CN107276597A - 一种基于usrpn200的两阶段频谱感知优化方法 - Google Patents

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崔琪
尚力
陈欣
周亮
杨震
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    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/18—Network planning tools

Abstract

本发明公开了一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法，本发明在室内环境中，使用GNU Radio和USRP软件无线电平台，实现了粗扫描和细扫描两阶段的频谱感知，通过宽带扫频可迅速捕捉到适合认知用户通信的频段，通过细扫描进一步提高了频谱感知的性能，提高了认知用户通信的可靠性；根据感知结果自动选择空闲频段进行数据传输，降低了数据传输的误码率。

Description

一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术及通信信号处理技术领域，尤其涉及一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法。
背景技术
在无线通信领域，只有一些固定的频段被分配。随着无线通信设备的增多，频谱资源越来越紧张。为了这些频谱资源的管理，美国联邦通信委员会许可同一设备接入不同的频段。然而在任意给定时间被认证的用户占用的概率只有15%-20%。频谱感知是认知无线电的一项关键技术，如何高效快速感知频谱环境分布一直是学术界研究的热点问题，尤其是对实际的空中信号进行实时测量是目前频谱感知研究亟待解决的难题。
软件无线电(Software Defined Radio，SDR)是指采用固定不变的硬件平台，通过软件重构(升级)来实现灵活多变的通信体制和通信功能的无线电系统。开源软件无线电（GNU Radio）是一个对学习，构建和部署软件定义无线电系统的免费软件工具包，是一个无线电信号处理方案，它遵循GNU的GPL的条款分发。GNU Radio 项目创造了USRP（UniversalSoftware Radio Peripheral，通用软件无线电外设），旨在使普通计算机能像高带宽的软件无线电设备一样工作。从本质上讲，它充当了一个无线电通讯系统的数字基带和中频部分。USRP 使得工程师可以快速的设计和搭建一个强大、灵活且独立的软件无线电系统。配置不同的RF子板，它可以满足不同软件无线电应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法，在软件无线电思想下，将传统的通信在通用硬件平台USRPN200上通过软件编程来实现，通过粗扫描和细扫描可检测不同频段是否空闲，同时根据感知结果能使认知用户在有效频段自动发送数据包，提高了系统检测性能，降低了误码率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法，包含频谱感知粗扫描和频谱感知细扫描两个阶段；
其中，在频谱感知粗扫描阶段中，利用GNU Radio自带的模块以及编写的模块通过USRPN200进行粗扫描，检测出可供认知用户使用的空闲频段；
在频谱感知细扫描阶段中，根据File Sink模块采集到的信号能量值与预先设定的判决门限对比自动发送数据包：若检测到的信号能量值小于判决门限，则在该频段发送数据包；若检测到的信号能量值大于判决门限，则转移到备用频段发送数据包。
作为本发明一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法的进一步优选方案，在频谱感知粗扫描阶段中，所述编写的模块包含USRP扫频源模块、收集数据模块、实时作图模块。
作为本发明一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法的进一步优选方案，在频谱感知粗扫描阶段中，通过USRP N200在400M-2000MHz的频段进行粗扫描。
作为本发明一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法的进一步优选方案，在频谱感知细扫描阶段中，用于频谱感知细扫描的USRPN200外接天线RX1和天线RX2，所述天线RX1用于发送数据包，所述天线RX2用于采集信号的能量信息进行频谱感知。
作为本发明一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法的进一步优选方案，采用GMSK调制方式通过天线RX1发送数据包。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明在室内环境中，使用GNU Radio和USRP软件无线电平台，实现了粗扫描和细扫描两阶段的频谱感知，通过宽带扫频可迅速捕捉到适合认知用户通信的频段，通过细扫描进一步提高了频谱感知的性能，提高了认知用户通信的可靠性；
2、本发明根据感知结果自动选择空闲频段进行数据传输，降低了数据传输的误码率。
附图说明
图1是两阶段频谱感知方案流程图；
图2是USRP粗扫描流程图；
图3是USRP粗扫描GRC程序框图；
图4是USRP细扫描流程图；
图5是USRP细扫描GRC程序框图；
图6是USRP在实验室环境下的粗扫描结果图；
图7是USRP发射DPSK信号的GRC程序框图；
图8是DPSK信号发射端频谱图；
图9是主用户在1400MHz发射DPSK信号时的粗扫描结果图；
图10是主用户在1400MHz发射DPSK信号时的细扫描结果图；
图11是USRP发射OFDM信号的GRC程序框图；
图12是OFDM信号发射端频谱图；
图13是主用户在1400MHz发射OFDM信号时的粗扫描结果图；
图14是主用户在1400MHz发射OFDM信号时的细扫描结果图；
图15是USRP没有经过细扫描过程发送数据包时另一台USRP接收到的数据包结果；
图16是USRP基于细扫描过程选择合理的频段发送数据包时接收端USRP收到的数据包结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法，包含频谱感知粗扫描和频谱感知细扫描两个阶段；
其中，在频谱感知粗扫描阶段中，利用GNU Radio自带的模块以及编写的模块通过USRPN200进行粗扫描，检测出可供认知用户使用的空闲频段；
在频谱感知细扫描阶段中，根据File Sink模块采集到的信号能量值与预先设定的判决门限对比自动发送数据包：若检测到的信号能量值小于判决门限，则在该频段发送数据包；若检测到的信号能量值大于判决门限，则在转移到备用频段发送数据包。
本发明中采用Ubuntu14.04，GNU Radio版本为3.7.8，UHD版本为003.009.001。首先进入终端运行“sudo gnuradio-companion”进入GRC界面，利用GNURadio自带的模块以及自己编写的模块“Usrp scanning source”(USRP扫频源)，“Assemble bins”(收集数据)，“Real Time Plot ”（实时作图）等用USRP N200在400M-2000MHz的频段进行粗扫描，检测出可供认知用户使用的空闲频段，如图3；
接下来继续用USRP N200进行细扫描如图2，进一步检测该空闲频段是否无主用户占用，根据“File Sink”模块采集到的信号能量值与预先设定的判决门限对比自动发送数据包，如果检测到的信号能量值小于判决门限则在该频段发送数据包，如果检测到的信号能量值大于判决门限则在转移到备用频段发送数据包。
本发明采用的主用户同样由USRP N200构造，发射DPSK（OFDM）信号，发射频率为1400MHz，如图4、图7所示。
图5是USRP细扫描GRC程序框图；图6是USRP在实验室环境下的粗扫描结果图；图7是USRP发射DPSK信号的GRC程序框图，随机信号进行DPSK调制后经过放大模块传入USRP信宿，由射频天线发射信号，同时由“QT GUI Frequency Sink”模块显示波形；图8是DPSK信号发射端频谱图；图9是主用户在1400MHz发射DPSK信号时的粗扫描结果图；图10是主用户在1400MHz发射DPSK信号时的细扫描结果图；图11是USRP发射OFDM信号的GRC程序框图，随机信号进行OFDM模块进行调制后经过放大模块传入USRP信宿，由射频天线发射信号，同时由“WXGUI FFT”模块示波；图12是OFDM信号发射端频谱图；图13是主用户在1400MHz发射OFDM信号时的粗扫描结果图；图14是主用户在1400MHz发射OFDM信号时的细扫描结果图；图15是USRP没有经过细扫描过程发送数据包时另一台USRP接收到的数据包，正确率约为50%；
图16是USRP基于细扫描过程选择合理的频段发送数据包时接收端USRP收到的数据包结果，正确率可达99%
进行细扫描的USRPN200为认知用户，它外接2根天线，其中天线RX2用来采集信号的能量信息进行频谱感知，天线RX1用来发送数据包。本方案应用系统自带的benchmark程序采用GMSK调制发送数据包。
为了实现能量检测后自动发送数据包，首先把图2中的流程图导成python程序，并在程序中加入判决门限，把最后的判决结果导出到.txt文件。接下来用shell脚本语言执行此python程序，使用“echo”提取判决结果，根据判决结果运行benchmark程序，选择适合发送数据包的频段。
另选一台USRP N200负责接收认知用户发送的数据包，如图11,12。
本发明提出两阶段频谱感知方案并在USRP上实现，首先进行宽带扫频大致检测空闲频段，接下来进行细扫描进一步检测认知用户通信的频段的可靠性。
本发明在第二阶段的细扫描中认知用户可以根据感知结果与预先设定好的门限对比自动选择通信频段发送数据包，降低了误码率。

