CN110752887A - 基于usrp的智能频谱捷变半实物仿真实验系统及实验方法 - Google Patents

基于usrp的智能频谱捷变半实物仿真实验系统及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统及实验方法，半实物仿真实验系统包括频管中心、无线业务发端、无线业务收端以及干扰机；其中频管中心由计算机、USRP 2920和天线组成；无线业务收发模块均由计算机、USRP 2943、USRP 2920和天线组成；实验环境中配置2个频段的无线网络，第一是业务无线网络，频段是2GHz‑2.2GHz，第二个是频管无线网络，频段是1.65GHz‑1.85GHz。本发明能够实现智能频谱管理，有效地提高频谱利用率，提升通信质量，并且能够对频谱捷变算法进行验证，降低了开发所需的时间和成本，对实现智能频谱捷变和提升通信质量鲁棒性有很好的促进作用。

Description

基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统及实验方法
技术领域
本发明属于电磁频谱抗干扰领域，特别是一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统及实验方法。
背景技术
电磁频谱资源是无形的资源，属于国家所有，它的应用遍及各个行业，在军事、民用等领域均具有非常重要的作用。同时，频谱是有限的、不可再生的战略资源，大部分应用于民用方面，只有一部分应用于军队，而未来战场装备数量多、种类全、电台密度大、电磁环境变化节奏快，因此必须对有限的频谱资源进行科学合理的划分及管理，减少通信干扰保证信息化作战中取得更多频谱优势，获得战争最终胜利。
在这种情况下，智能频谱捷变系统就显得尤为重要，能在复杂电磁环境中实现动态分配频谱，提高频谱利用率，增强通信链路的鲁棒性。认知无线电网络中的频谱感知算法、频谱分配算法和频谱捷变算法等关键技术已经成为近年来的研究热点。但是，目前为止对于这些算法的验证仅仅局限于软件仿真，未能结合实际的电磁频谱环境，因此软件仿真缺乏较强的说服力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统及实验方法，真实客观的反映智能频谱捷变的实验效果；同时，还可以对比验证不同的频谱分配算法，频谱感知算法以及频谱捷变算法的性能优劣。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统，包括频管中心、无线业务发端、无线业务收端以及干扰机；其中无线业务发端由第一计算机、第一业务设备、第一频管设备和第一天线组成，无线业务收端由第二计算机、第二业务设备、第二频管设备和第二天线组成；频管中心由第三计算机、第三频管设备和第三天线组成；
无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，传送给第一业务设备，第一业务设备对基带数据流进行变频处理后得到射频信号，通过第一天线进行发送；
无线业务收端通过第二业务设备接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据，传送至第二计算机，第二计算机对收到的业务数据流解调；
当无线业务收端受到干扰机干扰后，向频管中心发送换频请求；频管中心的第三频管设备收到换频请求后，第三计算机将感知的当前环境最佳通信频点传送给第三频管设备，经过基带数据流处理并转换成射频信号经由第三天线分发至第一频管设备和第二频管设备；
第一频管设备和第二频管设备在收到频管中心分发的新频点后，通过UDP告知业务收发所连接的业务设备切换至新频点重新建立通信。
进一步的，第一业务设备、第二业务设备为USRP 2943。第一～第三频管设备均为USRP 2920。
进一步的，无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，经由PCI-e传送给第一业务设备。
进一步的，无线业务收端通过连接的第二业务设备接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据，经由PCI-e传送至连接的第二计算机。
一种智能频谱捷变半实物仿真实验系统的实验方法，包括以下步骤：
步骤1，频管中心对本地频谱环境进行周期性感知；
步骤2，无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，传送给第一业务设备，第一业务设备对基带数据流进行变频处理后得到射频信号，通过第一天线进行发送；
步骤3，无线业务收端通过连接的第二业务设备接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据，传送至连接的第二计算机，第二计算机对收到的业务数据流解调；
步骤4，通过干扰机对无线业务通信频段进行释放单音信号干扰，无线业务收端通过第二频管设备向频管中心申请换频请求；
步骤5，频管中心将感知的最佳无线业务通信频点分别传至第一频管设备和第二频管设备；再由频管设备通过连接的以太网将新的频点传送至计算机，计算机通过UDP将新的业务传输频点告知第一业务设备和第二业务设备，无线业务重新建立通信链路。
进一步的，第一业务设备、第二业务设备均为USRP 2943，第一～第三频管设备均为USRP 2920。
进一步的，无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，经由PIC-e传送给第一业务设备。
进一步的，无线业务收端通过连接的第二业务设备接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据，经由PCI-e传送至连接的第二计算机
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明可以在半实物仿真环境下对智能频谱捷变进行模拟，对实现智能频谱捷变所涉及的关键模块进行验证测试和评估。实验验证均采用真实的电磁频谱环境，实验结果更加直观并且具有说服力，降低了开发所需的时间和成本，对实现智能频谱捷变系统验证具有很好的促进作用；(2)本实验系统创新性将计算机中的软件定义网络SDN(Software Defined Network)的思想，即对原来分布式控制的网络架构重构为集中控制网络架构，现应用到无线电通信领域；与传统的通信系统所不同，本实验系统将无线电通信系统分为业务链路层和频管控制链路层，极大程度提高了系统抗干扰性和鲁棒性。
附图说明
图1为本发明基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统的原理示意图。
