王　凱，徐展琦，肖永偉，馬　濤，劉　剛，張昊德

( 1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071;

2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081 )

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無線認(rèn)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(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071;

2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081 )

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

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；認(rèn)知節(jié)點(diǎn)；硬件開發(fā)平臺；軟件開發(fā)環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)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(quán)使用的政策，這種靜態(tài)分配的方式導(dǎo)致頻譜資源的利用率低下，造成資源的極大浪費(fèi)。自1999年Joseph Mitola首次提出認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR) 的概念并對其基本原理進(jìn)行系統(tǒng)闡述以來，不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者針對CR的物理層、MAC層及網(wǎng)絡(luò)層等各方面進(jìn)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(shù)。CR技術(shù)通過實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸參數(shù)，使認(rèn)知節(jié)點(diǎn)與通信環(huán)境智能交互，實(shí)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(yàn)證算法對認(rèn)知無線電性能的影響，并未在實(shí)際的物理信道中進(jìn)行測試與評估。由于模擬仿真不可能完全模擬真實(shí)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(shè)計(jì)出大量接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境的特性的無線認(rèn)知平臺，可用于驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電技術(shù)。

近年來，國外的研究機(jī)構(gòu)積極開展無線認(rèn)知平臺的研究，并取得了一定的成果。已設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的無線認(rèn)知平臺按照其節(jié)點(diǎn)規(guī)模及實(shí)現(xiàn)的功能可分為兩類：一類為單節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的認(rèn)知平臺，用于實(shí)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(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)知平臺，其完善的功能可作為研究各種技術(shù)的通用平臺。本文在概括典型認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述了網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)知平臺的最新研究進(jìn)展，并探討其未來的研究方向。

1典型認(rèn)知節(jié)點(diǎn)

1.1典型認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框架

設(shè)計(jì)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)是搭建一個具備認(rèn)知無線電基本特征的實(shí)驗(yàn)平臺，即在保障授權(quán)用戶不受有害干擾的前提下，能夠?qū)o線頻譜進(jìn)行檢測，并且可以利用空閑頻譜進(jìn)行無線通信。如圖1所示，典型認(rèn)知節(jié)點(diǎn)主要由硬件和軟件開發(fā)環(huán)境兩部分構(gòu)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(jìn)行數(shù)字信號處理。

圖1　典型認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)濾波及頻譜搬移等功能；② ADC/DAC模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的互相轉(zhuǎn)換；③ FPGA及多塊DSP組合實(shí)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(gòu)性，通過高性能處理器采用軟件方式以實(shí)現(xiàn)諸如調(diào)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(jié)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(luò)高速互聯(lián)接口。為盡可能仿真復(fù)雜的通信環(huán)境，典型的硬件開發(fā)環(huán)境應(yīng)該具有模塊化設(shè)計(jì)、處理能力可擴(kuò)展、RF模塊頻率可選以及主板驅(qū)動靈活等四個特性。表1總結(jié)5種主流硬件開發(fā)環(huán)境的部分特性[1]。

表1　典型認(rèn)知節(jié)點(diǎn)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(shù)，大大降低其開發(fā)難度并且便于增加新功能。然而，運(yùn)行GNU Radio的外圍設(shè)備與USRP2之間的交互會帶來時(shí)延，這不利于認(rèn)知無線電的全雙工通信，隨著GNU Radio處理任務(wù)的增加，還會增加對外圍設(shè)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(shè)計(jì)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(yīng)硬件的基礎(chǔ)上，研究人員以軟件定義的信號處理模塊構(gòu)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(gòu))。

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(diào)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(yīng)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?qū)ο蟮哪_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(kuò)展等特性，用于編寫濾波器、FFT變換、調(diào)制/解調(diào)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(jì)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(jié)構(gòu)，它采用面向?qū)ο蟮姆椒ê突贑++/Python語言編程，通過組件構(gòu)建的核心框架實(shí)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(jìn)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(yīng)用需求選擇或定義組件接口，增減并封裝框架內(nèi)的信號處理模塊，對組件接口與中間模塊波形進(jìn)行調(diào)試。OSSIE可運(yùn)行于Windows系統(tǒng)，與GNU Radio相比，用戶更容易使用[5]。

2網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)知平臺

將認(rèn)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(jì)算等應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)用戶的通信服務(wù)質(zhì)量可以得到明顯的提升。研究人員據(jù)此采用多個認(rèn)知節(jié)點(diǎn)組合構(gòu)成不同的網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)知平臺解決方案，其主旨是提供所有認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠觀察與學(xué)習(xí)整個通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，再做出決策的一個綜合型實(shí)驗(yàn)平臺。

