【正文】 ，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)始關(guān)注和跟蹤該技術(shù)，包括西安交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、清華大學(xué)、香港科技大學(xué)及西安電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)等。與此同時(shí)Of也將CR引人其近期的頻譜框架概述報(bào)告書中。Mitola對(duì)CR的認(rèn)識(shí)強(qiáng)調(diào)其學(xué)習(xí)和推理能力，認(rèn)為CR系統(tǒng)能夠通過(guò)學(xué)習(xí)，不斷感知無(wú)線環(huán)境的變化，并通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整自身內(nèi)部的通信機(jī)制來(lái)適應(yīng)無(wú)線環(huán)境的變化。來(lái)自美國(guó)國(guó)家無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)研究實(shí)驗(yàn)床（National Radio Network Research Testbed，NRNRT）項(xiàng)目的一份測(cè)量報(bào)告表明，%[1]。Embedded control module。首先從CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的角度分析了嵌入式控制模塊的主要任務(wù)，并在此基礎(chǔ)上介紹了該模塊的器件選型和方案設(shè)計(jì)。但是目前CR的研究中仍存在許多爭(zhēng)議，因此有必要研發(fā)CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于驗(yàn)證CR的理論，并為CR標(biāo)準(zhǔn)的確立提供參考。關(guān) 鍵 詞：認(rèn)知無(wú)線電；協(xié)議；嵌入式控制模塊；集成控制環(huán)境；論文類型：應(yīng)用研究 本研究得到國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）（2005AA123910）資助；陜西省自然科學(xué)基金資助（2006F41）項(xiàng)目；陜西省科技攻關(guān)計(jì)劃（2005K04G11）項(xiàng)目。由于WLAN、WPAN和WMAN無(wú)線通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，這些網(wǎng)絡(luò)所工作的非授權(quán)頻段已趨于飽和。CR的核心思想就是使無(wú)線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”并合理利用的能力。隨著CR的發(fā)展，世界各國(guó)的頻譜管理部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織、研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟紛紛開(kāi)展相關(guān)的研究。另外ITU也在努力尋找類似CR的頻譜共享技術(shù)。同樣，CR的安全技術(shù)和CR的跨層設(shè)計(jì)也需要進(jìn)行深入的研究。它非常類似于目前通用的智能手機(jī)系統(tǒng)，都包括嵌入式控制單元和數(shù)據(jù)處理單元這兩大核心。參考已有的通信協(xié)議，提出了適合CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的協(xié)議模型，并對(duì)協(xié)議模型中物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了相關(guān)的討論，為正在擴(kuò)充的CR協(xié)議提供參考。 論文的內(nèi)容安排第一章介紹了CR技術(shù)提出的背景，概念，它的主要研究?jī)?nèi)容以及研究現(xiàn)狀。分析了集成控制環(huán)境主要任務(wù)、PC端控制臺(tái)的設(shè)計(jì)及其與CR終端的通信。簡(jiǎn)化CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 21中所示。3） 多跳路由CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，CR終端的覆蓋范圍是有限的。采用CR技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜共享的前提必須保證對(duì)授權(quán)用戶不造成干擾，而每個(gè)CR設(shè)備的發(fā)射功率是造成干擾的主要原因，因此CR設(shè)備需要能夠自適應(yīng)的調(diào)整其發(fā)射功率，避免對(duì)授權(quán)用戶造成干擾的前提下，達(dá)到高效的頻譜利用。應(yīng)急服務(wù)、政府部門、商業(yè)客戶及個(gè)體用戶等各種用戶應(yīng)該具有不同的優(yōu)先級(jí)。 