認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)終端中嵌入式控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)碩士論文

1、碩士學(xué)位論文認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)終端中嵌入式控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)127 / 84Design and Implementation of Embedded Control Module of Cognitive Radio Experimental System TerminalA thesis submitted toXianJiaotongUniversityin partial fulfillment of the requirementsfor the degree ofMaster of Engineering ScienceByXiaohui Chen (Information an

2、d Communication Engineering)Supervisor: Associate Prof. Xinmin LuoMay 2008論文題目：認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)終端中嵌入式控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)學(xué)科專業(yè)：信息與通信工程申請人：曉輝指導(dǎo)教師：羅新民 副教授摘 要認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）能夠感知外部無線環(huán)境的變化，通過智能調(diào)節(jié)通信參數(shù)實現(xiàn)頻譜的動態(tài)利用，解決由靜態(tài)頻譜分配政策導(dǎo)致頻譜利用率不均衡的問題。CR通過機會頻譜接入，實現(xiàn)認(rèn)知無線電用戶與授權(quán)用戶的頻譜共享，極大的提高頻譜利用率，已經(jīng)引起了國外眾多研究者的關(guān)注。但是目前CR的研究中仍存在許多爭議，因此有

3、必要研發(fā)CR實驗系統(tǒng)，用于驗證CR的理論，并為CR標(biāo)準(zhǔn)的確立提供參考。論文首先分析了CR實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了適用于該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議模型，在此基礎(chǔ)上討論了該模型中區(qū)別于其它通信網(wǎng)的物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，初步討論了其中的MAC協(xié)議和路由層協(xié)議。另外，論文主要完成了CR實驗系統(tǒng)終端中嵌入式控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。首先從CR實驗系統(tǒng)的角度分析了嵌入式控制模塊的主要任務(wù)，并在此基礎(chǔ)上介紹了該模塊的器件選型和方案設(shè)計。接下來給出了該模塊的整體設(shè)計方案，設(shè)計并實現(xiàn)了該模塊硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，包括各部分硬件電路設(shè)計、軟件系統(tǒng)移植以與各部分的系統(tǒng)測試。其次，分析了系統(tǒng)中ARM與DSP的通信需求，完成了

4、兩者之間高速數(shù)據(jù)通信接口的方案設(shè)計、具體實現(xiàn)和性能測試。最后，論文完成了CR實驗系統(tǒng)集成控制環(huán)境的設(shè)計。首先介紹了該集成控制環(huán)境的設(shè)計目的，然后給出了集成控制環(huán)境PC端控制臺的設(shè)計與其與CR終端之間的通信實現(xiàn)，并以控制臺對射頻前端工作參數(shù)的控制實驗為例，說明了集成控制環(huán)境的工作流程。關(guān) 鍵 詞：認(rèn)知無線電；協(xié)議；嵌入式控制模塊；集成控制環(huán)境；論文類型：應(yīng)用研究 本研究得到國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）（2005AA123910）資助；陜西省自然科學(xué)基金資助（2006F41）項目；陜西省科技攻關(guān)計劃（2005K04-G11）項目。Title:Design and Implementat

5、ion of Embedded Control Module of Cognitive Radio Experimental System TerminalSpeciality:Information and Communication EngineeringApplicant:Xiaohui Chen Supervisor:Associate Prof. XinminLuoABSTRACTCR(Cognitive Radio) has the ability to adjust its operating parameters intelligently by sensing the sur

6、rounding wireless environment to achieve the dynamic utilization of spectrum,and solve the disequilibrium of the spectrum utilization caused by static spectrum allocation policy.With opportunistic access to spectrum,CR can greatly improved the spectrum utilization by sharing spectrum between cogniti

7、ve users and authorized users, which attracts widely concern in the world.Nowadays,there are many arguments in the research of CR,so a practical experimental system is required to demonstrate and verify many views,and provide reference for CR studies and standard establishment.Firstly,this thesis an

8、alyzed the topology of CR experimental system, and proposed the protocol model.On the basis, the distinctive physical,link and network layer protocols of CR model were discussed,and then MAC and routing protocols were preliminarily discussed.Secondly,this thesis accomplished the design and implement

9、ation of the embedded control module of the CR experimental system terminal.Firstly,the schemes and selection of devices were introduced by analyzing the modules main tasks.Then, the specific design was implemented,including circuit designing,software transplanting and system testing. The design,imp

10、lementation and performance testing of high-speed data communication interface were also proposed based on analyzing the communication demand between ARM and DSP in CR terminal.Finally, this thesis accomplished the design of the integrated control environment.Firstly,the design purpose was introduce

11、d,and then,the design of pc-console and the communication between pc-console and CR terminals were introduced.On the basis,the thesis illuminated the workflow of the integrated control environment. Funded by: National High-tech Research and Development Plan(“863”Plan)(2005AA123910),Shanxi Province N

12、atural Science Fund(2006F41) and Shanxi Province Scientific and Technological Plan(2005K04-G11) KEY WORDS:Cognitive radio;protocol;Embedded control module;Integrated control environmentTYPE OF THESIS: Applied Research目 錄1 緒論11.1 認(rèn)知無線電概述11.2 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)概述31.3 論文的主要工作和容安排41.3.1 論文主要完成的工作41.3.2 論文的容安排42

