無線認知開發(fā)平臺綜述

王　凱，徐展琦，肖永偉，馬　濤，劉　剛，張昊德

( 1.西安電子科技大學 綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071;

2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)重點實驗室，河北 石家莊 050081 )

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無線認知開發(fā)平臺綜述

王凱1，徐展琦1，肖永偉2，馬濤1，劉剛2，張昊德1

( 1.西安電子科技大學 綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071;

2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)重點實驗室，河北 石家莊 050081 )

摘要：隨著各種各樣無線應用的增加，頻譜資源日趨緊張。認知無線電基于對無線通信環(huán)境的感知、規(guī)劃、決策和調度，可采用動態(tài)頻譜接入等方式以有效地提高授權頻段的利用率，認知無線電開發(fā)平臺對其相關技術的研發(fā)至關重要。介紹了典型認知節(jié)點的結構框架、部分硬件開發(fā)平臺及其相關軟件開發(fā)環(huán)境，給出了4種國外基于認知無線電的網(wǎng)絡化測試平臺的構成及特性，展望了可應用無線認知平臺的未來研究領域。

關鍵詞：認知無線電；認知節(jié)點；硬件開發(fā)平臺；軟件開發(fā)環(huán)境；網(wǎng)絡化認知平臺

networking cognitive test bed

0引言

目前頻譜資源主要采用統(tǒng)一分配、授權使用的政策，這種靜態(tài)分配的方式導致頻譜資源的利用率低下，造成資源的極大浪費。自1999年Joseph Mitola首次提出認知無線電(Cognitive Radio,CR) 的概念并對其基本原理進行系統(tǒng)闡述以來，不同機構和學者針對CR的物理層、MAC層及網(wǎng)絡層等各方面進行廣泛而深入的研究，并將其視為解決目前頻譜資源利用率低下的優(yōu)選技術。CR技術通過實時調整傳輸參數(shù)，使認知節(jié)點與通信環(huán)境智能交互，實現(xiàn)通信系統(tǒng)的高可靠性與頻譜利用的高效性。然而，大部分研究工作都是在模擬仿真環(huán)境下驗證算法對認知無線電性能的影響，并未在實際的物理信道中進行測試與評估。由于模擬仿真不可能完全模擬真實無線環(huán)境中的噪聲和衰落等不確定因素，因此降低了理論研究的說服力。隨著人們逐漸意識到理論仿真存在的固有缺陷，研究者們設計出大量接近真實網(wǎng)絡測試環(huán)境的特性的無線認知平臺，可用于驗證和實現(xiàn)認知無線電技術。

近年來，國外的研究機構積極開展無線認知平臺的研究，并取得了一定的成果。已設計并實現(xiàn)的無線認知平臺按照其節(jié)點規(guī)模及實現(xiàn)的功能可分為兩類：一類為單節(jié)點構成的認知平臺，用于實現(xiàn)諸如頻譜感知與動態(tài)頻譜分配等某一特定的功能需求；另一類為多節(jié)點構成的網(wǎng)絡化認知平臺，其完善的功能可作為研究各種技術的通用平臺。本文在概括典型認知節(jié)點的基礎上，綜述了網(wǎng)絡化認知平臺的最新研究進展，并探討其未來的研究方向。

1典型認知節(jié)點

1.1典型認知節(jié)點的結構框架

設計認知節(jié)點的目標是搭建一個具備認知無線電基本特征的實驗平臺，即在保障授權用戶不受有害干擾的前提下，能夠對無線頻譜進行檢測，并且可以利用空閑頻譜進行無線通信。如圖1所示，典型認知節(jié)點主要由硬件和軟件開發(fā)環(huán)境兩部分構成，硬件開發(fā)環(huán)境完成部分高速信號處理，軟件開發(fā)環(huán)境在通用處理器上以軟件的形式進行數(shù)字信號處理。

