基本信息
- 項目名稱：
- 基于聯(lián)盟博弈認知模型的動態(tài)頻譜接入技術實現(xiàn)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 通過對無線場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，針對用戶個體理性、部分用戶聯(lián)盟和全局用戶大聯(lián)盟的場景，研究設計單用戶聯(lián)盟的競爭博弈、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)盟結構，針對認知模型中不同場景的建模，硬件實現(xiàn)了自主設計的新型認知無線電系統(tǒng)軟硬件驗證平臺上多用戶聯(lián)盟博弈認知模型，優(yōu)化了系統(tǒng)的整體性能。
- 詳細介紹：
- 系統(tǒng)包括基站平臺、終端平臺、服務器、PC機和IP交換機等部分，實現(xiàn)頻譜感知、動態(tài)頻譜接入、認知聯(lián)盟、數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸?shù)裙δ堋；酒脚_與服務器相連，并通過服務器連接IP交換機，從而與外部因特網連接，同時基站平臺通過自身的射頻模塊與各終端通過無線通信；終端平臺與PC機相連，各終端之間的通信以及與基站平臺的通信是通過射頻模塊完成的。 基站和終端之間通過空中接口協(xié)議進行通信，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，結合聯(lián)盟博弈的動態(tài)頻譜接入技術的特點，增加了動態(tài)聯(lián)合感知、通信結盟等模塊，并在TI的OMAP5912雙核處理器平臺上進行了詳細設計和實現(xiàn)。 物理層和MAC層功能分別在FPGA和OMAP5912芯片中設計完成。通過MCBSP1和MCBSP2兩個串行口進行通信。硬件平臺通過以太網口芯片與PC網管界面交互信息。 2. 各組成部分功能 1）基站 實現(xiàn)頻譜感知、動態(tài)頻譜接入、功率控制等功能，實現(xiàn)感知融合、頻譜管理分配和網絡接入等功能；實現(xiàn)地址分辨協(xié)議（ARP）、網絡地址轉換（NAT）等協(xié)議。 2）終端設備 實現(xiàn)頻譜感知、動態(tài)頻譜接入、功率控制等功能；實現(xiàn)地址分辨協(xié)議（ARP）、網絡地址轉換（NAT）等協(xié)議。 3）IP交換機 IP 交換機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 交換技術綜合使用快速 ATM 硬件和 IP，這樣保留了 IP 無連接特性。為達到交換功效，還提供了一種連接 IP 流和 ATM 標簽的機制。IP 交換技術下，每個源/目的數(shù)據(jù)包流都分配到一個標簽。IP 交換機處理流中的初始數(shù)據(jù)包，是通過將這些數(shù)據(jù)包傳送到屬于 IP 交換機組成部分的標準路由器模塊中而實現(xiàn)的。 4）服務器和PC機 基站平臺與服務器、終端平臺與PC機之間都是通過以太網進行通信，在PC機和服務器上實現(xiàn)網絡拓撲、結盟形式和業(yè)務性能指標，除此之外，服務器配備雙網卡，一方面可以通過以太網與基站平臺通信，另一方面可以通過IP交換機連接到外部因特網。 3 基站硬件方案 基站硬件平臺主要包括射頻板、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 射頻板實現(xiàn)信號的收發(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構示意圖，可通過開關選擇是接收信號還是發(fā)射信號。當信號發(fā)射時，開關選擇為發(fā)射支路，經驅動電路處理后的差分發(fā)射信號TX+/TX-經混頻器處理后把信號搬移到射頻，要使用濾波器濾除雜波，經功率放大器的放大后就可以通過天線發(fā)射出去；同理，當信號接收時，開關選擇為接收支路，接收信號經低噪聲放大器（LNA）前期處理后送到混頻器，將信號搬移到基帶，再經過兩級放大，得到差分接收信號RX+/RX-。然后就可以將接收信號經隔離放大電路處理后送到ADC進行處理。 3）信道（基帶）板 基帶板主要包括FPGA、ADC、DAC、LAN9220以及與射頻信號收發(fā)相關的隔離放大電路和驅動電路等部分。 FPGA采用Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C25F324芯片，F(xiàn)PGA容量大，主要用于調制解調、同步、信道編解碼等，實現(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RX+/RX-后，經模數(shù)轉換為14bit數(shù)字信號送交FPGA進行解調處理，然后送處理器板進行后續(xù)處理和分析；同樣，要送的數(shù)據(jù)通過FPGA調制后送DAC，經數(shù)模轉換后輸出差分信號TX+/TX-，然后通過射頻板發(fā)射出去。 