13、認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)52.1 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)52.2 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)禮儀與協(xié)議62.2.1 禮儀與協(xié)議概述62.2.2 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)協(xié)議72.3 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)終端152.3.1 認(rèn)知無線電終端152.3.2 認(rèn)知無線電終端的改進(jìn)設(shè)計172.4 本章小結(jié)183 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)終端中嵌入式控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)193.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計193.1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計193.1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計223.2 硬件電路設(shè)計223.2.1 方案設(shè)計223.2.2 最小系統(tǒng)接口電路設(shè)計253.2.3 人機交互模塊電路設(shè)計293.2.4 通信模塊電路設(shè)計313.3 PCB版圖與硬

14、件電路的調(diào)試333.3.1 PCB版圖333.3.2 硬件電路的調(diào)試343.4 軟件設(shè)計373.4.1 啟動代碼Bootloader的移植373.4.2 嵌入式Linux核分析和移植383.4.3 根文件系統(tǒng)和Qt/Embedded圖形文件系統(tǒng)的移植413.5 系統(tǒng)測試423.6 本章小結(jié)424 ARM與DSP通信接口的設(shè)計與實現(xiàn)434.1 ARM與DSP通信接口的方案設(shè)計434.1.1 需求分析434.1.2 方案確定434.1.3 通信模型的建立454.2 ARM與DSP通信接口的具體實現(xiàn)464.2.1 通信接口的硬件實現(xiàn)464.2.2 硬件電路設(shè)計484.2.3 時序設(shè)計494.2.4

15、軟件設(shè)計504.3 ARM與DSP通信接口的測試524.4 本章小結(jié)525 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)集成控制環(huán)境的設(shè)計535.1 集成控制環(huán)境總體設(shè)計535.2 PC端控制臺的設(shè)計545.3 PC端控制臺與認(rèn)知無線電終端的通信545.4 集成控制環(huán)境的工作流程565.5 本章小結(jié)586 結(jié)論與展望596.1 結(jié)論596.2 后續(xù)工作和展望60致61參考文獻(xiàn)62附錄64攻讀學(xué)位期間取得的研究成果66聲明CONTENTS1 Preface11.1 Brief Introduction of Cognitive Radio11.2 Brief Introduction of Cognitive Radio

16、 Experimental System31.3 Main Work and Content Arrangement of the Dissertation41.3.1 Main Work41.3.2 Content Arrangement42 Cognitive Radio Experimental System52.1 The Network Topology of the CR Experimental System52.2 The Etiquette and Protocol of CR Experimental System62.2.1 Brief Introduction of E

17、tiquette and Protocol62.2.2 The Protocol of CR Experimental System72.3 CR Experimental System Terminal152.3.1 Experimental System Terminal152.3.2 Improved Design of Experimental System Terminal172.4 Brief Summary183 Design and Implementation of Embedded Control Module193.1 The Overall Structure Desi

18、gn193.1.1 Design of Hardware System193.1.2 Design of Software System223.2 Design of Hardware Circuit223.2.1Scheme Design of Embedded Control Module.223.2.2 The Interface Circuit Design of Minimal System253.2.3 Design of HCI Circuit Module293.2.4 Communication Circuit Module 313.3 Scheme of PCB and H

19、ardware Circuit Debuging333.3.1 Scheme of PCB333.3.2 Hardware Circuit Debuging343.4 Software Design373.4.1 Transplant of Bootloader373.4.2 Analysis and Transplant of Linux core383.4.3 Translant of Root File System and Qt/Embedded413.5 System Testing423.6 Brief Summary424 Design and Implementation of

20、 The Interface Between ARM and DSP434.1 Scheme Design of The Interface Between ARM and DSP434.1.1 Analysis of Requirement 434.1.2 Scheme434.1.3 Communication Model454.2 Implementation of The Interface Between ARM and DSP464.2.1 Hardware Implementation464.2.2Design of Hardware Circuit484.2.3Design of

21、 Timing494.2.4 Design of Software504.3 The Interface Testingof The Interface Between ARM and DSP524.4 Brief Summary525 The Integrated Control Environment of CRExperimental System535.1 The Integrated Control Environment535.2 PC-onsole545.3 Communication Between PC Console and CR terminal545.4 Workflo

22、w of The Integrated Control Environment565.5 Brief Summary586 Conclusions and Expectation596.1 Conclusions596.2 Expectation60Acknowledgements61References62Appendix64Achievements66Declaration 1 緒論1.1 認(rèn)知無線電概述隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊。尤其是隨著無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Network，WLAN）技術(shù)、無線個人域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Pers

23、onel Area Network，WPAN）技術(shù)和無線城域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）技術(shù)的高速發(fā)展，人們對寬帶無線應(yīng)用提出了更高的要求。目前的頻譜分配制度為靜態(tài)頻譜分配，將頻譜分為2個部分：授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段。大部分的頻譜資源被用來作為授權(quán)頻段，如電視廣播頻段。由于WLAN、WPAN和WMAN無線通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，這些網(wǎng)絡(luò)所工作的非授權(quán)頻段已趨于飽和。另一方面，相當(dāng)數(shù)量的頻譜資源的利用率卻非常低。以美國為例，F(xiàn)CC（Federal Communications Commission，美國聯(lián)邦通信委員會）的大量研究表明，一些非授權(quán)