圖1　典型認知節(jié)點的結構框架及功能

硬件開發(fā)環(huán)境由三部分組成：① 射頻(Radio Frequency,RF) 模塊實現(xiàn)濾波及頻譜搬移等功能；② ADC/DAC模塊實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的互相轉換；③ FPGA及多塊DSP組合實現(xiàn)對高速數(shù)據(jù)流處理功能。軟件開發(fā)環(huán)境利用其可重構性，通過高性能處理器采用軟件方式以實現(xiàn)諸如調制方式、發(fā)射功率、傳輸速率、載波頻率、加密方式及通信協(xié)議等功能，并結合PC顯示器為用戶提供圖形界面接口。硬件開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)環(huán)境通過以太網(wǎng)或USB接口完成二者間的高速數(shù)字信號流傳輸。

1.2硬件開發(fā)環(huán)境

目前，國際上出現(xiàn)諸如USRP和BEE4等一系列支持CR研究的高性能硬件開發(fā)環(huán)境，主要完成直接射頻采樣、數(shù)字中頻處理、基帶處理及包處理，并提供與網(wǎng)絡高速互聯(lián)接口。為盡可能仿真復雜的通信環(huán)境，典型的硬件開發(fā)環(huán)境應該具有模塊化設計、處理能力可擴展、RF模塊頻率可選以及主板驅動靈活等四個特性。表1總結5種主流硬件開發(fā)環(huán)境的部分特性[1]。

表1　典型認知節(jié)點的硬件開發(fā)環(huán)境

從表1可看到，較為流行的USRP2使用開源的GNU Radio技術，大大降低其開發(fā)難度并且便于增加新功能。然而，運行GNU Radio的外圍設備與USRP2之間的交互會帶來時延，這不利于認知無線電的全雙工通信，隨著GNU Radio處理任務的增加，還會增加對外圍設備的CPU的處理能力的要求。相比而言，專為高吞吐率數(shù)據(jù)收發(fā)和高性能數(shù)據(jù)處理而設計的BEE4以其完備的功能集合而備受業(yè)界青睞。

1.3軟件開發(fā)環(huán)境

在相應硬件的基礎上，研究人員以軟件定義的信號處理模塊構建完整的通信系統(tǒng)。目前主流的兩款開源軟件開發(fā)環(huán)境分別是GNU Radio (開源軟件無線電) 和SCA (軟件通信架構)。

GNU Radio[3]是一個基于Linux系統(tǒng)的開源平臺，提供諸如GMSK、PSK、QAM和OFDM等調制模式及糾錯編碼的信號處理模塊庫。用戶可以選擇不同的處理模塊并配置相應的參數(shù)，將其連接在一起形成完整的通信系統(tǒng)。GNU Radio基于Python腳本語言和C++語言的混合方式編程。Python是一種語法簡單且完全面向對象的腳本語言，用于連接各個模塊以形成完整的信號處理流程腳本。C++具有高效和可擴展等特性，用于編寫濾波器、FFT變換、調制/解調器和信道編譯碼等信號處理模塊。GNU Radio除了支持Linux的多種發(fā)行版本外，還可移植到Mac OS X以及Windows等操作系統(tǒng)上。

SCA是一種在嵌入式、分布計算通信系統(tǒng)中建立一套軟件組件的部署、配置、管理、互聯(lián)和互通的體系結構，它采用面向對象的方法和基于C++/Python語言編程，通過組件構建的核心框架實現(xiàn)系統(tǒng)軟件和硬件要素抽象化，并使用統(tǒng)一建模語言 (UML) 對組件定義及組件的接口進行圖形化的描述[4]。目前，較為流行的開源軟件通信體系框架嵌入式解決方案 (OSSIE) 是一個為SCA提供操作環(huán)境的開源平臺。用戶在OSSIE平臺中根據(jù)應用需求選擇或定義組件接口，增減并封裝框架內的信號處理模塊，對組件接口與中間模塊波形進行調試。OSSIE可運行于Windows系統(tǒng)，與GNU Radio相比，用戶更容易使用[5]。

