系統(tǒng)解讀無線通信之SDR和CR

　　因此，系統(tǒng)從一開始就必須在具有強(qiáng)干擾的環(huán)境中可靠地工作。這樣，xG認(rèn)知系統(tǒng)就可以通過可靠地讓該系統(tǒng)在其他無線電系統(tǒng)可能無法工作的環(huán)境下工作，從而最大限度地提高灰色空間的容量。

　　至于應(yīng)用，xG Technology很快就會(huì)推出適用于軍事、農(nóng)村寬帶和企業(yè)的高級(jí)系統(tǒng)。這種新系統(tǒng)將覆蓋902至928MHz的頻帶以及5.8GHz ISM頻帶。未來的系統(tǒng)也可能使用700MHz頻譜。

　　此外，xG公司正在美國和英國評(píng)估該公司在電視白色空間領(lǐng)域推出的各種選擇方案(該系統(tǒng)可能非常適合用于美國和英國)。你可以想像一下這樣一種功能強(qiáng)大的移動(dòng)語音和數(shù)據(jù)蜂窩系統(tǒng)，它可以利用空白白色空間6MHz電視頻道，并且可以提供與商業(yè)3G和4G蜂窩系統(tǒng)一樣的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益。

　　說到白色空間，這是認(rèn)知無線電的另外一個(gè)出色的應(yīng)用。白色空間由未被使用的6MHz電視頻道組成，該空間是在2009年模擬電視轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)電視時(shí)被棄用的。電視臺(tái)仍然使用2至51個(gè)頻道(54至698MHz)，盡管許多頻道未被使用。開放的頻道根據(jù)地區(qū)的不同而有很大的變化，不過這種頻道意味著寶貴頻譜的巨大浪費(fèi)。

　　FCC已經(jīng)批準(zhǔn)在無許可證服務(wù)中使用這些頻道。其指南要求具有可用本地頻道的低功率和知識(shí)。FCC以及Spectrum Bridge和Telcordia等多家其他組織已經(jīng)制定出記錄在美國的大多數(shù)地區(qū)使用這些頻道的電視臺(tái)和其他無線設(shè)備和服務(wù)的綜合數(shù)據(jù)庫。要使用這些頻道，白色空間無線電必須訪問該數(shù)據(jù)庫，查看該頻道是否正在使用中。如果是的話，將選擇另一個(gè)頻道，以防出現(xiàn)干擾。

　　白色空間無線電分為兩類：基站和客戶端設(shè)備(CPE)終端。CPE終端可能是手機(jī)。如果這類終端要發(fā)射信號(hào)，需將其GSP坐標(biāo)位置發(fā)送給基站，然后基站訪問數(shù)據(jù)庫查看所需的頻道是否是開放的。如果是的話，CPE終端就會(huì)收到可以發(fā)射信號(hào)的通知。

　　在某些系統(tǒng)中，CPE終端實(shí)際上是偵聽所需的頻道，評(píng)估是否存在其他信號(hào)。在任何情況下，基站和CPE無線電都使用認(rèn)知無線電的形式進(jìn)行有關(guān)何時(shí)使用哪個(gè)頻道的智能決策。

　　白色空間無線電有望能夠更加高效地使用未使用的電視頻譜，不過認(rèn)知無線電能夠在不產(chǎn)生干擾的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。農(nóng)村地區(qū)的無線寬帶是白色空間的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用。農(nóng)村仍有許多地方?jīng)]有良好的高速互聯(lián)網(wǎng)連接。白色空間非常適合用于這種應(yīng)用。

　　白色空間頻道的低頻率和非視距(NLOS)特性不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸距離長達(dá)幾英里的連接，還可以保證連接的可靠性。在一個(gè)潛在的商業(yè)模式中，無線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(WISP)將幫助實(shí)現(xiàn)美國聯(lián)邦政府的國家寬帶計(jì)劃。

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控是白色空間的另一個(gè)潛在應(yīng)用。智能電網(wǎng)連接、視頻監(jiān)控?cái)z像頭、醫(yī)療病人監(jiān)護(hù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)等端到端(M2M)應(yīng)用全部都會(huì)從訪問白色空間中受益。

　　專為白色空間應(yīng)用而設(shè)計(jì)的RuralConnect IP版II(RCIP VII)軟件定義無線電/認(rèn)知無線電可創(chuàng)造具有語音、數(shù)據(jù)和視頻優(yōu)先路由的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(圖9)。其目標(biāo)應(yīng)用是農(nóng)村寬帶訪問，不過也可以用于IP視頻監(jiān)控、井和管道監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量和交通信號(hào)通信中。