24、頻段如工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用頻段以與適于陸地移動通信的2GHz左右的授權(quán)頻段過于擁擠，而有些授權(quán)頻段卻經(jīng)?？臻e1。來自美國國家無線電網(wǎng)絡(luò)研究實驗床（National Radio Network Research Testbed，NRNRT）項目的一份測量報告表明，3GHz以下頻段的平均頻譜利用率僅為5.2%1。另有文獻(xiàn)2表明34GHz頻帶利用率只有0.5%，45GHz頻帶利用率下降到0.3%。為了解決這種頻譜利用率不均衡的問題，一種能自動感知所處的頻譜環(huán)境，通過智能的學(xué)習(xí)來實時的自適應(yīng)的調(diào)整調(diào)制、編碼和帶寬等傳輸參數(shù)，或者再利用原有指定頻段之外的空閑頻段，實現(xiàn)多維空間上頻譜接入的革命性的智能頻譜共享

25、技術(shù)認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)3-5，就有了最初的設(shè)想，它能夠極大的提高頻譜利用率。CR的基本出發(fā)點6是在不影響授權(quán)頻段上正常通信的授權(quán)用戶的基礎(chǔ)上，具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“機會方式（Opportunistic Way）7”接入授權(quán)的頻段，并動態(tài)地利用頻譜。這種在空域、時域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空穴（Sprctrum Holes）5”。CR的核心思想就是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”并合理利用的能力。CR的概念最初由Joseph Mitola博士于1999年提出，他認(rèn)為CR可以使SDR（Software Defined Rad

26、io，軟件定義無線電）從預(yù)置程序的盲目執(zhí)行者轉(zhuǎn)變成為無線電領(lǐng)域的智能代理，且SDR是CR實現(xiàn)的理想平臺4。認(rèn)知功能的實現(xiàn)主要是通過無線電知識描述語言(Radio Knowledge Representation Language，RKRL)，采用基于模式的推理方式與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流。Mitola對CR的認(rèn)識強調(diào)其學(xué)習(xí)和推理能力，認(rèn)為CR系統(tǒng)能夠通過學(xué)習(xí)，不斷感知無線環(huán)境的變化，并通過自適應(yīng)地調(diào)整自身部的通信機制來適應(yīng)無線環(huán)境的變化。相比之下，F(xiàn)CC提出的CR定義更能為業(yè)界所接受8。它建議任意無線電只要能夠具有自適應(yīng)頻譜感知功能就可稱為是“CR”。針對頻譜利用率低的現(xiàn)狀，F(xiàn)CC提出采用CR技術(shù)實

27、現(xiàn)“開放頻譜系統(tǒng)”，對于合法的授權(quán)用戶具有最高的優(yōu)先權(quán)接入頻譜，而具有CR功能的非授權(quán)用戶，可在對授權(quán)用戶不造成干擾的情況下機會接入可用頻譜。目前CR的應(yīng)用大多是基于FCC的觀點，因此也稱CR為頻譜捷變無線電、機會頻譜接人無線電等。隨著CR的發(fā)展，世界各國的頻譜管理部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織、研究機構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟紛紛開展相關(guān)的研究。近幾年一些頻譜政策管制部門，如美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)、英國通信辦公室(Office of communications，Ofcom)對CR技術(shù)給予了積極的支持。2002年12月，F(xiàn)CC指出非授權(quán)設(shè)備應(yīng)具備能夠識別未占用頻段的能力；2003年11月，F(xiàn)CC提出新的量化和管理

28、干擾的指標(biāo)值干擾溫度的概念，以擴展在移動和衛(wèi)星頻段的非授權(quán)操作；同年12月FCC成立了CR工作組，明確表示支持CR技術(shù)并修正了美國的電波法8；2004年5月FCC建議非授權(quán)無線電可使用TV廣播頻段。與此同時Ofcom也將CR引人其近期的頻譜框架概述報告書中。在頻譜管理部門的帶動下，一些國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也開始著手制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以推動CR技術(shù)的發(fā)展。IEEE 802.22工作組已將CR技術(shù)確立為WRAN（Wireless Regional Area Network，無線區(qū)域網(wǎng)）的核心技術(shù)9，目標(biāo)是將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶的空閑頻道有效利用作為寬帶訪問線路。目前該工作組對基于CR技術(shù)的物理層

29、與MAC（Media Access Control，媒體接入控制）層標(biāo)準(zhǔn)的制定正在研究中。同時IEEE 802.16工作組也開始考慮制定IEEE 802.16h標(biāo)準(zhǔn)，致力于改進(jìn)如策略和MAC增強等機制以確保基于WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，微波存取全球互通）的免授權(quán)系統(tǒng)之間的共存，以與與授權(quán)系統(tǒng)之間的共存。另外ITU也在努力尋找類似CR的頻譜共享技術(shù)。國外大學(xué)和一些科研機構(gòu)也開始投入到CR技術(shù)的研究當(dāng)中，并發(fā)表一些專著和研究成果，對CR的發(fā)展起到了重要的作用。其中具有代表性的是由DARPA（Defense Advan

30、ced Research Projects Agency，美國國防高級研究計劃署）資助的下一代無線通信（Next Generation Program，XG）項目，主要研究系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)，以實現(xiàn)基于CR技術(shù)的動態(tài)頻譜應(yīng)用；2005年開始的自適應(yīng)自組織網(wǎng)免費頻段通信（Adaptive Ad-Hoc Freeband Communications，AAF）項目是荷蘭國家資源計劃免費頻段通信（Freeband Communications）項目的一部分，它利用CR技術(shù)對應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)（火災(zāi)現(xiàn)場、空難急救現(xiàn)場等）進(jìn)行研究10,11；維吉尼亞無線通信技術(shù)中心主要關(guān)注基于遺傳算法的認(rèn)知模型的研究與CR節(jié)點引

