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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于聯(lián)盟博弈認(rèn)知模型的動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 通過(guò)對(duì)無(wú)線場(chǎng)景感知和主次用戶行為的建模與分析，利用聯(lián)盟博弈理論，借助多用戶協(xié)作感知技術(shù)，針對(duì)用戶個(gè)體理性、部分用戶聯(lián)盟和全局用戶大聯(lián)盟的場(chǎng)景，研究設(shè)計(jì)單用戶聯(lián)盟的競(jìng)爭(zhēng)博弈、部分用戶聯(lián)盟和全局用戶大聯(lián)盟等博弈策略選擇和聯(lián)盟結(jié)構(gòu)，針對(duì)認(rèn)知模型中不同場(chǎng)景的建模，硬件實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計(jì)的新型認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)軟硬件驗(yàn)證平臺(tái)上多用戶聯(lián)盟博弈認(rèn)知模型，優(yōu)化了系統(tǒng)的整體性能。
- 詳細(xì)介紹：
- 系統(tǒng)包括基站平臺(tái)、終端平臺(tái)、服務(wù)器、PC機(jī)和IP交換機(jī)等部分，實(shí)現(xiàn)頻譜感知、動(dòng)態(tài)頻譜接入、認(rèn)知聯(lián)盟、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)裙δ堋；酒脚_(tái)與服務(wù)器相連，并通過(guò)服務(wù)器連接IP交換機(jī)，從而與外部因特網(wǎng)連接，同時(shí)基站平臺(tái)通過(guò)自身的射頻模塊與各終端通過(guò)無(wú)線通信；終端平臺(tái)與PC機(jī)相連，各終端之間的通信以及與基站平臺(tái)的通信是通過(guò)射頻模塊完成的。 基站和終端之間通過(guò)空中接口協(xié)議進(jìn)行通信，該接口協(xié)議除一般空中接口協(xié)議所具有的物理層、MAC層、LLC層等協(xié)議層外，結(jié)合聯(lián)盟博弈的動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的特點(diǎn)，增加了動(dòng)態(tài)聯(lián)合感知、通信結(jié)盟等模塊，并在TI的OMAP5912雙核處理器平臺(tái)上進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 物理層和MAC層功能分別在FPGA和OMAP5912芯片中設(shè)計(jì)完成。通過(guò)MCBSP1和MCBSP2兩個(gè)串行口進(jìn)行通信。硬件平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)口芯片與PC網(wǎng)管界面交互信息。 2. 各組成部分功能 1）基站 實(shí)現(xiàn)頻譜感知、動(dòng)態(tài)頻譜接入、功率控制等功能，實(shí)現(xiàn)感知融合、頻譜管理分配和網(wǎng)絡(luò)接入等功能；實(shí)現(xiàn)地址分辨協(xié)議（ARP）、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）等協(xié)議。 2）終端設(shè)備 實(shí)現(xiàn)頻譜感知、動(dòng)態(tài)頻譜接入、功率控制等功能；實(shí)現(xiàn)地址分辨協(xié)議（ARP）、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）等協(xié)議。 3）IP交換機(jī) IP 交換機(jī)是一種配置交換硬件的 IP 路由器，具有緩沖路由選擇功能。IP 交換技術(shù)綜合使用快速 ATM 硬件和 IP，這樣保留了 IP 無(wú)連接特性。為達(dá)到交換功效，還提供了一種連接 IP 流和 ATM 標(biāo)簽的機(jī)制。IP 交換技術(shù)下，每個(gè)源/目的數(shù)據(jù)包流都分配到一個(gè)標(biāo)簽。IP 交換機(jī)處理流中的初始數(shù)據(jù)包，是通過(guò)將這些數(shù)據(jù)包傳送到屬于 IP 交換機(jī)組成部分的標(biāo)準(zhǔn)路由器模塊中而實(shí)現(xiàn)的。 4）服務(wù)器和PC機(jī) 基站平臺(tái)與服務(wù)器、終端平臺(tái)與PC機(jī)之間都是通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，在PC機(jī)和服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒔Y(jié)盟形式和業(yè)務(wù)性能指標(biāo)，除此之外，服務(wù)器配備雙網(wǎng)卡，一方面可以通過(guò)以太網(wǎng)與基站平臺(tái)通信，另一方面可以通過(guò)IP交換機(jī)連接到外部因特網(wǎng)。 3 基站硬件方案 基站硬件平臺(tái)主要包括射頻板、基帶板、電源板和處理器板等部分。 1） 電源板 電源板主要包括TI公司的TPS65010、TPS75003、TPS71501以及凌特公司LT3471等電源芯片，利用這些電源芯片為處理器板、FPGA、ADC、DAC、LAN9220及射頻板等提供直流電源。 2）射頻板 射頻板實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)、放大、濾波以及各種控制和管理操作。 