基本信息
- 项目名称：
- 基于联盟博弈认知模型的动态频谱接入技术实现
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 通过对无线场景感知和主次用户行为的建模与分析，利用联盟博弈理论，借助多用户协作感知技术，针对用户个体理性、部分用户联盟和全局用户大联盟的场景，研究设计单用户联盟的竞争博弈、部分用户联盟和全局用户大联盟等博弈策略选择和联盟结构，针对认知模型中不同场景的建模，硬件实现了自主设计的新型认知无线电系统软硬件验证平台上多用户联盟博弈认知模型，优化了系统的整体性能。
- 详细介绍：
- 系统包括基站平台、终端平台、服务器、PC机和IP交换机等部分，实现频谱感知、动态频谱接入、认知联盟、数据业务传输等功能。基站平台与服务器相连，并通过服务器连接IP交换机，从而与外部因特网连接，同时基站平台通过自身的射频模块与各终端通过无线通信；终端平台与PC机相连，各终端之间的通信以及与基站平台的通信是通过射频模块完成的。 基站和终端之间通过空中接口协议进行通信，该接口协议除一般空中接口协议所具有的物理层、MAC层、LLC层等协议层外，结合联盟博弈的动态频谱接入技术的特点，增加了动态联合感知、通信结盟等模块，并在TI的OMAP5912双核处理器平台上进行了详细设计和实现。 物理层和MAC层功能分别在FPGA和OMAP5912芯片中设计完成。通过MCBSP1和MCBSP2两个串行口进行通信。硬件平台通过以太网口芯片与PC网管界面交互信息。 2. 各组成部分功能 1）基站 实现频谱感知、动态频谱接入、功率控制等功能，实现感知融合、频谱管理分配和网络接入等功能；实现地址分辨协议（ARP）、网络地址转换（NAT）等协议。 2）终端设备 实现频谱感知、动态频谱接入、功率控制等功能；实现地址分辨协议（ARP）、网络地址转换（NAT）等协议。 3）IP交换机 IP 交换机是一种配置交换硬件的 IP 路由器，具有缓冲路由选择功能。IP 交换技术综合使用快速 ATM 硬件和 IP，这样保留了 IP 无连接特性。为达到交换功效，还提供了一种连接 IP 流和 ATM 标签的机制。IP 交换技术下，每个源/目的数据包流都分配到一个标签。IP 交换机处理流中的初始数据包，是通过将这些数据包传送到属于 IP 交换机组成部分的标准路由器模块中而实现的。 4）服务器和PC机 基站平台与服务器、终端平台与PC机之间都是通过以太网进行通信，在PC机和服务器上实现网络拓扑、结盟形式和业务性能指标，除此之外，服务器配备双网卡，一方面可以通过以太网与基站平台通信，另一方面可以通过IP交换机连接到外部因特网。 3 基站硬件方案 基站硬件平台主要包括射频板、基带板、电源板和处理器板等部分。 1） 电源板 电源板主要包括TI公司的TPS65010、TPS75003、TPS71501以及凌特公司LT3471等电源芯片，利用这些电源芯片为处理器板、FPGA、ADC、DAC、LAN9220及射频板等提供直流电源。 2）射频板 射频板实现信号的收发、放大、滤波以及各种控制和管理操作。 如图所示为射频板的结构示意图，可通过开关选择是接收信号还是发射信号。当信号发射时，开关选择为发射支路，经驱动电路处理后的差分发射信号TX+/TX-经混频器处理后把信号搬移到射频，要使用滤波器滤除杂波，经功率放大器的放大后就可以通过天线发射出去；同理，当信号接收时，开关选择为接收支路，接收信号经低噪声放大器（LNA）前期处理后送到混频器，将信号搬移到基带，再经过两级放大，得到差分接收信号RX+/RX-。然后就可以将接收信号经隔离放大电路处理后送到ADC进行处理。 3）信道（基带）板 基带板主要包括FPGA、ADC、DAC、LAN9220以及与射频信号收发相关的隔离放大电路和驱动电路等部分。 FPGA采用Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C25F324芯片，FPGA容量大，主要用于调制解调、同步、信道编解码等，实现下MAC和物理层功能；ADC和DAC则采用TI公司的宽带ADC—AD9707和宽带DAC—ADS6412，同过ADC和DAC完成与射频模块通信数据的收发。 ADC从射频板收到差分输入信号RX+/RX-后，经模数转换为14bit数字信号送交FPGA进行解调处理，然后送处理器板进行后续处理和分析；同样，要送的数据通过FPGA调制后送DAC，经数模转换后输出差分信号TX+/TX-，然后通过射频板发射出去。 