無線認知開發平臺綜述

王　凱，徐展琦，肖永偉，馬　濤，劉　剛，張昊德

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

2.通信網信息傳輸與分發重點實驗室，河北 石家莊 050081 )

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無線認知開發平臺綜述

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 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071;

2.通信網信息傳輸與分發重點實驗室，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境的感知、規劃、決策和調度，可采用動態頻譜接入等方式以有效地提高授權頻段的利用率，認知無線電開發平臺對其相關技術的研發至關重要。介紹了典型認知節點的結構框架、部分硬件開發平臺及其相關軟件開發環境，給出了4種國外基于認知無線電的網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；認知節點；硬件開發平臺；軟件開發環境；網絡化認知平臺

networking cognitive test bed

0引言

目前頻譜資源主要采用統一分配、授權使用的政策，這種靜態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闡述以來，不同機構和學者針對CR的物理層、MAC層及網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選技術。CR技術通過實時調整傳輸參數，使認知節點與通信環境智能交互，實現通信系統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絡測試環境的特性的無線認知平臺，可用于驗證和實現認知無線電技術。

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。已設計并實現的無線認知平臺按照其節點規模及實現的功能可分為兩類：一類為單節點構成的認知平臺，用于實現諸如頻譜感知與動態頻譜分配等某一特定的功能需求；另一類為多節點構成的網絡化認知平臺，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點的基礎上，綜述了網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典型認知節點

1.1典型認知節點的結構框架

設計認知節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，典型認知節點主要由硬件和軟件開發環境兩部分構成，硬件開發環境完成部分高速信號處理，軟件開發環境在通用處理器上以軟件的形式進行數字信號處理。

圖1　典型認知節點的結構框架及功能

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

1.2硬件開發環境

目前，國際上出現諸如USRP和BEE4等一系列支持CR研究的高性能硬件開發環境，主要完成直接射頻采樣、數字中頻處理、基帶處理及包處理，并提供與網絡高速互聯接口。為盡可能仿真復雜的通信環境，典型的硬件開發環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種主流硬件開發環境的部分特性[1]。

表1　典型認知節點的硬件開發環境

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，專為高吞吐率數據收發和高性能數據處理而設計的BEE4以其完備的功能集合而備受業界青睞。

1.3軟件開發環境

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。目前主流的兩款開源軟件開發環境分別是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，將其連接在一起形成完整的通信系統。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的多種發行版本外，還可移植到Mac OS X以及Windows等操作系統上。

SCA是一種在嵌入式、分布計算通信系統中建立一套軟件組件的部署、配置、管理、互聯和互通的體系結構，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系統軟件和硬件要素抽象化，并使用統一建模語言 (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提供操作環境的開源平臺。用戶在OSSIE平臺中根據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，與GNU Radio相比，用戶更容易使用[5]。

2網絡化認知平臺

將認知能力集成到諸如動態頻譜接入、無線資源管理及無線分布式計算等應用中，網絡用戶的通信服務質量可以得到明顯的提升。研究人員據此采用多個認知節點組合構成不同的網絡化認知平臺解決方案，其主旨是提供所有認知節點能夠觀察與學習整個通信網絡環境，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操作系統的終端設備組成實驗網絡，并可實現協議棧間相互通信。當網絡運行時，所有基于Android系統的認知節點都可以顯示、記錄或修改物理層以上不同協議棧的參數。在良好的通信環境中，CARMEN可以配置每個節點的TCP擁塞窗口、慢啟動門限、網絡層的路由算法和鏈路層的幀間隔等參數，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等參數。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。

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節點的異構無線網絡實驗平臺，其軟件開發環境采用SCA架構，硬件平臺的頻率掃描范圍可從100 MHz～4 GHz。所有認知節點分布在一棟4層樓的建筑內，通過千兆以太網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模型中的各層參數進行配置和觀測。但是，該平臺中與認知節點相連的服務器功耗較大，且認知節點沒有移動性，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，其核心實驗平臺是一個由20×20可編程無線節點互聯構成的二維網格，并接入28個SDR設備 (USRP1和USRP2)。該平臺通過無線節點的互聯形成具有可重構無線信道模型的特定網絡拓撲，其目的是為研究下一代協議、中間件和應用提供大規模、開放接入的無線網絡。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大學開發的一個公開訪問的實驗平臺，主要用于網絡互連與分布式系統的研究。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根據用戶提交的NS3文件配置無線認知網絡，根據用戶需求可以安裝節點的操作系統，并進行相關研究。

表2給出網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可被遠程控制的實驗網絡。三者均為優化頻譜共享的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、路由層和傳輸層協議。

表2　網絡化認知平臺

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

總之，網絡化認知平臺中的節點廣泛采用USRP等硬件設備和軟件開發環境組合的形式來研究認知無線電，實現系統物理層和MAC層參數可控。由于軟件開發環境需要高性能PC的輔助，因此認知節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展背景，結合目前主流軟硬件開發環境闡述認知節點的組成框架以及各模塊實現的功能，并總結分析部分多節點認知平臺的特性，期望為CR研究者及研發平臺的選擇提供有益的借鑒。結合目前各行業的發展現狀及未來需求[10]，網絡化認知平臺的進一步研究應用將體現在如下4個領域中：

① 寬帶蜂窩網：網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頻譜資源，還能研究如何解決異構網層間和層內干擾等問題；

② 智能電網：認知無線電技術能有效解決智能電網使用的非授權頻段頻譜資源的緊缺問題，因此網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的成本；

③ 公共安全領域：在網絡化認知平臺中，具有感知外部環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絡服務提供便利；

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

參考文獻

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[9]Emulab-Network Emulation Testbed Home [EB/OL]. http:∥www.emulab.net.2015.04.

[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：光網絡、寬帶衛星網和認知網。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(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.無線認知開發平臺綜述[J].無線電通信技術,2016,42(2):09-11,58.