Claims (5)

1.一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法，其特征在于：包含频谱感知粗扫描和频谱感知细扫描两个阶段；
其中，在频谱感知粗扫描阶段中，利用GNU Radio自带的模块以及编写的模块通过USRPN200进行粗扫描，检测出可供认知用户使用的空闲频段；
在频谱感知细扫描阶段中，根据File Sink模块采集到的信号能量值与预先设定的判决门限对比自动发送数据包：若检测到的信号能量值小于判决门限，则在该频段发送数据包；若检测到的信号能量值大于判决门限，则转移到备用频段发送数据包。
2.根据权利要求1所述的一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法，其特征在于：在频谱感知粗扫描阶段中，所述编写的模块包含USRP扫频源模块、收集数据模块、实时作图模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法，其特征在于：在频谱感知粗扫描阶段中，通过USRPN200在400M-2000MHz的频段进行粗扫描。
4.根据权利要求1所述的一种基于USRPN200的两阶段频谱感知优化方法，其特征在于：在频谱感知细扫描阶段中，用于频谱感知细扫描的USRPN200外接天线RX1和天线RX2，所述天线RX1用于发送数据包，所述天线RX2用于采集信号的能量信息进行频谱感知。
5.根据权利要求4所述的一种基于USRPN200的两阶段频谱感知方法，其特征在于：采用GMSK调制方式通过天线RX1发送数据包。
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