以太網芯片LAN9220經ARP協(xié)議轉換通過McBSP1接口與處理器板上的雙核處理器中DSP通信，實現(xiàn)PC機與處理器板上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通過串口芯片進行顯示，并與DSP相互通信；DSP實現(xiàn)上MAC層功能，并通過McBSP1和McBSP2分別與FPGA相連，其中McBSP1接口經ARP協(xié)議轉換與以太網芯片LAN9220相連，與PC機實現(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)議轉換與以太網芯片LAN9220相連，實現(xiàn)PC機與核心板上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 射頻板實現(xiàn)信號的收發(fā)、放大、濾波以及各種控制和管理操作。與基站平臺中射頻板基本相同。 2）基帶板 主要包括電源芯片、FPGA、ADC、DAC和LAN9220等部分。電源芯片為整個系統(tǒng)提供直流電源，并受到核心板GPIO口使能信號的控制；FPGA采用Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C25F324芯片，F(xiàn)PGA容量大，主要用于調制解調、同步、信道編解碼等，實現(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RX+/RX-后，經模數(shù)轉換為14bit數(shù)字信號送交FPGA進行解調處理，然后送處理器板進行后續(xù)處理和分析；同樣，要送的數(shù)據(jù)通過FPGA調制后送DAC，經數(shù)模轉換后輸出差分信號TX+/TX-，然后通過射頻板發(fā)射出去。 網絡芯片LAN9220通過McBSP接口經ARP協(xié)議轉換與核心板進行通信，在DSP里實現(xiàn)上MAC層功能，與PC機實現(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。功能與基站平臺中的處理器板相似，完成對數(shù)據(jù)的操作和對系統(tǒng)的控制。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 主要創(chuàng)新點： 1. 利用場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)盟結構，構建新型的基于聯(lián)盟博弈的認知模型； 2. 建立動態(tài)頻譜接入模型并進行性能分析；提出多認知MAC協(xié)議聯(lián)盟博弈算法；構建自適應的協(xié)作頻譜感知模型，設計基于聯(lián)盟博弈理論的感知信息融合算法； 3. 根據(jù)不同的聯(lián)盟結構，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，構建物理層與MAC層相結合的跨層模型； 4. 研究并設計了5個認知節(jié)點平臺，通過協(xié)作感知，確保了主用戶有較高的檢測概率和較低的虛警概率； 5. 在3個頻段內實現(xiàn)動態(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（短信、文件及語音等業(yè)務）的通信QoS，實現(xiàn)大于1Mbps的傳輸速率，傳輸誤碼率小于 ； 6. 通過功率控制，實現(xiàn)通信系統(tǒng)能量有效性傳輸，短距離內發(fā)射功率比不采用功率控制技術的系統(tǒng)可降低20%。 主要技術指標： 1) 通過多個認知節(jié)點協(xié)作感知，對主用戶的檢測時間不超過50ms，虛警概率小于10-2，并且SNR＝0dB時（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概率，滿足演示認知網絡的通信數(shù)據(jù)傳輸要求； 2) 利用協(xié)作頻譜感知的結果，通過有效地頻譜分配，明顯的提高工作頻段頻譜利用率，如當主用戶頻譜利用率為50%時，提高頻譜利用率20%；當主用戶頻譜利用率為30%時，提高頻譜利用率30%；
科學性、先進性
- 在ISM 2.4GHz頻段、移動通信GSM800-900M頻段、廣播電視頻段3個頻段內，選擇廣播電視頻段，采用5個認知節(jié)點構成認知網絡。其中有1個主控節(jié)點（或稱基站）和4個終端節(jié)點。其中終端節(jié)點實現(xiàn)頻譜感知、動態(tài)頻譜接入、功率控制等功能，而主控節(jié)點在終端節(jié)點功能的基礎上又增加了感知融合、頻譜管理分配和網絡接入等功能。主用戶信號由矢量信號發(fā)生器產生的廣播電視信號仿真，該信號是前提調研的具有該頻段廣播電視特征的信號。 如圖1所示認知網絡可以通過基于聯(lián)盟博弈的感知提高主用戶檢測率降低虛警概率；圖2所示通信盟結構，通過聯(lián)盟博弈的通信提高系統(tǒng)容量和服務質量，降低系統(tǒng)功率，提高頻譜利用率。
