當前位置:首頁 > 嵌入式 > 嵌入式軟件
[導讀]基于載波檢測的認知無線電方案設計與實現(xiàn)

 Joseph Mitola博士[1]提出的認知無線電[2]CR(Cognitive Radio)作為一種新型的頻譜共享技術,通過智能感知并機會式利用授權頻段中的頻譜空穴(即已分配給授權用戶但未被其占用的空閑頻譜),實現(xiàn)了不可再生頻譜資源的再次利用。為有效解決當今無線網(wǎng)絡中頻譜資源緊張與頻譜利用率不高這一矛盾開辟了新的途徑。目前國內(nèi)該領域的研究還剛剛起步,主要集中在認知無線電物理層和媒質(zhì)接入控制層的關鍵技術、協(xié)議體系結(jié)構(gòu)、應用場景分析等方面,且以仿真研究為主,尚未有實用化的系統(tǒng)出現(xiàn)。本文提出的則是一個基于認知無線電的概念,將MSP430F2418單片機與nRF905射頻發(fā)射模塊相結(jié)合,通過載波檢測和算法控制,實現(xiàn)無線網(wǎng)絡中非授權用戶智能接入的設計方案,重點研究了如何將認知無線電的概念付諸實施。
1 硬件平臺的建立
    圖1所示為該認知網(wǎng)絡的通信架構(gòu)。圖中UCR表示授權用戶,F(xiàn)1是它的授權頻率;CR表示非授權用戶,CR_Tx為非授權用戶的發(fā)送方,網(wǎng)絡中非授權用戶的智能接入功能由其完成;CR_Rx為非授權用戶的接收方,其主要任務是準確接收來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)。圖中Fn為可變頻率,在UCR沒有使用F1時,CR用戶可以使用F1;否則,CR用戶應避開這個頻率。由于本次研究的頻率是433.0 MHz免許可申請頻帶,所以選用了可工作在433/868/915 MHz的nRF905射頻發(fā)射模塊。為了直觀非授權用戶的工作性能,硬件上添加了液晶顯示器,該顯示器與按鍵相結(jié)合構(gòu)成了人機交互界面。非授權用戶智能接入的功能需要一個微處理器進行處理和控制,課題中選用了具有超低功耗特點且具有較大內(nèi)存的MSP430F2418型號單片機。該型號單片機龐大的內(nèi)存空間為以后系統(tǒng)功能的擴展提供了方便,滿足了設計的需要。

    圖2所示為MSP430F2418、nRF905以及液晶顯示器的硬件連接圖,省略了按鍵部分。CPU主要通過P2、P3口來操作nRF905內(nèi)部寄存器,使其工作于不同的工作狀態(tài)下。認知用戶發(fā)送方和接收方都需要對當前設置的頻率段進行頻譜檢測,以確定頻譜空洞和選擇最佳載波頻率,而這一切都是基于MSP430F2418對nRF905模塊CD引腳上信號的檢測實現(xiàn)的。對于液晶顯示器,CPU主要通過P5口低四位以及P4口來控制。另外,圖中省略的按鍵與液晶顯示器相結(jié)合構(gòu)成一個人機交互界面,可以設置該網(wǎng)絡工作于不同頻段。

2 通信協(xié)議設計
2.1 自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議

    由于認知無線電技術具有動態(tài)、靈活、智能的特點,因而對通信協(xié)議的要求比較高,要求協(xié)議能自適應于因終端變動、無線環(huán)境變動而帶來的可用頻譜資源的動態(tài)變化以及網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的改變。尤其不能因為可用頻譜資源的改變中斷非授權用戶的正常通信。為此,需要改進現(xiàn)有的通信協(xié)議,并且考慮物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的跨層設計問題。本文采用了數(shù)據(jù)通信協(xié)議中最基本的停等協(xié)議,即每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)都要在等到應答幀之后才能發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
    為了避免停等協(xié)議中數(shù)據(jù)幀重發(fā)冗余的問題,發(fā)送方為每幀數(shù)據(jù)編上了一個序號。接收方通過對數(shù)據(jù)序號的判斷,以確保只接收當前想要的數(shù)據(jù)幀。
    為了提高收發(fā)數(shù)據(jù)的正確率,除了nRF905的CRC校驗碼之外,設計中還將非授權用戶之間收發(fā)的數(shù)據(jù)塊第一個字符標志為‘R’。接收方接收數(shù)據(jù)時只在第一個字符‘R’ 校驗正確時才保存該數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

2.2 發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送和協(xié)議解析
    非授權用戶的發(fā)送方具有感知能力,該認知網(wǎng)絡中的智能接入功能即由其來實現(xiàn)。在初始化完成之后,發(fā)送方需要對當前設置的頻率段進行頻譜檢測[3-5],將處于忙碌狀態(tài)與閑置狀態(tài)下的頻點分開,進而在閑置的頻點中找出一個最佳的頻點。最佳頻點找到后,發(fā)送方接著發(fā)送握手信息。在沒有收到對方應答信號之前,發(fā)送方會一直處在握手狀態(tài)。收到對方的應答信號之后,發(fā)送方才進入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。在這個階段中,發(fā)送方每發(fā)完一幀數(shù)據(jù)后都要對當前使用的中心頻率進行檢測。若檢測到授權用戶仍然沒有使用該頻率,則發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送剩余數(shù)據(jù),直到數(shù)據(jù)傳送完畢。若發(fā)送方檢測到當前中心頻率正被授權用戶使用,則應及時避開這個頻點,重新尋找新的頻譜空隙建立起通信系統(tǒng)。如圖4所示。