　　RCIP VII的工作頻率范圍為470至786MHz。它采用TDD模式，采用正交相移鍵控(QPSK)或16相正交幅度調(diào)制(16QAM)。其傳輸功率為+30 dBm，接收靈敏度范圍為–86至–89dBm。采用AES-128安全標(biāo)準(zhǔn)(共享密鑰)。這些裝置被設(shè)計(jì)成使用Telcordia數(shù)據(jù)庫，并且符合FCC的第15部分規(guī)則以及英國的Ofcom法規(guī)。

　　SDR/CR的開發(fā)

　　SDR收發(fā)器主要是一個(gè)軟件項(xiàng)目。一旦有了穩(wěn)固的RF平臺(tái)，下一步就需要選擇DSP處理技術(shù)?？赡艿倪x擇包括標(biāo)準(zhǔn)DSP、FPGA或者某種GPP。對(duì)于首個(gè)項(xiàng)目而言，使用供應(yīng)商開發(fā)工具的參考設(shè)計(jì)確實(shí)會(huì)加快和簡化開發(fā)工作。除此之外，還有一些相對(duì)獨(dú)立的選擇。

　　一種方法是使用GNU無線電，這是一種用于軟件定義無線電的開源開發(fā)平臺(tái)。它包含一組信號(hào)處理例程，包括用于高斯最小頻移鍵控(GMSK)、相移鍵控(PSK)、QAM、OFDM等的調(diào)制方式。軟件還包含Reed-Solomon、Viterbi和渦輪碼等糾錯(cuò)碼。還有用于優(yōu)化濾波器、傅立葉快速變換、均衡器和計(jì)時(shí)器的例程。此軟件可在Windows、Linux或MacOS操作系統(tǒng)下運(yùn)行。

　　GNU無線電軟件依靠一種名為通用軟件定義無線電外設(shè)(USRP)的基本RF平臺(tái)。它包含多個(gè)覆蓋高達(dá)5.9 GHz的頻率范圍的RF板。還包含一個(gè)由快速ADC、DAC和相關(guān)支持電路組成的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。USB端口提供基本I/O。

　　優(yōu)質(zhì)USRP提供商Ettus Research公司生產(chǎn)了一系列覆蓋不同頻率范圍的RF板，這些RF板采用基本I/Q架構(gòu)，具有全雙工傳輸能力。提供發(fā)射/接收開關(guān)。發(fā)射器功率和接收器增益是可控制的。典型帶寬為30MHz。你可以在軟件中使用整合了ARM GPP和TI C64xx DSP的TI OMAP3等標(biāo)準(zhǔn)DSP、Xilinx Spartan 3A DSP1800或Altera Cyclone FPGA。

　　至于ADC和DAC，某些Ettus USRP型號(hào)采用100Msamples/s的14位ADC和400 Msamples/s的16位DAC。其他型號(hào)采用64Msamples/s的12位ADC和128Msamples/s的14位DAC。

　　如果你只是剛剛開始接觸軟件定義無線電/認(rèn)知無線電或者想教這門課程，那么美國國家儀器(NI)公司的USRP產(chǎn)品可能是你的一個(gè)不錯(cuò)的新選擇。NI公司擁有Ettus公司，NI在頻率范圍為50 MHz至2.2 GHz的NI USRP 2120和頻率范圍為2.4至5.5 GHz的NI USRP 2921這兩個(gè)產(chǎn)品中使用了Ettus的基本硬件。

　　這兩款收發(fā)器都使用標(biāo)準(zhǔn)直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)，并通過1吉比特以太網(wǎng)端口將其I/Q信號(hào)輸出至PC。高達(dá)25Msamples/s基帶的信號(hào)可能按這種方式分流。帶寬為50MHz。此裝置單價(jià)約為4000美元。

　　數(shù)字信號(hào)處理和其他程序在PC上運(yùn)行。NI公司帶調(diào)制工具包的LabVIEW軟件可用于開發(fā)?？蓪⒏呒?jí)軟件下載至NI的包含Xilinx FPGA的Flex RIO PXI中。

　　雖然NI USRP是軟件定義無線電/認(rèn)知無線電入門者的一個(gè)出色學(xué)習(xí)平臺(tái)，但是其當(dāng)初的開發(fā)主旨是針對(duì)大學(xué)教學(xué)和研究。如果你購買包含兩個(gè)裝置的捆 綁產(chǎn)品，即可獲得德克薩斯大學(xué)和斯坦福大學(xué)開發(fā)的全套教學(xué)材料。此捆 綁產(chǎn)品價(jià)格約為6000美元。對(duì)于初步研究和原型設(shè)計(jì)(包括采用OFDM和MIMO技術(shù)的項(xiàng)目)而言，使用NI USRP是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。