基于IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的CARMEN (Cognitive Android Mesh Network)[6]平臺利用Android操作系統(tǒng)的終端設(shè)備組成實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，并可實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧間相互通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，所有基于Android系統(tǒng)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的TCP擁塞窗口、慢啟動門限、網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(shè)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(xué)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(diǎn)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，其軟件開發(fā)環(huán)境采用SCA架構(gòu)，硬件平臺的頻率掃描范圍可從100 MHz～4 GHz。所有認(rèn)知節(jié)點(diǎn)分布在一棟4層樓的建筑內(nèi)，通過千兆以太網(wǎng)與一間辦公室內(nèi)的高性能主控機(jī)相連。VT-CORNET適合CR的研究與教學(xué)，其軟件開源并采用基于組件的模塊化架構(gòu)，為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)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(jìn)行配置和觀測。但是，該平臺中與認(rèn)知節(jié)點(diǎn)相連的服務(wù)器功耗較大，且認(rèn)知節(jié)點(diǎn)沒有移動性，故該平臺不適于在能量資源有限的場景中進(jìn)行靈活地認(rèn)知無線電技術(shù)研究。

ORBIT (Open-Access Research Testbed for Next-Generation Wireless Networks)[8]平臺由Rutgers大學(xué)的WINLAB實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，其核心實(shí)驗(yàn)平臺是一個由20×20可編程無線節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成的二維網(wǎng)格，并接入28個SDR設(shè)備 (USRP1和USRP2)。該平臺通過無線節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)形成具有可重構(gòu)無線信道模型的特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌淠康氖菫檠芯肯乱淮鷧f(xié)議、中間件和應(yīng)用提供大規(guī)模、開放接入的無線網(wǎng)絡(luò)。研究者注冊后可獲得各種資源，包括適用于認(rèn)知無線電研究的軟件無線電、WiFi、藍(lán)牙及傳感器等無線資源。

EMULAB[9]是美國Utah大學(xué)開發(fā)的一個公開訪問的實(shí)驗(yàn)平臺，主要用于網(wǎng)絡(luò)互連與分布式系統(tǒng)的研究。實(shí)驗(yàn)平臺包含54個站點(diǎn)和35個SDR設(shè)備，其中的SDR設(shè)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(diǎn)置于一個實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。Emulab根據(jù)用戶提交的NS3文件配置無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)用戶需求可以安裝節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)研究。

表2給出網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)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(yuǎn)程控制的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。三者均為優(yōu)化頻譜共享的CR實(shí)驗(yàn)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(luò)化認(rèn)知平臺

備注:a.配置標(biāo)準(zhǔn)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(luò)化認(rèn)知平臺中的節(jié)點(diǎn)廣泛采用USRP等硬件設(shè)備和軟件開發(fā)環(huán)境組合的形式來研究認(rèn)知無線電，實(shí)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(rèn)知節(jié)點(diǎn)缺乏足夠的靈活性，同時(shí)由物理層設(shè)備與PC連接而引入的往返時(shí)延也會為全雙工通信帶來不利的影響。

3結(jié)束語

介紹了無線認(rèn)知平臺的發(fā)展背景，結(jié)合目前主流軟硬件開發(fā)環(huán)境闡述認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的組成框架以及各模塊實(shí)現(xiàn)的功能，并總結(jié)分析部分多節(jié)點(diǎn)認(rèn)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(jié)合目前各行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來需求[10]，網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)知平臺的進(jìn)一步研究應(yīng)用將體現(xiàn)在如下4個領(lǐng)域中：

① 寬帶蜂窩網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)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(gòu)網(wǎng)層間和層內(nèi)干擾等問題；

② 智能電網(wǎng)：認(rèn)知無線電技術(shù)能有效解決智能電網(wǎng)使用的非授權(quán)頻段頻譜資源的緊缺問題，因此網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)知平臺在滿足認(rèn)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(lǐng)域：在網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)知平臺中，具有感知外部環(huán)境和自適應(yīng)能力的認(rèn)知無線電設(shè)備使不同部門之間的設(shè)備互相兼容，為研究公共安全的可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供便利；

④ SDN & NFV領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)化認(rèn)知平臺可用于SDN中轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離架構(gòu)，還可用于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV的探索。

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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(xiàn)標(biāo)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(rèn)知無線電。徐展琦(1962—)，男，博士，教授/博導(dǎo)，主要研究方向：光網(wǎng)絡(luò)、寬帶衛(wèi)星網(wǎng)和認(rèn)知網(wǎng)。

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA01A505)；國家預(yù)研項(xiàng)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(rèn)知開發(fā)平臺綜述[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):09-11,58.