEW软件和NI USRP™ (通用软件无线电外设)硬件创建灵活的实时测试平台，开发将频谱感应和地理定位数据库相结合的跨平台认知无线电演示仪，演示有效的频谱重用。


满足今天的数据消耗需求


作为欧洲委员会第七框架计划的一部分，来自八个欧盟国家的研究人员组成了COGEU项目小组，专门研究认知无线电系统，以实现全欧洲有效共享空白电视信号频段(TV white spaces,TVWS)。 最终通过频谱重用来降低无线连接的成本，满足人们对高数据速率无线设备日益增长的需求。 COGEU小组正致力于将频谱重用这一概念从理念过渡到仿真再过渡到真实原型，最终实现从经济性上影响公共政策这一目标。


实际算法原型


对于电视频谱，主用户传输有两种类型：广播电视和节目制作和特殊事件(PMSE)设备。 广播塔的位置已知，且覆盖电视传输塔（复用器）附近的某个特定地理区域（称为排除区域）。 COGEU与德国广播公司携手合作为慕尼黑地区开发并推广了一个TVWS地理定位数据库，该地区对商业数字电视接收机实行真实保护标准。 地理定位数据库存储了每个地理像素的空白电视频道列表；但是，许多PESE应用(如无线麦克风)占用了这些电视频道，且这些应用的时间、频率和位置是无法预测的。 这些行为增加了探索可用于其他应用的有价值电视频段的难度。


这是因为PMSE系统并没有标准的波形，因此在事先不知道任何信号信息的情况下就需要采用盲检技术来确定PMSE设备的存在。


COGEU平台演示仪采用本地PMSE感应来交叉检查TVWS地理位置数据库的信息。 接着，研究人员通过仿真确定了协方差绝对值(covariance absolute value, CAV)法和联合能量盲检(blindly combined energy detection, BCED)这两种方法比其他形式的PMSE检测方法具有更出色的性能。 COGEU原型中集成了PMSE感应算法。 真实场景实验表明，CAV和BCED算法在评估来自更高级检测算法的增益上比标准能量检测(ED)算法效果更好。 此方法可在瑞利通道中感应信噪比为-17 dB的PMSE信号，感应时间为100毫秒，检测率达90%，错误警报率为10%。


系统安装


我们在此项目中采用图形化系统设计方法，通过LabVIEW系统设计软件将GPS地理定位接收机、处理认知无线电的NI USPR设备、与地理定位数据库的互联网连接和GUI（图形化用户界面）集成在一起。 NI USRP设备和LabVIEW软件之间的无缝集成，以及创建直观的UI来展示此项研究可帮助其他工程师和政策制定者更深入、更全面地理解该项目。


直到现在，基于USRP软件定义无线电的认知无线电传感技术仍是通过GNU无线电开放源软件来实现。 COGEU系统需要集成不同的技术和协议，如在线访问TVWS地理定位数据库，这使得LabVIEW成为该系统原型开发和概念验证演示的理想平台。 在此项目中，我们用到LabVIEW的很多功能，包括数学运算、信号处理、NI USRP软件驱动程序以及连接和数据通信工具。感应平台由NI USRP、GPS接收机和安装LabVIEW的上位机组成。 NI USRP-2920配置提供了从50 MHz到2.2 GHz的可调射频。 上位机是一款安装Windows操作系统、无线访问网络的便携式计算机，通过兆位以太网链接至NI USRP无线电。 GPS设备通过蓝牙连接至上位机。 同时还采用了商业可调FM无线麦克风。


结论


LabVIEW和NI USRP硬件平台是此科研项目的主要工具。 该平台帮助科研小组快速开发了第一个此类测试台的原型，并成功进行部署。更长远来说，这些演示将随着更多高级功能的出现进行更新，比如在单个电视频道检测多个PMSE设备、自动频谱整形和频谱整合等，在保护电视和PMSE用户的同时更有效地利用空白电视频道。