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)協(xié)議為使系統(tǒng)協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)得以簡(jiǎn)化，做出以下假設(shè)：1） 系統(tǒng)工作頻段為VHF/UHF頻段，且此頻段內(nèi)授權(quán)用戶工作的持續(xù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)檢測(cè)授權(quán)用戶所需要的時(shí)間；2） 授權(quán)用戶的服務(wù)區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域，因此授權(quán)用戶發(fā)射的信號(hào)在本系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域以內(nèi)可以近似認(rèn)為是均勻的，因此沒(méi)有隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題，單個(gè)CR終端對(duì)授權(quán)用戶的檢測(cè)具有相當(dāng)高的精度；3） 各CR小區(qū)都存在重疊區(qū)，并且重疊區(qū)域內(nèi)都存在CR終端。頻譜共享既包括認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶的頻譜共享，也包括認(rèn)知用戶之間的頻譜共享。4） 傳輸層傳輸層的主要功能是向應(yīng)用層提供可靠的端到端的服務(wù)，使上層與通信子網(wǎng)（下三層的細(xì)節(jié)）相隔離，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的特性來(lái)高效的利用網(wǎng)絡(luò)資源。由于CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要?jiǎng)討B(tài)使用頻譜的通信方式實(shí)現(xiàn)，使得CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與其它通信系統(tǒng)在協(xié)議上存在較大的不同，下面分別對(duì)協(xié)議中的物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行分析。MAC主要解決授權(quán)用戶與CR用戶之間、以及CR用戶間的媒介訪問(wèn)沖突；鏈路控制子層主要解決通信鏈路的建立、切換和釋放等相關(guān)過(guò)程。MAC中控制信令信道下行介質(zhì)接入方式是時(shí)分復(fù)用（TDM），而上行是時(shí)分多址（TDMA）。中心指導(dǎo)它所管理的CR終端執(zhí)行周期性的頻譜檢測(cè)活動(dòng)，包括帶內(nèi)檢測(cè)和帶外檢測(cè)。上行鏈路功率控制的目的是調(diào)整CR終端的發(fā)射功率，在確保中心獲得穩(wěn)定的接收信號(hào)強(qiáng)度前提下降低移動(dòng)臺(tái)功耗；下行鏈路功率控制是調(diào)整中心的發(fā)射功率，使CR終端獲得穩(wěn)定的接收信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)降低功耗。鏈路控制子層主要解決通信鏈路的建立、維持、切換和釋放等相關(guān)過(guò)程。接下來(lái)主叫終端在接入信道向被叫終端發(fā)送通信確認(rèn)消息，被叫終端在收到主叫終端發(fā)來(lái)的通信確認(rèn)消息后，發(fā)回確認(rèn)消息，表明通信已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。需要指出的是，不論主被叫終端有一端檢測(cè)到授權(quán)用戶的出現(xiàn)，雙方都必須及時(shí)退出該頻段，并且在中心重新分配的新工作頻段上繼續(xù)通信。如果被叫終端先發(fā)起鏈路釋放請(qǐng)求，鏈路釋放流程與上述過(guò)程相反。注意到路由選擇和頻譜管理之間強(qiáng)烈的相互依賴，可以研究二者之間的交互和相應(yīng)性能與復(fù)雜度的平衡，即跨層設(shè)計(jì)路由。由小區(qū)中心更新、維護(hù)小區(qū)路由表和網(wǎng)絡(luò)全局路由表。查找時(shí)間（t）的設(shè)置主要是為了防止無(wú)法建立通信路由的情況下出現(xiàn)的死循環(huán)。（3） 系統(tǒng)啟動(dòng)配置及遠(yuǎn)程操作維護(hù)。在發(fā)送過(guò)程中，嵌入式控制模塊接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，通過(guò)HPI接口轉(zhuǎn)發(fā)給DSP，經(jīng)過(guò)發(fā)送通道處理后發(fā)射出去；接收過(guò)程中，嵌入式控制模塊將接收通道接收的基帶數(shù)據(jù)送到上位機(jī)；檢測(cè)過(guò)程中，嵌入式控制模塊將檢測(cè)所得的頻譜空穴和授權(quán)用戶信息進(jìn)行分析處理后通過(guò)發(fā)送通道送給中心。