如圖所示為射頻板的結(jié)構(gòu)示意圖，可通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇是接收信號(hào)還是發(fā)射信號(hào)。當(dāng)信號(hào)發(fā)射時(shí)，開(kāi)關(guān)選擇為發(fā)射支路，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路處理后的差分發(fā)射信號(hào)TX+/TX-經(jīng)混頻器處理后把信號(hào)搬移到射頻，要使用濾波器濾除雜波，經(jīng)功率放大器的放大后就可以通過(guò)天線發(fā)射出去；同理，當(dāng)信號(hào)接收時(shí)，開(kāi)關(guān)選擇為接收支路，接收信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器（LNA）前期處理后送到混頻器，將信號(hào)搬移到基帶，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，得到差分接收信號(hào)RX+/RX-。然后就可以將接收信號(hào)經(jīng)隔離放大電路處理后送到ADC進(jìn)行處理。 3）信道（基帶）板 基帶板主要包括FPGA、ADC、DAC、LAN9220以及與射頻信號(hào)收發(fā)相關(guān)的隔離放大電路和驅(qū)動(dòng)電路等部分。 FPGA采用Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C25F324芯片，F(xiàn)PGA容量大，主要用于調(diào)制解調(diào)、同步、信道編解碼等，實(shí)現(xiàn)下MAC和物理層功能；ADC和DAC則采用TI公司的寬帶ADC—AD9707和寬帶DAC—ADS6412，同過(guò)ADC和DAC完成與射頻模塊通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。 ADC從射頻板收到差分輸入信號(hào)RX+/RX-后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為14bit數(shù)字信號(hào)送交FPGA進(jìn)行解調(diào)處理，然后送處理器板進(jìn)行后續(xù)處理和分析；同樣，要送的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA調(diào)制后送DAC，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出差分信號(hào)TX+/TX-，然后通過(guò)射頻板發(fā)射出去。 以太網(wǎng)芯片LAN9220經(jīng)ARP協(xié)議轉(zhuǎn)換通過(guò)McBSP1接口與處理器板上的雙核處理器中DSP通信，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與處理器板上DSP的交互。 4) 處理器板 處理器板主要是由雙核處理器OMAP5912、SDRAM、FLASH等部分組成。而雙核處理器OMAP5912包含了ARM9和DSP，ARM9通過(guò)串口芯片進(jìn)行顯示，并與DSP相互通信；DSP實(shí)現(xiàn)上MAC層功能，并通過(guò)McBSP1和McBSP2分別與FPGA相連，其中McBSP1接口經(jīng)ARP協(xié)議轉(zhuǎn)換與以太網(wǎng)芯片LAN9220相連，與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)交互，McBSP2接口將上MAC管理數(shù)據(jù)交給FPGA處理，并完成ARP協(xié)議轉(zhuǎn)換與以太網(wǎng)芯片LAN9220相連，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與核心板上DSP的交互。 4 終端硬件方案 如圖所示為終端硬件方案的示意圖，主要包括射頻板、控制板和核心板等部分。 1） 射頻板 射頻板實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)、放大、濾波以及各種控制和管理操作。與基站平臺(tái)中射頻板基本相同。 2）基帶板 主要包括電源芯片、FPGA、ADC、DAC和LAN9220等部分。電源芯片為整個(gè)系統(tǒng)提供直流電源，并受到核心板GPIO口使能信號(hào)的控制；FPGA采用Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C25F324芯片，F(xiàn)PGA容量大，主要用于調(diào)制解調(diào)、同步、信道編解碼等，實(shí)現(xiàn)下MAC和物理層功能；ADC和DAC則采用TI公司的寬帶ADC—AD9707和寬帶DAC—ADS6412，同過(guò)ADC和DAC完成與射頻模塊通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。 ADC從射頻板收到差分輸入信號(hào)RX+/RX-后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為14bit數(shù)字信號(hào)送交FPGA進(jìn)行解調(diào)處理，然后送處理器板進(jìn)行后續(xù)處理和分析；同樣，要送的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA調(diào)制后送DAC，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出差分信號(hào)TX+/TX-，然后通過(guò)射頻板發(fā)射出去。 網(wǎng)絡(luò)芯片LAN9220通過(guò)McBSP接口經(jīng)ARP協(xié)議轉(zhuǎn)換與核心板進(jìn)行通信，在DSP里實(shí)現(xiàn)上MAC層功能，與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)交互。 