2.3 接收方的數(shù)據(jù)接收和協(xié)議解析
    接收方的基本任務是接收數(shù)據(jù)并將接收到的數(shù)據(jù)進行保存。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。在沒有等到非授權用戶握手信號之前,接收方會在各個頻率點上進行循環(huán)掃描檢測。若在某個頻點上檢測到有載波存在,接收方就試著去握手。如果握手失敗,接收方就變換頻點繼續(xù)檢測。一旦握手成功,接收方就開始進行數(shù)據(jù)的接收。在數(shù)據(jù)接收階段,如果發(fā)送方頻率保持不變,接收方就可以在無需變頻的情況下完成所有數(shù)據(jù)的接收。但如果發(fā)送方在傳輸數(shù)據(jù)的過程中切換了頻率,那么接收方在原來的頻率上已經(jīng)收不到數(shù)據(jù)信息,需要退出數(shù)據(jù)接收狀態(tài)重新進行循環(huán)掃描檢測,再次握手成功后繼續(xù)接收剩下的數(shù)據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)序號錯位,理論上發(fā)送方與接收方使用的頻率相同,則只需要調(diào)整步伐。經(jīng)測試,非授權用戶接收方工作穩(wěn)定。出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯位時,程序可以根據(jù)自定義的協(xié)議自動調(diào)整步伐,確保每幀數(shù)據(jù)被正確地接收。

3 軟件設計
3.1 程序流程圖

    系統(tǒng)軟件設計采用標準C語言在IAR開發(fā)環(huán)境下編寫調(diào)試。圖 6為非授權用戶發(fā)送方與接收方從頻率選擇到發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程圖,省略了液晶顯示器部分。

[!--empirenews.page--]3.2 最佳頻點選擇算法
    由于各個頻譜空隙周圍的環(huán)境狀況不一樣,為了盡量避免與其他用戶載波之間的干擾,非授權用戶需要從若干個頻譜空隙中找出最佳頻點。
    以下程序是對分析得到的閑置頻率數(shù)組與忙碌頻率數(shù)組進行的處理。該算法預先定義了3個數(shù)組,分別存放相鄰兩邊頻率都空閑的頻率,相鄰一邊頻率空閑的頻率以及相鄰兩邊都忙碌的頻率。分類的算法如下:將閑置頻率數(shù)組中的所有數(shù)值依次加上和減去5×againflag(相鄰頻率控制字之間的步距為5,againflag為重復分類的次數(shù),初始值為1),得到的兩個值與忙碌頻率數(shù)組的數(shù)據(jù)進行匹配,按照兩個數(shù)值匹配的情況,將當前這個頻率分配到預先定義的相應的數(shù)組里。返回值的選擇方法如下:在分類之后,若相鄰兩邊頻率都空閑的頻率只有一個,那就直接返回這個頻率值;若不存在,則返回一邊頻率空閑的頻率;如果還是不存在,就返回相鄰兩邊頻率都忙碌的頻率。如果在第一輪分類之后,相鄰兩邊頻率都空閑的頻率不只一個,則需要進行第二輪分類,直到找出最佳的頻點為止。在出現(xiàn)某段頻率都空閑的特殊情況下,程序返回了這段頻率中間的一個值。
3.3 收發(fā)頻率設計
    在通常情況下,發(fā)射天線周圍存在各種障礙物。如果收發(fā)頻率相同,那么非授權用戶很可能收到自己前一時刻發(fā)出信號的反射波而引起頻率的切換。但切換之后的頻率仍與上一次使用的頻率相同,從而導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。因此設計中將發(fā)送載波與接收載波分開。經(jīng)測試,每個載波傳送數(shù)據(jù)的帶寬為400 kHz,中心頻率的步距為500 kHz,則可以將中心頻率加減100 kHz分別作為發(fā)送波與接收波,這樣可有效地避免認知用戶檢測到信號反射波工作不穩(wěn)定的情況。收發(fā)頻率關系圖如圖7所示。

    本文所討論的非授權用戶的智能接入設計尚處于初級階段。目前初步實現(xiàn)了非授權用戶智能接入的基本功能,暫時還沒有考慮到實際應用中諸如室內(nèi)外信道、障礙物、傳輸能量損耗、通信設備移動等客觀因素。因此,今后的研究內(nèi)容還有更大空間,面對的問題會更加復雜。
參考文獻
[1] MITOLA Ⅲ,MAGUIRE G Q J.Cognitive radio:making software radios more personal[J].IEEE Personal Communications,1999,6(4):13-18.
[2] SIMON H,Cognitive radio:brain-empowered wireless communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications.2005,23(2):201-220.
[3] LEHTOMAKI J J,JUNTFI M,SAARNISAARI H.CFAR strategies for channelized radiometer[J].IEEE Signal Processing Letters,2005,12(1):13-16.
[4] LEHTOMAKI J J,VARTIAINEN J,JUNTFI M,et a1.Spectrum sensing with forward methods[C].Military Communications Conference,2006:1-7.
[5] PEH E,LIANG Ying Chang.Optimization for cooperative sensing in cognitive radio networks[C].IEEE Wireless Communications and Networking Conference.2007:27-32.

本站聲明: 本文章由作者或相關機構(gòu)授權發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務中斷的風險,如企業(yè)系統(tǒng)復雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務連續(xù)性,提升韌性,成...

關鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關鍵字: 華為 12nm EDA 半導體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務引領增長 以科技創(chuàng)新為引領,提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術學會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術創(chuàng)新聯(lián)...

關鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關鍵字: BSP 信息技術
關閉
關閉