31、擎實驗床的研發(fā)；英國的移動電信技術(shù)虛擬中心開始轉(zhuǎn)向CR的研究中，其多模終端研究小組與布里斯托爾大學(xué)通信系統(tǒng)研究中心開始聯(lián)手進(jìn)行自適應(yīng)射頻技術(shù)的研究；歐洲通信協(xié)會資助的DRiVE、OverDRiVE和TRUST項目主要關(guān)注在混合的多無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜的動態(tài)分配和流量控制，該協(xié)會同時資助的端到端重配置網(wǎng)絡(luò)研究(E2R)項目主要研究如何通過端到端重配置網(wǎng)絡(luò)和軟件無線電技術(shù)將未來不同類型的無線網(wǎng)絡(luò)融合起來，對基于CR應(yīng)用的市場模型、CR網(wǎng)絡(luò)的定價策略和計費策略也進(jìn)行了初步研究；此外，美國加州大學(xué)伯克利分校、荷蘭的代爾夫特大學(xué)、德國柏林技術(shù)學(xué)院等也有關(guān)于CR方面的研究。近幾年，國研究機構(gòu)也開始關(guān)注和跟蹤該

32、技術(shù)，包括交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、清華大學(xué)、科技大學(xué)與電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)等。國家863計劃基金在2005年首次支持了CR關(guān)鍵技術(shù)的研究。研究課題主要集中于CR系統(tǒng)中的合作與跨層設(shè)計技術(shù)、空間信號檢測和分析與QoS保證機制、實驗系統(tǒng)的研制等。目前，CR技術(shù)的研究大都集中在物理層和MAC層的功能上，如頻譜感知技術(shù)、頻譜管理技術(shù)和頻譜共享技術(shù)12。這些方面的研究已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展，對于更高層，如網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的技術(shù)，雖然還沒有深入的研究，但是已引起了研究人員越來越多的關(guān)注。同樣，CR的安全技術(shù)和CR的跨層設(shè)計也需要進(jìn)行深入的研究。1.2 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)概述隨著CR相關(guān)技術(shù)的研究，相應(yīng)實驗

33、系統(tǒng)的研究和開發(fā)也取得了一些進(jìn)展。如DARPA的XG項目設(shè)計了自適應(yīng)頻譜系統(tǒng)原型，目標(biāo)是使頻譜的利用率增加10倍13；MITRE公司研發(fā)了自適應(yīng)頻譜無線電（Adaptive Spectrum Radio，ASR）實驗床，成功驗證了自適應(yīng)頻譜接入的可行性；維吉尼亞無線通信技術(shù)中心研究并設(shè)計了CR仿真實驗椅和硬件實驗床，基于生物啟發(fā)的CR引擎節(jié)點正在研發(fā)中14；伯克利大學(xué)建立了伯克利仿真平臺(Berkeley Emulation Engine，BEE2 )，對各種頻譜偵聽技術(shù)和算法進(jìn)行了實驗仿真和性能分析15等。本項目組在國家“十一五”863高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目“CR技術(shù)研究”課題支持下，于20

34、06年完成了第一版的CR實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了CR終端間的點對點通信，能對電視頻段的授權(quán)用戶進(jìn)行檢測并進(jìn)行工作頻段的切換，具備了對CR基本概念與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗證的能力。但是，第一版CR實驗系統(tǒng)仍存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能單一等缺陷。鑒于此，項目組設(shè)計了第二版CR實驗系統(tǒng)。第二版CR實驗系統(tǒng)終端在結(jié)構(gòu)上做出了較大的改變，由DSP+FPGA的架構(gòu)升級為ARM+3DSP+FPGA的架構(gòu)，它能充分利用ARM的控制能力和3DSP+FPGA的數(shù)據(jù)處理能力，大大的提升了系統(tǒng)的性能，同時也能很好的解決第一版實驗系統(tǒng)存在的問題。第二版實驗系統(tǒng)中增加ARM控制模塊后，CR終端成為一個典型的嵌入式系統(tǒng)。它非常類似于目前通用的

35、智能手機系統(tǒng)，都包括嵌入式控制單元和數(shù)據(jù)處理單元這兩大核心。嵌入式系統(tǒng)研究是后PC時代研究的熱點，它正處于高速發(fā)展階段，包括微處理器、外部配套芯片以與嵌入式軟件發(fā)展都非常的迅速。嵌入式處理器目前主流的應(yīng)用已經(jīng)從ARM7轉(zhuǎn)向ARM9，甚至更高的ARM10、ARM11，處理器的處理能力也越來越強；嵌入式操作系統(tǒng)也從簡單的多任務(wù)操作系統(tǒng)發(fā)展到實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)中嵌入式微處理器采用主頻最高達(dá)266MHz的ARM9處理器：S3C2410A；數(shù)據(jù)處理器采用TI的高端DSP：TMS320C6416T，其主頻最高達(dá)720MHz。FPGA采用Altera公司的高端Stratix2s30F672C5。1.