3）核心板 核心板主要是由雙核處理器OMAP5912、SDRAM、FLASH等部分組成。功能與基站平臺(tái)中的處理器板相似，完成對(duì)數(shù)據(jù)的操作和對(duì)系統(tǒng)的控制。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 1. 利用場(chǎng)景建模和行為建模的分析，提出多用戶聯(lián)盟策略，形成不同的聯(lián)盟結(jié)構(gòu)，構(gòu)建新型的基于聯(lián)盟博弈的認(rèn)知模型； 2. 建立動(dòng)態(tài)頻譜接入模型并進(jìn)行性能分析；提出多認(rèn)知MAC協(xié)議聯(lián)盟博弈算法；構(gòu)建自適應(yīng)的協(xié)作頻譜感知模型，設(shè)計(jì)基于聯(lián)盟博弈理論的感知信息融合算法； 3. 根據(jù)不同的聯(lián)盟結(jié)構(gòu)，提出單人聯(lián)盟、部分用戶聯(lián)盟和全局用戶大聯(lián)盟的功率控制和頻譜分配博弈算法，構(gòu)建物理層與MAC層相結(jié)合的跨層模型； 4. 研究并設(shè)計(jì)了5個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，通過(guò)協(xié)作感知，確保了主用戶有較高的檢測(cè)概率和較低的虛警概率； 5. 在3個(gè)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入，明顯的提高頻段頻譜利用率，保證高效數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)（短信、文件及語(yǔ)音等業(yè)務(wù)）的通信QoS，實(shí)現(xiàn)大于1Mbps的傳輸速率，傳輸誤碼率小于 ； 6. 通過(guò)功率控制，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)能量有效性傳輸，短距離內(nèi)發(fā)射功率比不采用功率控制技術(shù)的系統(tǒng)可降低20%。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1) 通過(guò)多個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知，對(duì)主用戶的檢測(cè)時(shí)間不超過(guò)50ms，虛警概率小于10-2，并且SNR＝0dB時(shí)（主用戶存在且非碼分多址接入情況下），漏檢概率不高于10-3。確保主用戶有較高的檢測(cè)概率，滿足演示認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)傳輸要求； 2) 利用協(xié)作頻譜感知的結(jié)果，通過(guò)有效地頻譜分配，明顯的提高工作頻段頻譜利用率，如當(dāng)主用戶頻譜利用率為50%時(shí)，提高頻譜利用率20%；當(dāng)主用戶頻譜利用率為30%時(shí)，提高頻譜利用率30%；
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 在ISM 2.4GHz頻段、移動(dòng)通信GSM800-900M頻段、廣播電視頻段3個(gè)頻段內(nèi)，選擇廣播電視頻段，采用5個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。其中有1個(gè)主控節(jié)點(diǎn)（或稱基站）和4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。其中終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)頻譜感知、動(dòng)態(tài)頻譜接入、功率控制等功能，而主控節(jié)點(diǎn)在終端節(jié)點(diǎn)功能的基礎(chǔ)上又增加了感知融合、頻譜管理分配和網(wǎng)絡(luò)接入等功能。主用戶信號(hào)由矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的廣播電視信號(hào)仿真，該信號(hào)是前提調(diào)研的具有該頻段廣播電視特征的信號(hào)。 如圖1所示認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)基于聯(lián)盟博弈的感知提高主用戶檢測(cè)率降低虛警概率；圖2所示通信盟結(jié)構(gòu)，通過(guò)聯(lián)盟博弈的通信提高系統(tǒng)容量和服務(wù)質(zhì)量，降低系統(tǒng)功率，提高頻譜利用率。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 申請(qǐng)或獲得的專利名稱 申請(qǐng)?zhí)?申請(qǐng)/批準(zhǔn)國(guó)別 一種基于能量-循環(huán)平穩(wěn)特征的聯(lián)合頻譜檢測(cè)方法 201010168499.9 中國(guó) 分簇自組織網(wǎng)絡(luò)中一種基于市場(chǎng)的頻譜分配方法 201010173662.0 中國(guó) 一種無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)編碼方法 201010521942.6 中國(guó) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于主從移動(dòng)代理的目標(biāo)跟蹤方法 200910183857.0 中國(guó)
作品所處階段
