1、- 1 -基于 DSP 的认知无线电通信盟设计作 者：崔 龙 专 业：通信工程 指导教师：杨 震 指导单位：通信与信息工程学院摘 要：本论文课题源于导师的国家高技术研究发展计划（863 计划） “基于联盟博弈认知模型的动态频谱接入技术研究” （编号：2009AA1Z241） 。针对现有的认知次用户间多采用非合作的协议方式进行通信的模式，本文研究并实现了一种运用联盟博弈思想基于 DSP 的认知无线电通信盟设计。目前基于博弈论的认知无线电研究多侧重非合作博弈，而合作博弈则具有能使博弈各方整体收益最大化的优点，所以本文首先引入了联盟博弈的思想，提出了一种基于 RSSI 类蜂窝式拓扑结构的通信盟模型，
2、并将最大化系统吞吐量作为数学模型的求解目标，随后设计出了基于离散随机逼近的通信盟频谱调度算法并联合注水算法共同求解，算法定义了通信联盟盟内和盟间的接入方式和通信协议，最后利用联盟形成博弈理论中的 和hpDT准则分析了算法的稳定性。CDT基于上述算法又设计并实现了联盟博弈下的通信盟软硬件 DSP 平台。模拟了整个通信盟场景，设计了平台架构和系统软硬件模块，编写了通信盟算法实现程序，并在 VC 平台下设计了通信盟上位机交互演示界面，成功验证了所提出的算法。关键词：认知无线电；联盟博弈；通信结盟；随机逼近；RSSI一、绪论无线电频谱是一种非常宝贵的资源，但随着社会的不断发展和科技的日新月异以及物联网
3、的飞速普及，无线频谱资源却越来越紧张。在这种背景下，认知无线电 (Cognitive Radio, CR) 技术应运而生，CR 技术通过在时间和空间上充分利用空闲的频谱资源，从而可以有效的缓解或解决上述频谱资源紧张的情况。联盟博弈(Coalition Game)理论主要研究多个参与者组成的联盟，协调参与者彼此策略的制约或惩罚机制以便于联盟的形成，根据参与者个体和网络整体需要，组成动态的部分用户联盟，以减少网络开销，实现频谱资源共享。本课题的硬件实现采用 TI 公司 OMAP（Open Multimedia Applications Platform）系列的 OMAP5912 双核处理器 DSP
4、。该 OMAP 平台在同一硅片上无缝集成一个 ARM9 处理器、一个 TMS320C55x DSP 以及 PDT 专用外设，平台具有可扩展、灵活而开放的构架，长期以来一直以最佳性能和极低功耗而著称。OMAP5912 平台为本课题的实现提供了一个强大的软硬件基础。二、联盟博弈思想下基于 RSSI 的类蜂窝式拓扑结构的通信盟设计在本文设计的认知无线电通信系统中，认知节点通过结盟设立一级基站管理、二级盟主管理的分层管理模式，优化了系统的信令开销，使得认知节点可以使用较少的功率直接和盟主交互信令而不需每次与基站进行信令交互。通过建立用户业务触发的机制，系统的- 2 -吞吐量得到了进一步的提升。本文提出
5、一种基于 RSSI 能量值检测的结盟判断依据，这个准则可以解决目前基于距离结盟所产生的不足。而且，获取 RSSI 值不需要增加较大的计算量和额外的硬件，应用成本较低。RSSI (Received Signal Strength Indication)指接收信号强度指示，是基站（ BS）或者盟主侧的指标。设某业务所能容忍的最大误码率为 ，则 RSSI 的能量下限MmaxP：minRSI(1)2in1min 0RSIQ1NB3在通信结盟的拓扑结构设计中，将 GSM 的蜂窝式网络架构经过变换后引入到设计中，提出了基于 RSSI 能量值检测的类蜂窝式拓扑结构，它不同于传统的以地理位置范围作为蜂窝大小选
6、择原则的构架，它是将 RSSI 能量值的大小作为蜂窝大小的主要判断依据。通过前面在满足通信结盟后信噪比和误码率达到相应要求的前提下得到的 RSSI 值的下限。将 类比成蜂窝小区半径 R 来确定可以加入该小区的认知次用户。本联盟minRSIminI的拓扑结构是以认知次用户结成的盟所在的地理位置上最外围的认知次用户直线相连作为结成的盟的边界，盟的形状不固定也不一定为正六边形。在不同的地理区域，基站根据类蜂窝式拓扑结构在认知次用户硬件平台的限定下（如功率限定、系统容量等）以系统最优准则选择组建各个通信盟，盟主协调盟内用户，不同区域依照通信吞吐量安放基站控制各通信盟，基站间的工作方式为互同步，通过以上