射頻捷變模塊將經(jīng)過(guò)發(fā)送通道處理的中頻信號(hào)變換到射頻頻段，經(jīng)射頻放大單元進(jìn)行放大后通過(guò)天線發(fā)送出去。 認(rèn)知無(wú)線電終端的改進(jìn)設(shè)計(jì)1） CR終端的改進(jìn)設(shè)計(jì)本文討論的CR終端是在第一版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的第二版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端。因此如何更好的融合目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)豐富的軟硬件資源，更好的管理系統(tǒng)成為了第二版實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。檢測(cè)通道的獨(dú)立設(shè)計(jì)有利于復(fù)雜的授權(quán)用戶、頻譜空穴等頻譜資源檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)。ARM公司成立于1990年，是知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）供應(yīng)商，本身并不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作伙伴公司來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。嵌入式控制模塊中ARM9處理器采用的是韓國(guó)三星公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410A，它是一顆主頻高達(dá)203MHz，基于ARM920T內(nèi)核的高性能微處理器，獨(dú)立的16KB指令cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU虛擬內(nèi)存管理單元，使得程序運(yùn)行以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加高效，、Linux和181。（3） ARM與DSP通信接口考慮到CR終端中ARM與DSP之間存在大量的數(shù)據(jù)交互，因此在ARM芯片選型時(shí)也需要考慮如何與DSP完成通信。存儲(chǔ)器單元采用64MB NAND Flash（K9F1208U0B）和64MB SDRAM（K4S561632C）。（4） 時(shí)鐘電路：S3C2410A的外部12MHz時(shí)鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻至203MHz來(lái)提供系統(tǒng)工作時(shí)鐘。 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)1） 操作系統(tǒng)選型—嵌入式Linux簡(jiǎn)介嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在嵌入式系統(tǒng)中扮演著“靈魂”的角色。ADS主要模塊包括：ANSI C編譯器(armcc和tcc)、ISO/嵌入式C++編譯器(armcpp和tcpp)、ARM/Thumb匯編器(armasm)、鏈接器(armlink)、Windows集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(CodeWarrior)、調(diào)試器(AXD)、格式轉(zhuǎn)換器(fromelf)、庫(kù)管理器(armar)、C和C++庫(kù)[36]。表 31 嵌入式控制模塊的主要器件功耗表器件型號(hào)電壓（V）電流（mA）功耗（mW）數(shù)量（個(gè)）S3C2410AI1：50181。180mA94%對(duì)比上面的功耗估計(jì)以及電源器件的參數(shù)，可以看出，所選電源器件都有一定的裕量，這是考慮設(shè)計(jì)初始階段的功耗估計(jì)可能會(huì)有一定偏差，同時(shí)也是為使本模塊具有一定擴(kuò)展空間。 最小系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)嵌入式最小系統(tǒng)由嵌入式處理器運(yùn)行所必需的電路和處理器本身構(gòu)成。還有些器件需要5V電壓供電?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置OM3，OM2的管腳電平來(lái)選擇最終使用哪一個(gè)時(shí)鐘源。出于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。此時(shí)，EXTCLK與電源連接，設(shè)置為高電平。精度在97%以上。以下分別對(duì)嵌入式控制模塊最小系統(tǒng)的各部分電路分別進(jìn)行介紹。在本模塊中涉及時(shí)鐘的主要有4部分：CPU工作時(shí)鐘、RTC時(shí)鐘、USB功能時(shí)鐘和以太網(wǎng)芯片工作時(shí)鐘。