以太网芯片LAN9220经ARP协议转换通过McBSP1接口与处理器板上的双核处理器中DSP通信，实现PC机与处理器板上DSP的交互。 4) 处理器板 处理器板主要是由双核处理器OMAP5912、SDRAM、FLASH等部分组成。而双核处理器OMAP5912包含了ARM9和DSP，ARM9通过串口芯片进行显示，并与DSP相互通信；DSP实现上MAC层功能，并通过McBSP1和McBSP2分别与FPGA相连，其中McBSP1接口经ARP协议转换与以太网芯片LAN9220相连，与PC机实现交互，McBSP2接口将上MAC管理数据交给FPGA处理，并完成ARP协议转换与以太网芯片LAN9220相连，实现PC机与核心板上DSP的交互。 4 终端硬件方案 如图所示为终端硬件方案的示意图，主要包括射频板、控制板和核心板等部分。 1） 射频板 射频板实现信号的收发、放大、滤波以及各种控制和管理操作。与基站平台中射频板基本相同。 2）基带板 主要包括电源芯片、FPGA、ADC、DAC和LAN9220等部分。电源芯片为整个系统提供直流电源，并受到核心板GPIO口使能信号的控制；FPGA采用Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C25F324芯片，FPGA容量大，主要用于调制解调、同步、信道编解码等，实现下MAC和物理层功能；ADC和DAC则采用TI公司的宽带ADC—AD9707和宽带DAC—ADS6412，同过ADC和DAC完成与射频模块通信数据的收发。 ADC从射频板收到差分输入信号RX+/RX-后，经模数转换为14bit数字信号送交FPGA进行解调处理，然后送处理器板进行后续处理和分析；同样，要送的数据通过FPGA调制后送DAC，经数模转换后输出差分信号TX+/TX-，然后通过射频板发射出去。 网络芯片LAN9220通过McBSP接口经ARP协议转换与核心板进行通信，在DSP里实现上MAC层功能，与PC机实现交互。 3）核心板 核心板主要是由双核处理器OMAP5912、SDRAM、FLASH等部分组成。功能与基站平台中的处理器板相似，完成对数据的操作和对系统的控制。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 主要创新点： 1. 利用场景建模和行为建模的分析，提出多用户联盟策略，形成不同的联盟结构，构建新型的基于联盟博弈的认知模型； 2. 建立动态频谱接入模型并进行性能分析；提出多认知MAC协议联盟博弈算法；构建自适应的协作频谱感知模型，设计基于联盟博弈理论的感知信息融合算法； 3. 根据不同的联盟结构，提出单人联盟、部分用户联盟和全局用户大联盟的功率控制和频谱分配博弈算法，构建物理层与MAC层相结合的跨层模型； 4. 研究并设计了5个认知节点平台，通过协作感知，确保了主用户有较高的检测概率和较低的虚警概率； 5. 在3个频段内实现动态频谱接入，明显的提高频段频谱利用率，保证高效数据传输业务（短信、文件及语音等业务）的通信QoS，实现大于1Mbps的传输速率，传输误码率小于 ； 6. 通过功率控制，实现通信系统能量有效性传输，短距离内发射功率比不采用功率控制技术的系统可降低20%。 主要技术指标： 1) 通过多个认知节点协作感知，对主用户的检测时间不超过50ms，虚警概率小于10-2，并且SNR＝0dB时（主用户存在且非码分多址接入情况下），漏检概率不高于10-3。确保主用户有较高的检测概率，满足演示认知网络的通信数据传输要求； 2) 利用协作频谱感知的结果，通过有效地频谱分配，明显的提高工作频段频谱利用率，如当主用户频谱利用率为50%时，提高频谱利用率20%；当主用户频谱利用率为30%时，提高频谱利用率30%；
科学性、先进性
- 在ISM 2.4GHz频段、移动通信GSM800-900M频段、广播电视频段3个频段内，选择广播电视频段，采用5个认知节点构成认知网络。其中有1个主控节点（或称基站）和4个终端节点。其中终端节点实现频谱感知、动态频谱接入、功率控制等功能，而主控节点在终端节点功能的基础上又增加了感知融合、频谱管理分配和网络接入等功能。主用户信号由矢量信号发生器产生的广播电视信号仿真，该信号是前提调研的具有该频段广播电视特征的信号。 如图1所示认知网络可以通过基于联盟博弈的感知提高主用户检测率降低虚警概率；图2所示通信盟结构，通过联盟博弈的通信提高系统容量和服务质量，降低系统功率，提高频谱利用率。