图2为频管中心软件界面示意图。
图3为业务发端频管链界面示意图。
图4为业务数据发端界面示意图。
图5为业务收端频管链界面示意图。
图6为业务数据收端界面示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统及实验方法，该半实物仿真实验系统包括频谱管理中心、无线业务发端A模块、无线业务收端B模块以及干扰机。方法是实验环境中配置了2个频段的无线网络，第一是业务无线网络，频段是2GHz-2.2GHz，使用NI公司的USRP 2943与计算机搭建了两套业务设备，同时，使用一台USRP 2943对业务无线网络进行干扰；第二个是频管无线网络，频段是1.65GHz-1.85GHz，使用NI公司的USRP 2920作为频管设备，每套业务设备上连接一台频管设备，另外，使用一台计算机加频管设备(USRP 2920)作为频管中心。
如图1所示，一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统，包括频管中心、无线业务发端、无线业务收端以及干扰机；其中无线业务发端由第一计算机、第一USRP2943、第一USRP 2920和第一天线组成，无线业务收端由第二计算机、第二USRP 2943、第二USRP 2920和第二天线组成；频管中心由第三计算机、第三USRP 2920和第三天线组成；
无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，经由PIC-e传送给第一USRP 2943，第一USRP 2943对基带数据流进行变频处理后得到射频信号，通过第一天线进行发送；
无线业务收端通过连接的第二USRP 2943接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据；再经由PCI-e传送至连接的第二计算机，第二计算机对收到的业务数据流解调；
当无线业务收端受到干扰机干扰后，向频管中心发送换频请求；频管中心的第三USRP 2920收到换频请求后，第三计算机将感知的当前环境最佳通信频点传送给第三USRP2920，经过基带数据流处理并转换成射频信号经由第三天线分发至第一USRP2920和第二USRP 2920；
第一USRP 2920和第二USRP 2920在收到频管中心分发的新频点后，通过UDP告知业务收发所连接的USRP 2943切换至新频点重新建立通信。
一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统的实验方法，包括以下步骤：
第一步，频管中心对本地频谱环境进行周期性感知；
第二步，无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，经由PIC-e传送给第一USRP 2943，第一USRP 2943对基带数据流进行变频处理后得到射频信号，通过第一天线进行发送；
第三步，无线业务收端通过连接的第二USRP 2943接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据；再经由PCI-e传送至连接的第二计算机，第二计算机对收到的业务数据流解调；
第四步，通过干扰机对无线业务通信频段进行释放单音信号干扰，无线业务收端通过第二USRP 2920向频管中心申请换频请求；
第五步，频管中心将感知的最佳无线业务通信频点分别传至第一USRP 2920和第二USRP 2920；再由频管设备通过连接的以太网将新的频点传送至计算机，计算机通过UDP将新的业务传输频点告知第一USRP 2943和第二USRP 2943，无线业务重新建立通信链路。
本发明能够实现智能频谱管理，有效地提高频谱利用率，提升了通信质量，并且能够对频谱捷变算法进行验证，降低了开发所需的时间和成本，对实现智能频谱捷变和提升通信质量鲁棒性有很好的促进作用。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明的半实物实验系统原理示意图如图1所示，包括频谱管理中心(以下简称频管中心)、无线业务发端、无线业务收端以及干扰机。无线业务发端包括计算机A、业务设备A、频管设备A和天线，无线业务收端包括计算机B、业务设备B、频管设备B和天线、频管中心包括计算机C、频管设备C和天线。其中业务设备A、业务设备B均为USRP 2943，频管设备A、频管设备B、频管设备C均为USRP 2920。
频谱管理中心软件界面如图2所示，包括调制发送模块、解调接收模块、频谱感知模块等。
计算机A将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，经由PIC-e传送给业务设备A，业务设备A对基带数据流进行处理后得到射频信号，最后通过发送天线进行发送。业务数据发端界面如图4所示。
无线业务收端通过连接的业务设备B接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据。再经由PCI-e传送至连接的计算机B，计算机B对收到的业务数据流解调。业务数据收端界面如图6所示。
当无线业务发端受到干扰机干扰后，无法正常接收无线业务发端发送数据会向频管中心发送换频请求。频管中心连接的频管设备C受到换频请求后，频管中心连接的计算机C将感知的当前环境最佳通信频点传送给频管设备C，经过基带数据流处理并转换成射频信号经由发送天线分发至业务收发的频管设备A、频管设备B，如图3、图5所示。
业务收发所连接的频管设备在收到频管中心分发的新频点后，通过UDP告知业务收发所连接的业务设备切换至新频点重新建立通信。
本发明还提供一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统的实验方法，采取以下具体步骤：
第一步，根据仿真任务，利用LabVIEW图形编程语言编写频管中心、无线业务收发模块和业务收发频管链软件。
第二步，频管中心利用频谱感知子模块对本地频谱环境进行周期性感知。
第三步，无线业务发端通过PCI-e将计算机A内的业务数据传至业务设备A进行处理后得到射频信号，通过发送天线进行发送。
第四步，无线业务收端通过业务设备B的接收天线将无线业务发端发出的数据进行接收，并通过PCI-e将业务数据传回至计算机B内，计算机B进行解调后得到相应的业务数据。
第五步，通过干扰机对无线业务通信频段进行释放单音信号干扰，无线通业务通信质量变差，无线业务收端会通过频管设备B向频管中心申请换频请求。
第六步，频管中心会将通过频谱感知子模块感知的最佳无线业务通信频点分别传至频管设备A和频管设备B。再由频管设备通过连接的以太网将新的频点传送至计算机，计算机通过UDP将新的业务传输频点告知业务设备A和B，无线业务重新建立通信链路。