（2） S3C2410A中I1和I2分別表示芯片待機(jī)和主頻在200MIPS，所有外設(shè)開(kāi)啟時(shí)的工作電流，這里的電流包括內(nèi)核、IO以及芯片內(nèi)部其它模塊的總電流。就是說(shuō)用于開(kāi)發(fā)的主機(jī)(簡(jiǎn)稱Host)與目標(biāo)主機(jī)(簡(jiǎn)稱Target)采用不同體系結(jié)構(gòu)的硬件與軟件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的硬件資源環(huán)境一般比較苛刻，嵌入式微處理器和微控制器的內(nèi)存一般都不大，要在緊張的資源下完成復(fù)雜的功能，要求嵌入式系統(tǒng)軟件必須盡量的小巧、穩(wěn)定和高效。（6） 串口：用于S3C2410A系統(tǒng)與其它應(yīng)用系統(tǒng)的短距離雙向串行通信，同時(shí)在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)也發(fā)揮了重要作用。（3） 時(shí)鐘部分采用外部12MHz無(wú)源晶振時(shí)鐘輸入。除主要考慮了以上幾點(diǎn)外，還考慮了諸如PCB布線、性價(jià)比、銷售渠道、可參考的資料和外部擴(kuò)展等眾多因素。它的低功耗、精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于低成本和功耗敏感的應(yīng)用。ARM處理器核已經(jīng)有6個(gè)系列產(chǎn)品：ARMARMARM9E、ARM10E、SecurCore以及最新的ARM11系列。第二版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端中的嵌入式控制模塊可以通過(guò)系統(tǒng)各部分的工作情況實(shí)時(shí)的對(duì)工作頻段、調(diào)制方式和發(fā)射功率等參數(shù)做出修改，以適應(yīng)隨時(shí)變化的無(wú)線環(huán)境。這樣CR終端的新架構(gòu)升級(jí)為ARM+3DSP+FPGA。為了增強(qiáng)CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端的功能，實(shí)現(xiàn)CR終端的收發(fā)雙工工作、授權(quán)用戶的實(shí)時(shí)檢測(cè)及避讓、工作頻段的智能切換，更好地驗(yàn)證CR的工作原理和在實(shí)際環(huán)境中工作的穩(wěn)定性，有必要在第一版實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)第二版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端。射頻接收模塊將接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行濾波放大，然后變換到中頻，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行必要的濾波和放大后，以合適的幅度輸出到接收通道中頻部分。CR終端的嵌入式控制單元的功能結(jié)構(gòu)如圖 28所示。從CR終端的角度看，嵌入式控制模塊作為系統(tǒng)的“大腦”，完成初始化配置、與上位機(jī)通信和CR終端運(yùn)行狀態(tài)的控制，使CR終端能夠穩(wěn)定的工作。圖 27給出了一個(gè)CR終端結(jié)構(gòu)圖，CR終端的具體實(shí)物圖見(jiàn)附錄中圖2。基于先應(yīng)式、地理定位輔助路由協(xié)議路由查找過(guò)程如圖 26所示。在CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，由中心對(duì)路由和信道選擇決策，這個(gè)決策不但包括分組的路由，還要選擇該路由上每個(gè)鏈路所使用的信道以及一個(gè)信道使用時(shí)間表。傳統(tǒng)的路由指標(biāo)如跳數(shù)、時(shí)延、擁塞等作為路由選擇的依據(jù)已不夠充分，所以對(duì)于CR網(wǎng)絡(luò)需引入新的路由指標(biāo)，如信道切換數(shù)、信道切換頻率等。（3） 鏈路釋放鏈路釋放是CR終端之間通信結(jié)束后釋放傳輸?shù)倪^(guò)程，分主被終叫端發(fā)起鏈路釋放請(qǐng)求的先后順序（主要區(qū)別是流程方向相反）。如果測(cè)試表明該業(yè)務(wù)信道質(zhì)量良好，則業(yè)務(wù)信道建立完畢，否則建立失敗，請(qǐng)求重新建立。（1） 通信鏈路建立通信鏈路的建立包括請(qǐng)求通信、尋呼、接入和通信的過(guò)程。數(shù)據(jù)鏈路用來(lái)完成CR終端間的數(shù)據(jù)傳輸。中心發(fā)出的檢測(cè)要求和CR終端發(fā)回的檢測(cè)回應(yīng)之間是一對(duì)一的通信。下面主要描述CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)MAC協(xié)議各部分功能單元。