7、架构来实现网络全地理覆盖。基于 RSSI 的类蜂窝式拓扑结构设计方案简述如下：以系统基站 BS（认知次用户的管理中心）为中心点，寻找其接收到次用户发来的 RSSI 均值 满足条件并且波动方差在RSI系统允许的条件下的认知次用户。将整个盟所具有的功率总和进行合理的分配使得整个盟的吞吐量达到最大，采用拉格朗日乘子法并运用注水算法对功率进行合理分配后得到盟所能具有的最大吞吐量 ，这样我们就可以得到对于任一通信盟，其联盟函数为：iSsC(2)2t=1st=1P+|S|log2TTv下面定义本通信结盟的入盟和退盟等原则：入盟原则：对于某些联盟或者个体用户集合 ，当有本联盟外的联盟或123kSS， ， 者
8、个体 ，定义入盟原则条件：1kS(3)min1111,RI()iikkjjjkkjjvS- 3 -退盟原则：对于包含某些联盟或者个体用户的集合 的大联盟 ，123kSS， ， 1kjS定义退盟原则条件：(4)min11,1,RI()()Siikkjijjiiivv盟主更新原则：系统定时一个时间段 T，每隔 T 时间，盟内各用户（包括盟主）依次顺序收集各个盟成员的 RSSI 值并计算总和 ，选择总和最大的作为新盟主并广播通知RIii各个盟内成员。为了更好的进行频谱调度，我们提出频谱分级的概念。将 作为联盟 中使用频点 nnll所获得的分数,分数越高代表频谱级别越高，使用该频点时通信效率越高。(5
9、)|STn=12,N,LIlnl l 上式中 代表联盟 中使用频点 n 时的吞吐量， 代表盟内成员总数，B 为信道带nTll |S宽，P 是联盟的总功率， 代表联盟 中使用频点 n 的平均噪声。定义传输模式的得分集2nl合 T(),1)(,.(N)l离散随机逼近算法过程简述如下：1.初始化： ，随机选择传输模式 并初始化 ,设定概率向量 P，根m(m)I()()mI据随机逼近算法，定义初始随机选择的频谱的概率为 1，在数值上反应为： ，(0)I2.采样和赋值：给定 ，计算对应的 ，均匀的选择另一个候选的()I(),，计算对应的 。()()mII(),m3.接受：如果 ，则设定 ；否则设定 ；(
10、),mI()(1)mI(1)(m)I4.自适应滤波器用于更新动态信息序列。通过更新状态占用概率；(1)(I(1)(,01pp5.在当前迭代更新最优解的估计：如果 ，则设定()1()mmIpI；否则设定 ；(m)()I(m)()I6. ，到步骤(2)。 到达给定迭代逼近次数或达到给定运算时间时算法结束。 nn设计的盟成员接入方式分为分布式盟主控制的单频带分时隙联盟博弈方式和分布式基站控制的多频带分时隙联盟博弈形式，其中前者又分为盟主受通信业务触发机制下的动态时隙分配和各个认知用户通过抢占竞争时隙来实现通信。我们引入缺陷函数（Defection Function）即 D 函数中的两个重要的缺陷函数
11、：和 分析了系统的稳定性能，得到其达到收敛的要求。hpDTC通过建立 MATLAB 的仿真平台，可以清楚直观的看到仿真的实验结果。结果证明采用随机逼近在对频谱资源进行合理分配时是可行的，效率较高。三、联盟博弈下的通信盟软硬件设计与实现- 4 -本文设计的硬件平台包括基站平台、终端平台、服务器、PC 机和 IP 交换机等部分，实现了动态频谱接入、通信结盟、数据业务传输等功能。可解决如下问题：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） ，因此可不必接入基站而直接通信；2）在室内由于室内蜂窝信号不好，手机自动多跳到其它室内终端进行通信；
12、3）在偏远地区，自动利用空闲频点建立通信，节约硬件资源投入。系统的实物拓扑结构图和平台架构图如下：SDRAMFLHLC结 盟 、 博 弈 、 协 作接 入 控 制 、网 同 步 、 资源 管 理 感 知 模 块 、 主次 用 户 检 测 频 谱 管 理 、频 谱 调 度 、 功 率控 制接 口 双 核通 信模 块接 口接 口ARP协 议以 太 网 接口 控 制以 太 网 芯 片磁 芯RJ45接 口C（ 2.17）+删 除 编码 、 突 发 生成 OFDM调制A帧 头 检 测 、 载 波 与 帧同 步 、 Q/OFD解调 、 信 道 均 衡 、 C（ 2.17） 解 调正 交 解 调 感 知 模