36、3 論文的主要工作和容安排1.3.1 論文主要完成的工作本文是在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃) (編號：2005AA123910)的資助下完成的。本文作者參與了“認(rèn)知無線電技術(shù)研究”項目的研究工作，參與了第二版實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，目前該實驗系統(tǒng)工作正常。論文主要完成的工作包括：1） 對CR技術(shù)提出的背景，CR的概念，所涉與的主要研究容進(jìn)行了廣泛的了解和學(xué)習(xí)。參考已有的通信協(xié)議，提出了適合CR實驗系統(tǒng)的協(xié)議模型，并對協(xié)議模型中物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了相關(guān)的討論，為正在擴充的CR協(xié)議提供參考。2） 設(shè)計與實現(xiàn)第二版CR實驗系統(tǒng)終端中嵌入式控制模塊。完成了芯片選型、方案設(shè)計以與具體實

37、現(xiàn)，具體包括硬件部分：原理圖設(shè)計、PCB制作、電路板焊接和調(diào)試；軟件部分：Bootloader、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、根文件系統(tǒng)、外圍設(shè)備驅(qū)動和Qt/Embedded圖形文件系統(tǒng)的移植。3） 設(shè)計與實現(xiàn)ARM與DSP的通信接口。完成基于HPI32模式下的通信接口方案設(shè)計、硬件實現(xiàn)和性能測試。4） 設(shè)計完成了CR實驗系統(tǒng)集成控制環(huán)境。實現(xiàn)了用戶對CR終端工作參數(shù)的控制以與數(shù)據(jù)的通信。5） 通過論文的研究和積累，與2008年6月在電訊技術(shù)發(fā)表一篇題目為“基于ARM+DSP的認(rèn)知無線電終端的設(shè)計”的文章。1.3.2 論文的容安排第一章介紹了CR技術(shù)提出的背景，概念，它的主要研究容以與研究現(xiàn)狀。給

38、出了CR實驗系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀分析，并介紹了課題背景以與論文的工作和結(jié)構(gòu)安排。第二章首先給出了基于有中心控制的分布式的CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上討論了適合本實驗系統(tǒng)的協(xié)議模型；其次結(jié)合第一版CR實驗系統(tǒng)終端存在的缺陷，提出了一種全新的ARM+3DSP+FPGA架構(gòu)，并分析了增加以ARM9為核心的嵌入式控制模塊所帶來的終端性能改進(jìn)。第三章詳細(xì)分析了CR實驗系統(tǒng)終端中嵌入式控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。分別就該模塊的硬件、軟件設(shè)計做出了詳細(xì)的描述，同時對該模塊的軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行了測試。第四章介紹了ARM和DSP的高速數(shù)據(jù)通信接口的設(shè)計與實現(xiàn)。首先分析了CR終端中ARM與DSP之間的通信需求和方案，

39、在此基礎(chǔ)上確定了基于HPI通信接口作為ARM與DSP的高速數(shù)據(jù)通道，最后給出了該通信接口的詳細(xì)設(shè)計并測試了其性能。第五章介紹了CR實驗系統(tǒng)集成控制環(huán)境的設(shè)計與實現(xiàn)。分析了集成控制環(huán)境主要任務(wù)、PC端控制臺的設(shè)計與其與CR終端的通信。同時舉例說明了集成控制環(huán)境的具體工作流程。第六章對論文工作的總結(jié)和下一步工作的展望。2 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)2.1 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用集中式與分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即有中心控制的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)成元素為CR終端、中心和電視信號發(fā)射塔。CR實驗系統(tǒng)由多個CR小區(qū)構(gòu)成，每個小區(qū)由一個中心和多個CR終端組成。CR終端和中心均

40、勻分布在服務(wù)區(qū)。一個CR小區(qū)定義為：它由中心和附屬的CR終端構(gòu)成，CR終端受該中心控制。小區(qū)的覆蓋圍是中心發(fā)出的信號能夠被其附屬的CR終端接收到并保證滿足最小的SINR（Signal-to-Interference and Noise Ratio，信干噪比）要求的所有位置。簡化CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 21中所示。CR實驗系統(tǒng)使用的頻段是當(dāng)?shù)?640號電視頻道，頻率圍從614734MHz，共120MHz的帶寬。任何兩個CR用戶的通信都采用FDD雙工方式，多個用戶采用FDMA方式實現(xiàn)多址，每個CR用戶上下行分別占用8MHz頻率資源。圖 21 CR實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其它傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比

41、，CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有以下顯著特點：1） 分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采取分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由CR終端層、中心層和更高層組成。CR終端層為系統(tǒng)的最底層，該層中的CR終端受小區(qū)的中心控制，響應(yīng)中心的控制完成通信、頻譜檢測、頻譜切換等功能。中心層位于CR終端層的上一層，由各小區(qū)的中心組成，中心控制小區(qū)所有附屬的CR終端的活動，主要負(fù)責(zé)頻譜資源的分配、呼叫接續(xù)的控制和CR終端之間通信的路由選擇等。更高層主要用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的組建，負(fù)責(zé)完成對各中心通信中繼和管理，目前在實驗系統(tǒng)中暫不考慮該層。2） 有控制中心CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用有控制中心的結(jié)構(gòu)，小區(qū)中的中心作為小區(qū)的控制中心，控制和管理小區(qū)的所有活動，

42、但它僅作為小區(qū)的控制中心，并不作為小區(qū)CR終端通信的中繼。3） 多跳路由CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，CR終端的覆蓋圍是有限的。當(dāng)要與其覆蓋圍之外的CR終端進(jìn)行通信時，需要中間終端的轉(zhuǎn)發(fā)，即CR終端之間的通信采取多跳的通信方式，因此CR終端除了要完成正常的功能外，還需要具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力。4） 頻譜感知CR設(shè)備能夠感知周圍無線環(huán)境的變化，動態(tài)的選擇合適的工作頻段。根據(jù)Fatih Capar等人在文獻(xiàn)16中對CR的定義，CR設(shè)備具備檢測出某個頻段是否被授權(quán)用戶所占用，即該頻段是否為頻譜空穴的能力。如果確定該頻段為頻譜空穴，CR設(shè)備可以使用該頻段作為自己的工作頻段，一旦發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶重新開始工作，則必須能夠與時