Pawelczak等人提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的CR MAC協(xié)議[18]，將IEEE ，使得該協(xié)議適用于Ad Hoc CR應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)。因此CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端的物理層必須具備寬帶的感知前端和授權(quán)用戶信號(hào)的檢測(cè)器，準(zhǔn)確的檢測(cè)頻譜空穴信息和授權(quán)用戶的出現(xiàn)。因此，CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)計(jì)新的傳輸層協(xié)議來(lái)解決這些問(wèn)題。鏈路控制子層負(fù)責(zé)通信鏈路的建立、維護(hù)、切換、釋放等相關(guān)操作，并向網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的服務(wù)，屏蔽底層不同的MAC方法。如圖 22所示?，F(xiàn)有的頻譜分配特征確定了默認(rèn)的頻譜使用優(yōu)先級(jí)。頻譜租用程序、用戶優(yōu)先級(jí)策略和無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言等都為頻譜的統(tǒng)籌規(guī)范使用提供了保障，為實(shí)現(xiàn)CR的頻譜共享提供規(guī)范。4） 頻譜感知CR設(shè)備能夠感知周圍無(wú)線環(huán)境的變化，動(dòng)態(tài)的選擇合適的工作頻段。任何兩個(gè)CR用戶的通信都采用FDD雙工方式，多個(gè)用戶采用FDMA方式實(shí)現(xiàn)多址，每個(gè)CR用戶上下行分別占用8MHz頻率資源。第六章對(duì)論文工作的總結(jié)和下一步工作的展望。第二章首先給出了基于有中心控制的分布式的CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上討論了適合本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的協(xié)議模型；其次結(jié)合第一版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端存在的缺陷，提出了一種全新的ARM+3DSP+FPGA架構(gòu)，并分析了增加以ARM9為核心的嵌入式控制模塊所帶來(lái)的終端性能改進(jìn)。完成了芯片選型、方案設(shè)計(jì)以及具體實(shí)現(xiàn)，具體包括硬件部分：原理圖設(shè)計(jì)、PCB制作、電路板焊接和調(diào)試；軟件部分：Bootloader、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、根文件系統(tǒng)、外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)和Qt/Embedded圖形文件系統(tǒng)的移植。嵌入式處理器目前主流的應(yīng)用已經(jīng)從ARM7轉(zhuǎn)向ARM9，甚至更高的ARMARM11，處理器的處理能力也越來(lái)越強(qiáng)；嵌入式操作系統(tǒng)也從簡(jiǎn)單的多任務(wù)操作系統(tǒng)發(fā)展到實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。如DARPA的XG項(xiàng)目設(shè)計(jì)了自適應(yīng)頻譜系統(tǒng)原型，目標(biāo)是使頻譜的利用率增加10倍[13]；MITRE公司研發(fā)了自適應(yīng)頻譜無(wú)線電（Adaptive Spectrum Radio，ASR）實(shí)驗(yàn)床，成功驗(yàn)證了自適應(yīng)頻譜接入的可行性；維吉尼亞無(wú)線通信技術(shù)中心研究并設(shè)計(jì)了CR仿真實(shí)驗(yàn)椅和硬件實(shí)驗(yàn)床，基于生物啟發(fā)的CR引擎節(jié)點(diǎn)正在研發(fā)中[14]；伯克利大學(xué)建立了伯克利仿真平臺(tái)(Berkeley Emulation Engine，BEE2 )，對(duì)各種頻譜偵聽(tīng)技術(shù)和算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真和性能分析[15]等。其中具有代表性的是由DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署）資助的下一代無(wú)線通信（Next Generation Program，XG）項(xiàng)目，主要研究系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)基于CR技術(shù)的動(dòng)態(tài)頻譜應(yīng)用；2005年開(kāi)始的自適應(yīng)自組織網(wǎng)免費(fèi)頻段通信（Adaptive AdHoc Freeband Communications，AAF）項(xiàng)目是荷蘭國(guó)家資源計(jì)劃免費(fèi)頻段通信（Freeband Comm