Claims (10)

1.一种基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统，其特征在于：包括频管中心、无线业务发端、无线业务收端和干扰机；其中无线业务发端由第一计算机、第一业务设备、第一频管设备和第一天线组成，无线业务收端由第二计算机、第二业务设备、第二频管设备和第二天线组成；频管中心由第三计算机、第三频管设备和第三天线组成；
无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，传送给第一业务设备，第一业务设备对基带数据流进行变频处理后得到射频信号，通过第一天线进行发送；
无线业务收端通过第二业务设备接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据，传送至第二计算机，第二计算机对收到的业务数据流解调；
当无线业务收端受到干扰机干扰后，向频管中心发送换频请求；频管中心的第三频管设备收到换频请求后，第三计算机将感知的当前环境最佳通信频点传送给第三频管设备，经过基带数据流处理并转换成射频信号经由第三天线分发至第一频管设备和第二频管设备；
第一频管设备和第二频管设备在收到频管中心分发的新频点后，通过UDP告知业务收发所连接的业务设备切换至新频点重新建立通信。
2.根据权利要求1所述的基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统，其特征在于：第一业务设备、第二业务设备为USRP 2943。
3.根据权利要求1或2所述的基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统，其特征在于：第一～第三频管设备均为USRP 2920。
4.根据权利要求1所述的基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统，其特征在于：无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，经由PCI-e传送给第一业务设备。
5.根据权利要求1所述的基于USRP的智能频谱捷变半实物仿真实验系统，其特征在于：无线业务收端通过连接的第二业务设备接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据，经由PCI-e传送至连接的第二计算机。
6.一种基于权利要求1所述智能频谱捷变半实物仿真实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，频管中心对本地频谱环境进行周期性感知；
步骤2，无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，传送给第一业务设备，第一业务设备对基带数据流进行变频处理后得到射频信号，通过第一天线进行发送；
步骤3，无线业务收端通过连接的第二业务设备接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据，传送至连接的第二计算机，第二计算机对收到的业务数据流解调；
步骤4，通过干扰机对无线业务通信频段进行释放单音信号干扰，无线业务收端通过第二频管设备向频管中心申请换频请求；
步骤5，频管中心将感知的最佳无线业务通信频点分别传至第一频管设备和第二频管设备；再由频管设备通过连接的以太网将新的频点传送至计算机，计算机通过UDP将新的业务传输频点告知第一业务设备和第二业务设备，无线业务重新建立通信链路。
7.根据权利要求6所述的智能频谱捷变半实物仿真实验方法，其特征在于：第一业务设备、第二业务设备均为USRP 2943。
8.根据权利要求6或7所述的智能频谱捷变半实物仿真实验方法，其特征在于：第一～第三频管设备均为USRP 2920。
9.根据权利要求6所述的智能频谱捷变半实物仿真实验方法，其特征在于：无线业务发端的第一计算机将待发送的业务数据通过调制后得到基带数据，经由PIC-e传送给第一业务设备。
10.根据权利要求6所述的智能频谱捷变半实物仿真实验方法，其特征在于：无线业务收端通过连接的第二业务设备接收无线业务发端发送的射频信号，对射频信号进行处理得到基带数据，经由PCI-e传送至连接的第二计算机。
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