43、退出該頻段，在下一個頻譜空穴上繼續(xù)工作。5） 無線參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整CR設(shè)備能夠根據(jù)可用的頻譜空穴調(diào)整無線傳輸參數(shù)。由于CR鏈路的傳播狀態(tài)始終處于不斷的變化中，這就使CR鏈路的服務(wù)質(zhì)量和系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不斷地發(fā)生變化，因此CR設(shè)備必須能對其無線參數(shù)，如：發(fā)射功率、調(diào)制方式和編碼方式，進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以盡可能地減小對授權(quán)用戶可能造成的干擾，同時保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，為用戶提供端到端服務(wù)質(zhì)量保證。6） 功率控制CR設(shè)備能夠在通信過程中在不同的功率水準(zhǔn)之間切換。采用CR技術(shù)實現(xiàn)頻譜共享的前提必須保證對授權(quán)用戶不造成干擾，而每個CR設(shè)備的發(fā)射功率是造成干擾的主要原因，因此CR設(shè)備需要能夠自適應(yīng)的調(diào)整其發(fā)

44、射功率，避免對授權(quán)用戶造成干擾的前提下，達(dá)到高效的頻譜利用。2.2 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)禮儀與協(xié)議2.2.1 禮儀與協(xié)議概述CR實驗系統(tǒng)禮儀與協(xié)議是一整套用于規(guī)CR實驗系統(tǒng)進(jìn)行有序工作的禮儀規(guī)則，這是一組由射頻頻段、空中接口、協(xié)議、空時模型以與為緩解頻譜使用緊而制訂的高層協(xié)商規(guī)則所組成的規(guī)模式。頻譜租用程序、用戶優(yōu)先級策略和無線電知識描述語言等都為頻譜的統(tǒng)籌規(guī)使用提供了保障，為實現(xiàn)CR的頻譜共享提供規(guī)。CR實驗系統(tǒng)禮儀與協(xié)議用于在頻譜有效和混亂之間進(jìn)行權(quán)衡，使得所有的應(yīng)急服務(wù)、政府、個人和商業(yè)用戶可以主動或被動地共享該協(xié)議的成果。頻譜租用程序是一種類似于握手協(xié)議的協(xié)商程序。頻譜出租者首先發(fā)送出租

45、頻譜的信號，里面包含一些諸如頻率、帶寬、可以使用的時間段以與價格等相關(guān)信息；租用者在收到信號后，給對方發(fā)送意向信號，里面列舉了自己所希望達(dá)到的要求；雙方經(jīng)協(xié)商后，最后達(dá)成一致，從而完成一個簡單的頻譜租用程序。同理，也可以反過來，由租用者事先發(fā)出頻譜需求信息。用戶優(yōu)先級策略是為了提高頻譜管理的高效性和保障社會通信的有序性。應(yīng)急服務(wù)、政府部門、商業(yè)客戶與個體用戶等各種用戶應(yīng)該具有不同的優(yōu)先級。例如應(yīng)該首先考慮警方、消防和醫(yī)療急救等社會緊急事務(wù)，把他們的優(yōu)先級設(shè)定為最高?，F(xiàn)有的頻譜分配特征確定了默認(rèn)的頻譜使用優(yōu)先級。通過頻譜管理者的授權(quán)可以改變?nèi)只蚓植康膬?yōu)先級。這個協(xié)議允許分配一個用戶、一個頻道或

46、者一個有特別優(yōu)先級（用戶、時間、空間和頻率）的組合。CR為人性化服務(wù)提供了巨大的潛能，但是頻譜共享禮儀規(guī)則的制訂十分耗費人力。部分原因是由于沒有統(tǒng)一的表示無線電知識的方式，限制了CR對網(wǎng)絡(luò)和用戶的響應(yīng)。RKRL可能會有助于更好地提高該過程的自動化。2.2.2 認(rèn)知無線電實驗系統(tǒng)協(xié)議為使系統(tǒng)協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)得以簡化，做出以下假設(shè)：1） 系統(tǒng)工作頻段為VHF/UHF頻段，且此頻段授權(quán)用戶工作的持續(xù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)檢測授權(quán)用戶所需要的時間；2） 授權(quán)用戶的服務(wù)區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域，因此授權(quán)用戶發(fā)射的信號在本系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域以可以近似認(rèn)為是均勻的，因此沒有隱藏終端和暴露終端的問題，單個CR終端對授權(quán)

47、用戶的檢測具有相當(dāng)高的精度；3） 各CR小區(qū)都存在重疊區(qū)，并且重疊區(qū)域都存在CR終端。根據(jù)CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特征，參考OSI的經(jīng)典7層協(xié)議模型和TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)，可以建立5層CR實驗系統(tǒng)協(xié)議模型。如圖 22所示。圖 22 CR實驗系統(tǒng)協(xié)議模型在CR實驗系統(tǒng)協(xié)議模型中，各層的功能描述如下：1） 物理層物理層主要完成對無線信道的處理，包括信道的區(qū)分和選擇、分配/切換、信號檢測和調(diào)制/解調(diào)等功能。CR實驗系統(tǒng)的物理層區(qū)別與其他通信系統(tǒng)的主要特征是頻譜感知功能，它能夠進(jìn)行頻譜空穴的檢測，確定哪一部分頻譜是可用的，當(dāng)用戶在授權(quán)頻段上工作時檢測授權(quán)用戶的出現(xiàn)，并將檢測結(jié)果通知鏈路層。2） 鏈路層鏈路