13、 块 ： 能量 检 测 、 循 环平 稳 检 测射 频 模 块 频 谱 管 理 串 口芯 片显 示SP(中 断 程 序 )核 心 板LN920PG双 核 通 信中 断 和 接 口 协 议 程 序 RS23控 制 板 AM9O5912上A下HY感知结果 感知控制90A5642E354cBS1cBSP图 1 验证平台的构成 图 2 系统软硬件验证平台总体结构根据上述平台总体结构的描述，节点软硬件方案设计如下：硬件方案设计包括基站硬件方案和认知次用户终端硬件方案。基站硬件方案包括电源板、射频板、信道（基带）板、处理器板；认知次用户的硬件方案包括电源板、射频板和核心板。上 MAC 及 LLC 层软件主
14、要在 DSP 上实现，其中包含：（1）接入控制、网络同步、资源管理。（2）融合各终端感知信息、区分感知是主用户还是次用户。（3）频谱管理、频谱调度、功率控制。（4）逻辑链路层控制通过 ARP 协议与以太网芯片相连，实现与 PC 间业务。（5）性能参数的选择和显示。物理层和下 MAC 主要在 FPGA 上实现。 基于 DSP 联盟的程序方案设计主要分为五部分：（1 ）基站端设计；（2 ）通信盟盟主设计；（3 ）盟内成员设计；（4 ） IP 选路设计；（5 ）入盟和退盟的设计。其中认知次用户可以根据基站的指派决定执行盟主或盟成员程序。四、结束语本文设计了通信盟演示界面方案，编写发送程序每隔一定的时
15、间将通信盟演示所需要的数据发送到基站节点，在 PC 机端编写基于 Socket 的接收程序解包并送入数据库（采用- 5 -SQL Server 2005）处理。在通信盟演示界面中分为实时信息显示界面和历史信息查看界面，在每个界面中都可以通过选中相应的菜单实现两个界面之间的切换。上述界面整体分为五个部分：（1）用户标识列表；（2）拓扑显示；（3）通信链信息显示；（4）系统性能显示；（5）频点的占用情况显示。参考文献：1I. Akyildiz, W.-Y. Lee, M. Vuran, and S. Mohanty, “A survey on spectrum management in cogn
16、itive radio networks,”Communications Magazine, IEEE, vol. 46, no. 4, pp. 4048, April 2008.2Cuilian Li, Zhen Yang, Jun Li, Feng Tian. A Relaying Incentive Scheme in Multihop Cellular Networks Based on Coalitional Game with Externalities. wireless personal communication, DOI : 10.1007/s11277-009-9906-
17、x. 3马丁J奥斯本，阿里尔鲁宾斯坦，博弈论教程，魏玉根译.，北京 中国社会科学出版社，2000 :227O2304Haobing Wang. Cooperative Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks: A Game-Theoretic Approach, ICC2010.5Dapeng li. A coalitional game model for cooperative cognitive radio networks, IWCMC 10, pp:1006-1010.6曹雪虹，张宗橙，信息论与编码，清华大学出版社，北京，第一版，pp50-577S. Mathur, L. Sankaranarayanan, and N. Mandayam, “Coalitional games in Gaussian interference channels,” in Proc. IEEEISIT, 2006, pp. 22102214.