- 硬件測(cè)試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 硬件平臺(tái)驗(yàn)證以及成果論文
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1）手機(jī)A和C通信，通過(guò)頻譜感知，發(fā)現(xiàn)A和C可以利用空閑頻點(diǎn)F1進(jìn)行連接（或中繼一次），因此可以不必接入基站而直接通信。這將極大程度上減少對(duì)固定基礎(chǔ)設(shè)施的依賴和對(duì)無(wú)線資源的占用，從而提高頻譜利用率； 2）在辦公室打手機(jī)，由于本室內(nèi)蜂窩信號(hào)強(qiáng)度較小，手機(jī)等終端自動(dòng)多跳（通過(guò)辦公室內(nèi)其它設(shè)備）到其它辦公室終端進(jìn)行通信。（網(wǎng)絡(luò)分集：通過(guò)基于無(wú)線信道質(zhì)量的路由選擇）； 3）在偏遠(yuǎn)地區(qū)，手機(jī)自動(dòng)利用空閑頻點(diǎn)建立通信，節(jié)約硬件資源投入，隨著用戶數(shù)的逐漸增加，利用豐富的頻譜資源，動(dòng)態(tài)合理的管理頻譜，充分節(jié)約成本； 從上述場(chǎng)景可以看出，基于聯(lián)盟博弈的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)將會(huì)為用戶提供一個(gè)通用的服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，解決當(dāng)前頻譜資源越來(lái)越緊張的熱點(diǎn)問(wèn)題。這種新型架構(gòu)不是簡(jiǎn)單的對(duì)頻譜空穴感知利用，而是基于聯(lián)盟博弈思想，在博弈的前提下，提出的資源最優(yōu)分配方案，為用戶提供無(wú)處不在的“人性化”的服務(wù)。
同類課題研究水平概述
- “Cognitive radio”這個(gè)術(shù)語(yǔ)首先也是由軟件無(wú)線電的作者Joseph Mitola提出的。 目前美國(guó)國(guó)防部DARPA的下一代無(wú)線通信XG計(jì)劃，將研制以認(rèn)知無(wú)線電為核心的系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入和共享，聲稱其論證的新技術(shù)可使目前的頻譜利用率提高10到20倍。2004年10月份在Washington, D.C.召開(kāi)的Cognitive Radios CONFERENCE，該會(huì)議的主要議題包括：緊急的商業(yè)和軍事需求和機(jī)會(huì)，對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電的頻譜政策-軍事和商業(yè)要求，從軟件定義的無(wú)線電發(fā)展到認(rèn)知無(wú)線電，用于自適應(yīng)頻譜管理的工具和技術(shù)，子系統(tǒng)的研發(fā)-智能天線、傳感器和接收機(jī)，自適應(yīng)調(diào)制和波形技術(shù)等。另一個(gè)是2005年11月份召開(kāi)的DySPAN（Dynamic Spectrum Access）會(huì)議，會(huì)議的主要議題是基于認(rèn)知無(wú)線電的動(dòng)態(tài)頻譜分配和接入技術(shù)，會(huì)議發(fā)表了80多篇文章。IEEE首屆面向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的國(guó)際認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)大會(huì)CrownCom2006，也于2006年6月8日到10日在希臘召開(kāi)。 認(rèn)知無(wú)線電首先的目的在于提高頻譜利用率，這不僅是個(gè)技術(shù)問(wèn)題，也是個(gè)政策問(wèn)題，由于要從根本上改變過(guò)去的無(wú)線電資源分配狀態(tài)，因此要想實(shí)現(xiàn)它，除技術(shù)開(kāi)發(fā)之外，還必須有政府法規(guī)上的支持。美國(guó)在2004年5月頒布NPRM（Notice of Proposed Rule Making）條例，允許在不影響授權(quán)用戶（如電視接收者）的前提下，未授權(quán)用戶通過(guò)基于認(rèn)知無(wú)線電的技術(shù)使用電視廣播頻段中的無(wú)線資源，為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的實(shí)用化放寬了相關(guān)的限制。日本、德國(guó)、英國(guó)、意大利、瑞典都有相關(guān)機(jī)構(gòu)在研究相應(yīng)的政策。 到目前為止，認(rèn)知無(wú)線電有多種不同的定義和概念模型以及不同的體系框架?？偟膩?lái)說(shuō)，我們認(rèn)為認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能的無(wú)線通信系統(tǒng)，能感知周?chē)鸁o(wú)線環(huán)境，通過(guò)對(duì)環(huán)境的理解、主動(dòng)學(xué)習(xí)以實(shí)現(xiàn)在特定的無(wú)線操作參數(shù)上（如功率、載波調(diào)制和編碼等方案）實(shí)時(shí)改變和調(diào)整它的內(nèi)部狀態(tài)，適應(yīng)外部無(wú)線環(huán)境的變化，達(dá)到最優(yōu)化通信系統(tǒng)性能目的。認(rèn)知無(wú)線電具有在不影響其他授權(quán)用戶的前提下，智能地利用大量空閑頻譜并且隨時(shí)隨地提高可靠性的通信的潛能。而諸如信號(hào)處理，人工智能、軟件無(wú)線電、頻率捷變、功率控制等技術(shù)的迅猛發(fā)展，賦予了認(rèn)知無(wú)線電實(shí)現(xiàn)的可能性。