2網(wǎng)絡化認知平臺

將認知能力集成到諸如動態(tài)頻譜接入、無線資源管理及無線分布式計算等應用中，網(wǎng)絡用戶的通信服務質量可以得到明顯的提升。研究人員據(jù)此采用多個認知節(jié)點組合構成不同的網(wǎng)絡化認知平臺解決方案，其主旨是提供所有認知節(jié)點能夠觀察與學習整個通信網(wǎng)絡環(huán)境，再做出決策的一個綜合型實驗平臺。

基于IEEE 802.11 標準的CARMEN (Cognitive Android Mesh Network)[6]平臺利用Android操作系統(tǒng)的終端設備組成實驗網(wǎng)絡，并可實現(xiàn)協(xié)議棧間相互通信。當網(wǎng)絡運行時，所有基于Android系統(tǒng)的認知節(jié)點都可以顯示、記錄或修改物理層以上不同協(xié)議棧的參數(shù)。在良好的通信環(huán)境中，CARMEN可以配置每個節(jié)點的TCP擁塞窗口、慢啟動門限、網(wǎng)絡層的路由算法和鏈路層的幀間隔等參數(shù)，觀測并記錄TCP的吞吐量、丟包率、往返時延和鏈路層的傳輸信道和重傳幀數(shù)等參數(shù)。由于終端設備硬件形式的限制，CARMEN不能觀測和配置物理層參數(shù)。

弗吉尼亞理工大學在2008年推出VT-CORNET (Virginia Te ch COgnitive Radio Network)平臺[7]，它是一個包含48個基于USRP2節(jié)點的異構無線網(wǎng)絡實驗平臺，其軟件開發(fā)環(huán)境采用SCA架構，硬件平臺的頻率掃描范圍可從100 MHz～4 GHz。所有認知節(jié)點分布在一棟4層樓的建筑內，通過千兆以太網(wǎng)與一間辦公室內的高性能主控機相連。VT-CORNET適合CR的研究與教學，其軟件開源并采用基于組件的模塊化架構，為認知節(jié)點提供配置無線電的可視化接口，可以對OSI模型中的各層參數(shù)進行配置和觀測。但是，該平臺中與認知節(jié)點相連的服務器功耗較大，且認知節(jié)點沒有移動性，故該平臺不適于在能量資源有限的場景中進行靈活地認知無線電技術研究。

ORBIT (Open-Access Research Testbed for Next-Generation Wireless Networks)[8]平臺由Rutgers大學的WINLAB實驗室研發(fā)，其核心實驗平臺是一個由20×20可編程無線節(jié)點互聯(lián)構成的二維網(wǎng)格，并接入28個SDR設備 (USRP1和USRP2)。該平臺通過無線節(jié)點的互聯(lián)形成具有可重構無線信道模型的特定網(wǎng)絡拓撲，其目的是為研究下一代協(xié)議、中間件和應用提供大規(guī)模、開放接入的無線網(wǎng)絡。研究者注冊后可獲得各種資源，包括適用于認知無線電研究的軟件無線電、WiFi、藍牙及傳感器等無線資源。

EMULAB[9]是美國Utah大學開發(fā)的一個公開訪問的實驗平臺，主要用于網(wǎng)絡互連與分布式系統(tǒng)的研究。實驗平臺包含54個站點和35個SDR設備，其中的SDR設備配置RFX900(900MHz)的子板，18個工作站分布于一棟多層樓的建筑中，剩余36個站點置于一個實驗室內。Emulab根據(jù)用戶提交的NS3文件配置無線認知網(wǎng)絡，根據(jù)用戶需求可以安裝節(jié)點的操作系統(tǒng)，并進行相關研究。

表2給出網(wǎng)絡化認知平臺的部分特性[6]。與VT-CORNET類似，ORBIT和Emulab都致力于搭建一個各層參數(shù)可被遠程控制的實驗網(wǎng)絡。三者均為優(yōu)化頻譜共享的CR實驗平臺，其中ORBIT和EMULAB均含有集成仿真模式，能夠測試MAC層、路由層和傳輸層協(xié)議。