48、層可以分割為兩個不同的子層：信道接入的MAC子層和鏈路控制的邏輯鏈路控制子層。MAC子層規(guī)定了不同的用戶如何共享可用的媒體資源，即控制CR終端對共享無線信道的訪問，包括邏輯信道的劃分和分配。該層主要解決實驗系統(tǒng)的核心問題頻譜共享，它主要包括動態(tài)頻譜分配和動態(tài)頻譜接入。頻譜共享既包括認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶的頻譜共享，也包括認(rèn)知用戶之間的頻譜共享。頻譜分配與接入的公平性和通信開銷也是要考慮的問題。鏈路控制子層負(fù)責(zé)通信鏈路的建立、維護、切換、釋放等相關(guān)操作，并向網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的服務(wù)，屏蔽底層不同的MAC方法。3） 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括路由發(fā)現(xiàn)、分組傳輸和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等功能，其中路由發(fā)現(xiàn)的作用是發(fā)現(xiàn)和維

49、護去往目的地的路由。分組傳輸是通過確定的路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡?。由于CR網(wǎng)絡(luò)中頻譜在時間和空間上的間斷性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點間的連接性與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)有很大的不同。相鄰節(jié)點可能因工作在不同的信道上無法通信，正在通信的節(jié)點對也可能因授權(quán)用戶的出現(xiàn)而中斷連接。因此，CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計面臨傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所沒有的挑戰(zhàn)。4） 傳輸層傳輸層的主要功能是向應(yīng)用層提供可靠的端到端的服務(wù)，使上層與通信子網(wǎng)（下三層的細(xì)節(jié)）相隔離，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的特性來高效的利用網(wǎng)絡(luò)資源。由于CR設(shè)備可能在通信過程中使用多個信道的特性，導(dǎo)致通信過程中的鏈路往返時間產(chǎn)生變化，另外，由頻譜切換引入的頻譜切換時延也會對鏈路往返時間產(chǎn)生影響，

50、這些因素都可能導(dǎo)致重傳超時，傳統(tǒng)的TCP協(xié)議的擁塞控制機制可能會重傳實際上并沒有丟失的數(shù)據(jù)包，造成端到端的吞吐量下降。因此，CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)計新的傳輸層協(xié)議來解決這些問題。5） 應(yīng)用層應(yīng)用層向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)。可根據(jù)用戶的需要提供各具特色的應(yīng)用層服務(wù)。由圖 22的協(xié)議模型看到，頻譜管理功能是該協(xié)議的重要組成部分。在頻譜管理功能中，考慮到頻譜的動態(tài)特性，應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、路由層、介質(zhì)接入層和物理層的功能都以合作的方式實現(xiàn)。頻譜管理功能主要包括頻譜感知、頻譜分析、頻譜決策、頻譜共享和頻譜切換，解決如何發(fā)現(xiàn)在時域、頻域和空域上的頻譜空穴、如何對頻譜空穴的頻譜特征進(jìn)行頻譜分析、如何基于

51、頻譜分析對頻譜空穴的描述，進(jìn)行頻譜決策以選擇合適的工作頻段、如何解決動態(tài)頻譜分配和動態(tài)頻譜接入的問題和如何確保頻譜切換時更加平穩(wěn)和快速，使得認(rèn)知用戶在頻譜切換時性能下降達(dá)到最小的問題。由于CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要動態(tài)使用頻譜的通信方式實現(xiàn)，使得CR實驗系統(tǒng)與其它通信系統(tǒng)在協(xié)議上存在較大的不同，下面分別對協(xié)議中的物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行分析。1） 物理層CR實驗系統(tǒng)終端的物理層要求有可靠的空閑頻譜檢測和可靠的對授權(quán)用戶信號的檢測。因此CR實驗系統(tǒng)終端的物理層必須具備寬帶的感知前端和授權(quán)用戶信號的檢測器，準(zhǔn)確的檢測頻譜空穴信息和授權(quán)用戶的出現(xiàn)。同時能夠接收上層信息，調(diào)整其工作參數(shù)。為了滿足CR技術(shù)的

52、特點要求，物理層的設(shè)計包括可擴展性的調(diào)制和編碼方式、頻譜感知和動態(tài)頻譜接入、鏈路間的功率控制等。本系統(tǒng)采取OFDM調(diào)制方式、星座圖映射方式是QPSK或者16QAM，甚至更高的64QAM、低密度奇偶校驗碼（LDPC）和Turbo碼等信道編碼技術(shù)等以適應(yīng)不斷變化的無線信道環(huán)境。CR實驗系統(tǒng)的具體參數(shù)如表 21所示。表 21 CR實驗系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)名稱參數(shù)值組網(wǎng)方式有中心的分布式網(wǎng)絡(luò)（混合式）小區(qū)覆蓋圍300m（半徑）雙工方式/多址方式FDD/FDMA星座圖映射QPSK/16QAM調(diào)制方式OFDM（64256）信道編碼方式LDPC/Turbo頻譜感知方式能量感知/信道特征感知基帶信息傳輸速率6.4