获奖情况及鉴定结果
- 申请或获得的专利名称 申请号 申请/批准国别 一种基于能量-循环平稳特征的联合频谱检测方法 201010168499.9 中国 分簇自组织网络中一种基于市场的频谱分配方法 201010173662.0 中国 一种无线mesh网络编码方法 201010521942.6 中国 无线传感器网络中基于主从移动代理的目标跟踪方法 200910183857.0 中国
作品所处阶段
- 硬件测试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 硬件平台验证以及成果论文
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1）手机A和C通信，通过频谱感知，发现A和C可以利用空闲频点F1进行连接（或中继一次），因此可以不必接入基站而直接通信。这将极大程度上减少对固定基础设施的依赖和对无线资源的占用，从而提高频谱利用率； 2）在办公室打手机，由于本室内蜂窝信号强度较小，手机等终端自动多跳（通过办公室内其它设备）到其它办公室终端进行通信。（网络分集：通过基于无线信道质量的路由选择）； 3）在偏远地区，手机自动利用空闲频点建立通信，节约硬件资源投入，随着用户数的逐渐增加，利用丰富的频谱资源，动态合理的管理频谱，充分节约成本； 从上述场景可以看出，基于联盟博弈的认知无线电系统将会为用户提供一个通用的服务体系结构，解决当前频谱资源越来越紧张的热点问题。这种新型架构不是简单的对频谱空穴感知利用，而是基于联盟博弈思想，在博弈的前提下，提出的资源最优分配方案，为用户提供无处不在的“人性化”的服务。
同类课题研究水平概述
- “Cognitive radio”这个术语首先也是由软件无线电的作者Joseph Mitola提出的。 目前美国国防部DARPA的下一代无线通信XG计划，将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享，声称其论证的新技术可使目前的频谱利用率提高10到20倍。2004年10月份在Washington, D.C.召开的Cognitive Radios CONFERENCE，该会议的主要议题包括：紧急的商业和军事需求和机会，对于认知无线电的频谱政策-军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到认知无线电，用于自适应频谱管理的工具和技术，子系统的研发-智能天线、传感器和接收机，自适应调制和波形技术等。另一个是2005年11月份召开的DySPAN（Dynamic Spectrum Access）会议，会议的主要议题是基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术，会议发表了80多篇文章。IEEE首届面向无线网络和通信技术的国际认知无线电技术大会CrownCom2006，也于2006年6月8日到10日在希腊召开。 认知无线电首先的目的在于提高频谱利用率，这不仅是个技术问题，也是个政策问题，由于要从根本上改变过去的无线电资源分配状态，因此要想实现它，除技术开发之外，还必须有政府法规上的支持。美国在2004年5月颁布NPRM（Notice of Proposed Rule Making）条例，允许在不影响授权用户（如电视接收者）的前提下，未授权用户通过基于认知无线电的技术使用电视广播频段中的无线资源，为实现认知无线电的实用化放宽了相关的限制。日本、德国、英国、意大利、瑞典都有相关机构在研究相应的政策。 到目前为止，认知无线电有多种不同的定义和概念模型以及不同的体系框架。总的来说，我们认为认知无线电是一个智能的无线通信系统，能感知周围无线环境，通过对环境的理解、主动学习以实现在特定的无线操作参数上（如功率、载波调制和编码等方案）实时改变和调整它的内部状态，适应外部无线环境的变化，达到最优化通信系统性能目的。认知无线电具有在不影响其他授权用户的前提下，智能地利用大量空闲频谱并且随时随地提高可靠性的通信的潜能。而诸如信号处理，人工智能、软件无线电、频率捷变、功率控制等技术的迅猛发展，赋予了认知无线电实现的可能性。