表2　網(wǎng)絡化認知平臺

備注:a.配置標準802.11a/b/g/n協(xié)議的工作站；b.工作在MAC層，取決于WiFi芯片；c.不包含物理層參數(shù)。

總之，網(wǎng)絡化認知平臺中的節(jié)點廣泛采用USRP等硬件設備和軟件開發(fā)環(huán)境組合的形式來研究認知無線電，實現(xiàn)系統(tǒng)物理層和MAC層參數(shù)可控。由于軟件開發(fā)環(huán)境需要高性能PC的輔助，因此認知節(jié)點缺乏足夠的靈活性，同時由物理層設備與PC連接而引入的往返時延也會為全雙工通信帶來不利的影響。

3結束語

介紹了無線認知平臺的發(fā)展背景，結合目前主流軟硬件開發(fā)環(huán)境闡述認知節(jié)點的組成框架以及各模塊實現(xiàn)的功能，并總結分析部分多節(jié)點認知平臺的特性，期望為CR研究者及研發(fā)平臺的選擇提供有益的借鑒。結合目前各行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來需求[10]，網(wǎng)絡化認知平臺的進一步研究應用將體現(xiàn)在如下4個領域中：

① 寬帶蜂窩網(wǎng)：網(wǎng)絡化認知平臺利用空閑廣播電視頻段(TVWS),不僅可以研究新的蜂窩網(wǎng)頻譜資源，還能研究如何解決異構網(wǎng)層間和層內干擾等問題；

② 智能電網(wǎng)：認知無線電技術能有效解決智能電網(wǎng)使用的非授權頻段頻譜資源的緊缺問題，因此網(wǎng)絡化認知平臺在滿足認知無線電性能要求的前提下，可以大大降低研究智能電網(wǎng)的成本；

③ 公共安全領域：在網(wǎng)絡化認知平臺中，具有感知外部環(huán)境和自適應能力的認知無線電設備使不同部門之間的設備互相兼容，為研究公共安全的可靠網(wǎng)絡服務提供便利；

④ SDN & NFV領域：網(wǎng)絡化認知平臺可用于SDN中轉發(fā)與控制分離架構，還可用于網(wǎng)絡功能虛擬化NFV的探索。

參考文獻

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[10]羅麗平，秦家銀. 認知無線電研究進展及應用前景[J]. 科技導報，2012,30(03): 74-79.

Overview of Wireless Cognitive Development Platforms

WANG Kai1,XU Zhan-qi1,XIAO Yong-wei2,MA Tao1,LIU Gang2,ZHANG Hao-de1

(1.State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an Shaanxi 710071,China;2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：As more and more wireless applications emerge,spectrum resources become increasingly overcrowded.Based on the perception,planning,decision-making and scheduling of the wireless communication environment,cognitive radio (CR) can effectively improve the utilization of licensed spectrum through dynamic spectrum access.The cognitive radio development platforms are of great significance to the relevant technologies.The paper introduces the typical framework of cognitive node,hardware platforms and the related software development environment.Then,the constitutions and properties of four CR-based networking test beds of foreign countries are given.Furthermore,the application prospects of CR platforms are presented.

Key words：cognitive radio (CR); cognitive node; hardware development platform; software development environment;

中圖分類號：TN923

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-09-3

作者簡介：王凱(1992— )，男，碩士研究生，主要研究方向：認知無線電。徐展琦(1962—)，男，博士，教授/博導，主要研究方向：光網(wǎng)絡、寬帶衛(wèi)星網(wǎng)和認知網(wǎng)。

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2012AA01A505)；國家預研項目(41001080201)

收稿日期：2015-12-15

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.02

引用格式：王凱，徐展琦，肖永偉，等.無線認知開發(fā)平臺綜述[J].無線電通信技術,2016,42(2):09-11,58.