53、Mbps模擬中頻頻率36MHz射頻工作頻段614734MHz信道上下行間隔32MHz信道帶寬8MHz2） 鏈路層鏈路層按功能分為MAC子層和鏈路控制子層。MAC主要解決授權(quán)用戶與CR用戶之間、以與CR用戶間的媒介訪問沖突；鏈路控制子層主要解決通信鏈路的建立、切換和釋放等相關(guān)過程。根據(jù)CR實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)17的特性，使得傳統(tǒng)的MAC協(xié)議將不再適用，因此需要重新考慮適合CR實驗系統(tǒng)的MAC協(xié)議。Pawelczak等人提出了一個簡單的CR MAC協(xié)議18，將IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的MAC協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，使得該協(xié)議適用于Ad Hoc CR應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)。本文主要討論基于IEEE 802.22協(xié)議19的MAC

54、?；贑R的MAC層需要對變化的無線環(huán)境與時做出反應(yīng)。除了要求它能提供傳統(tǒng)的MAC服務(wù)外，CR的MAC必須能夠提供一套全新的機制來保證系統(tǒng)在TV頻帶有效工作。也就是說需要提供與授權(quán)用戶共存、授權(quán)用戶保護等機制。同時，頻譜管理與檢測、功率控制也是MAC層的功能。MAC中控制信令信道下行介質(zhì)接入方式是時分復(fù)用（TDM），而上行是時分多址（TDMA）。在MAC中，中心管理控制小區(qū)的所有活動與所屬的CR終端。下面主要描述CR實驗系統(tǒng)MAC協(xié)議各部分功能單元。（1） 接入初始化接入初始化的時候，中心要參考TV信道的使用數(shù)據(jù)庫和區(qū)域的其它中心的信息數(shù)據(jù)庫，通過頻譜空穴的檢測來發(fā)現(xiàn)空閑信道，并在固定的控制信

55、令信道上開始服務(wù)。當(dāng)CR終端開機后，它首先掃描所有的電視信道，建立一頻譜占用圖表標(biāo)識每個信道來確定是否有授權(quán)用戶被檢測到，同時將該信息通過固定的控制信令信道上傳送給中心。CR終端可以使用該信道與中心建立同步，然后從中心獲取上、行控制信令信道的傳輸參數(shù)，執(zhí)行協(xié)商基本容量、授權(quán)、注冊等一系列操作。最后得到中心分配的業(yè)務(wù)信道，在業(yè)務(wù)信道上完成與其它CR終端的通信。（2） 頻譜感知和管理MAC層的頻譜感知與管理單元用于保證CR設(shè)備的運行不會對授權(quán)用戶造成干擾。中心指導(dǎo)它所管理的CR終端執(zhí)行周期性的頻譜檢測活動，包括帶檢測和帶外檢測。帶檢測是檢測CR終端正在使用的信道，而帶外檢測是檢測其它信道，用于選擇

56、合適的備用信道。中心發(fā)出的檢測要求和CR終端發(fā)回的檢測回應(yīng)之間是一對一的通信。同時，為了提高系統(tǒng)性能，中心并不需要每個CR終端都執(zhí)行一樣的檢測活動，相對應(yīng)的，中心根據(jù)合作算法將檢測任務(wù)分配給各個CR終端，然后匯集各檢測結(jié)果形成頻譜占用圖，同時中心對結(jié)果進(jìn)行分析，必要時改變工作參數(shù)。MAC層除了支持上述功能，同時也支持諸如切換信道、重啟信道和分配信道等信道管理功能。通過這些功能，MAC能夠有效地保證授權(quán)用戶不受干擾，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共存、合作與共享。（3） 功率控制CR實驗系統(tǒng)中同時存在著CR終端之間點對點的數(shù)據(jù)通信和CR終端與中心之間的信令信息通信，因此對數(shù)據(jù)鏈路和信令鏈路分別進(jìn)行功率控制。控制鏈路的

57、功率控制可以采用蜂窩網(wǎng)常用的方式，具體分為上行鏈路功率控制和下行鏈路功率控制，兩者獨立進(jìn)行。上行鏈路功率控制的目的是調(diào)整CR終端的發(fā)射功率，在確保中心獲得穩(wěn)定的接收信號強度前提下降低移動臺功耗；下行鏈路功率控制是調(diào)整中心的發(fā)射功率，使CR終端獲得穩(wěn)定的接收信號強度，同時降低功耗。上下行鏈路的功率控制都可通過開環(huán)或閉環(huán)的控制方法來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路用來完成CR終端間的數(shù)據(jù)傳輸。功率控制方式可分為中心集中式控制和CR終端分布式控制兩種。中心進(jìn)行集中功率控制時，由于數(shù)據(jù)通信采用點對點的方式，因而中心不能通過與CR終端間的上下行鏈路確定CR終端之間的數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)。中心控制的精度依賴于CR終端提供的無線環(huán)境信息。當(dāng)CR終端密度較大時，可提高無線環(huán)境信息準(zhǔn)確度，但增加了功率控制算法的復(fù)雜度。CR終端進(jìn)行分布式的功率控制，采用博弈的方法，解決多組用戶在功率資源分配中的競爭與合作問題，使用戶達(dá)到目標(biāo)信噪比的同時盡可能降低發(fā)射功率。鏈路控制子層主要解決通信鏈路的建立、維持、切換和釋放等相關(guān)過程。具體過程如圖 23圖 24圖 25所示。（1） 通信鏈路建立通信鏈路的建立