獲獎情況及鑒定結果
- 申請或獲得的專利名稱 申請?zhí)?申請/批準國別 一種基于能量-循環(huán)平穩(wěn)特征的聯(lián)合頻譜檢測方法 201010168499.9 中國 分簇自組織網絡中一種基于市場的頻譜分配方法 201010173662.0 中國 一種無線mesh網絡編碼方法 201010521942.6 中國 無線傳感器網絡中基于主從移動代理的目標跟蹤方法 200910183857.0 中國
作品所處階段
- 硬件測試階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 硬件平臺驗證以及成果論文
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 1）手機A和C通信，通過頻譜感知，發(fā)現(xiàn)A和C可以利用空閑頻點F1進行連接（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固定基礎設施的依賴和對無線資源的占用，從而提高頻譜利用率； 2）在辦公室打手機，由于本室內蜂窩信號強度較小，手機等終端自動多跳（通過辦公室內其它設備）到其它辦公室終端進行通信。（網絡分集：通過基于無線信道質量的路由選擇）； 3）在偏遠地區(qū)，手機自動利用空閑頻點建立通信，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，動態(tài)合理的管理頻譜，充分節(jié)約成本； 從上述場景可以看出，基于聯(lián)盟博弈的認知無線電系統(tǒng)將會為用戶提供一個通用的服務體系結構，解決當前頻譜資源越來越緊張的熱點問題。這種新型架構不是簡單的對頻譜空穴感知利用，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，為用戶提供無處不在的“人性化”的服務。
同類課題研究水平概述
- “Cognitive radio”這個術語首先也是由軟件無線電的作者Joseph Mitola提出的。 目前美國國防部DARPA的下一代無線通信XG計劃，將研制以認知無線電為核心的系統(tǒng)方法和關鍵技術，以實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入和共享，聲稱其論證的新技術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.召開的Cognitive Radios CONFERENCE，該會議的主要議題包括：緊急的商業(yè)和軍事需求和機會，對于認知無線電的頻譜政策-軍事和商業(yè)要求，從軟件定義的無線電發(fā)展到認知無線電，用于自適應頻譜管理的工具和技術，子系統(tǒng)的研發(fā)-智能天線、傳感器和接收機，自適應調制和波形技術等。另一個是2005年11月份召開的DySPAN（Dynamic Spectrum Access）會議，會議的主要議題是基于認知無線電的動態(tài)頻譜分配和接入技術，會議發(fā)表了80多篇文章。IEEE首屆面向無線網絡和通信技術的國際認知無線電技術大會CrownCom2006，也于2006年6月8日到10日在希臘召開。 認知無線電首先的目的在于提高頻譜利用率，這不僅是個技術問題，也是個政策問題，由于要從根本上改變過去的無線電資源分配狀態(tài)，因此要想實現(xiàn)它，除技術開發(fā)之外，還必須有政府法規(guī)上的支持。美國在2004年5月頒布NPRM（Notice of Proposed Rule Making）條例，允許在不影響授權用戶（如電視接收者）的前提下，未授權用戶通過基于認知無線電的技術使用電視廣播頻段中的無線資源，為實現(xiàn)認知無線電的實用化放寬了相關的限制。日本、德國、英國、意大利、瑞典都有相關機構在研究相應的政策。 到目前為止，認知無線電有多種不同的定義和概念模型以及不同的體系框架。總的來說，我們認為認知無線電是一個智能的無線通信系統(tǒng)，能感知周圍無線環(huán)境，通過對環(huán)境的理解、主動學習以實現(xiàn)在特定的無線操作參數(shù)上（如功率、載波調制和編碼等方案）實時改變和調整它的內部狀態(tài)，適應外部無線環(huán)境的變化，達到最優(yōu)化通信系統(tǒng)性能目的。認知無線電具有在不影響其他授權用戶的前提下，智能地利用大量空閑頻譜并且隨時隨地提高可靠性的通信的潛能。而諸如信號處理，人工智能、軟件無線電、頻率捷變、功率控制等技術的迅猛發(fā)展，賦予了認知無線電實現(xiàn)的可能性。
