工程硕士专题讲座(认知无线电).ppt
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工程硕士专题讲座(认知无线电).ppt
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专题讲座专题讲座认知无线电及其关键技术认知无线电及其关键技术重庆大学重庆大学通信工程学院通信工程学院冯文江冯文江Email:
认知无线电概念认知无线电概念(ConceptofCognitiveRadio)背景背景随着无线通信业务的快速增长,频谱需求和资源有限之间的矛盾越随着无线通信业务的快速增长,频谱需求和资源有限之间的矛盾越来越突出来越突出“频谱危机频谱危机”解决途径之一:
解决途径之一:
寻求更高效的传输方式(寻求更高效的传输方式(MIMO、高阶调制、高阶调制、AMC等)等)提高频谱效率提高频谱效率频谱使用政策:
授权频谱使用政策:
授权(固定固定)、ISM(IndustrialScientificandMedical)开放开放(FreeLicense)频谱浪费严重:
频谱浪费严重:
3GHz以下频段,时间和空间平均利用率低以下频段,时间和空间平均利用率低解决途径之二:
解决途径之二:
认知无线电认知无线电提高频谱利用率提高频谱利用率认知无线电概念认知无线电概念(ConceptofCognitiveRadio)2007年至今,围绕认知无线电的研究如火如荼年至今,围绕认知无线电的研究如火如荼学术界:
学术界:
找到了无线通信技术新的发展方向和热点研究内容找到了无线通信技术新的发展方向和热点研究内容监管部门:
监管部门:
调整了频谱使用规则,引导其商用(美国、英国、加拿调整了频谱使用规则,引导其商用(美国、英国、加拿大、日本、新加坡、韩国等)大、日本、新加坡、韩国等)标准化组织:
标准化组织:
纷纷制定和发布新的通信标准(纷纷制定和发布新的通信标准(802.22、ECMA392、802.11af、802.16h、802.15.4m)制造商:
制造商:
找到了新的、巨大的、潜在的商机找到了新的、巨大的、潜在的商机运营商:
运营商:
用较少的投入提供通信服务,获得更大的收益用较少的投入提供通信服务,获得更大的收益认知无线电定义认知无线电定义(DefinitionofCognitiveRadio)认知无线电认知无线电是一种智能频谱共享技术,依靠人工智能的支是一种智能频谱共享技术,依靠人工智能的支持,感知无线通信环境,依据学习和决策算法,实时自适持,感知无线通信环境,依据学习和决策算法,实时自适应的改变工作参数(频点、功率、调制、编码),动态检应的改变工作参数(频点、功率、调制、编码),动态检测和有效利用空闲频谱测和有效利用空闲频谱理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的资源共享理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的资源共享认知无线电定义认知无线电定义(DefinitionofCognitiveRadio)美国美国FCC认为:
认为:
CR是一种通过与通信环境交互获取无线电背景知识,是一种通过与通信环境交互获取无线电背景知识,继而调整传输参数,最终实现无线传输的设备。
主体是继而调整传输参数,最终实现无线传输的设备。
主体是SDR,但认知无,但认知无线电设备不一定必须具有软件或现场可编程能力。
线电设备不一定必须具有软件或现场可编程能力。
FCC关注认知无线电关注认知无线电如何提高频谱利用率如何提高频谱利用率认知终端认知终端Rieser教授认为:
教授认为:
CR采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和媒体接入控制层线电系统的物理层和媒体接入控制层(PHY+MAC)的演进过程建模的演进过程建模认认知引擎知引擎认知无线电定义认知无线电定义(DefinitionofCognitiveRadio)Haykin教授认为:
教授认为:
CR是一个智能无线通信系统,它能够感知外界是一个智能无线通信系统,它能够感知外界环境,并利用人工智能技术从环境中学习,通过实时改变传输参环境,并利用人工智能技术从环境中学习,通过实时改变传输参数,使其内部状态适应无线通信环境统计特性的变化数,使其内部状态适应无线通信环境统计特性的变化信号处信号处理理IEEE认为:
认为:
CR是能感知外部环境的智能无线通信技术,能从环境是能感知外部环境的智能无线通信技术,能从环境中学习,并根据环境变化动态调整内部状态,以适应外部环境的中学习,并根据环境变化动态调整内部状态,以适应外部环境的变化,其认知功能可以采用人工智能或简单控制机制实现变化,其认知功能可以采用人工智能或简单控制机制实现智智能控制能控制认知无线电定义认知无线电定义(DefinitionofCognitiveRadio)认知无线电都具有两种功能:
认知功能和重构功能认知无线电都具有两种功能:
认知功能和重构功能认知功能:
认知功能:
认知无线电能与周围环境进行交互,进而选择合适的通认知无线电能与周围环境进行交互,进而选择合适的通信参数以适应变化的频谱资源和网络环境信参数以适应变化的频谱资源和网络环境重构功能:
重构功能:
认知无线电能在不改变系统硬件的前提下重新配置系统认知无线电能在不改变系统硬件的前提下重新配置系统的发射参数,如传输功率、调制方式、传输频段等的发射参数,如传输功率、调制方式、传输频段等认知无线电的目标是认知无线电的目标是通过认知功能和重构功能获取通信资源,以提通过认知功能和重构功能获取通信资源,以提高频谱利用率高频谱利用率认知无线电基本原理认知无线电基本原理(PrincipleofCR)通过分析外部环境提供的激励认识通信任务的内容;通过接收和发通过分析外部环境提供的激励认识通信任务的内容;通过接收和发送内容的分析选择解决方式送内容的分析选择解决方式一种目标驱动的框架结构一种目标驱动的框架结构观察观察-思考思考-行动:
认知环模型(行动:
认知环模型(Mitola)认知无线电网络定义认知无线电网络定义(DefinitionofCRN)认知无线电网络(认知无线电网络(cognitiveradionetwork,CRN):
基于认知无线电):
基于认知无线电技术构建的无线通信网络技术构建的无线通信网络CRN的终端节点和接入点在的终端节点和接入点在PHY、MAC、NWK及应用层都具有:
及应用层都具有:
认认知能力知能力+学习能力学习能力+重构能力重构能力CRN能感知网络当前状态,根据端到端目标,利用学习机制实时调能感知网络当前状态,根据端到端目标,利用学习机制实时调整资源配置,利用感知到的网络状态信息形成规划、决策和行动整资源配置,利用感知到的网络状态信息形成规划、决策和行动CRN是一种能够感知当前网络状态,并据此进行规划、调整和采取是一种能够感知当前网络状态,并据此进行规划、调整和采取适当行动的网络适当行动的网络认知无线电网络定义认知无线电网络定义(NetworkArchitectureofCRN)构成认知无线电网络的三要素:
网络组件、异质频谱、异构网络构成认知无线电网络的三要素:
网络组件、异质频谱、异构网络网络组件:
网络组件:
主用户网络主用户网络+认知用户网络认知用户网络异质频谱:
异质频谱:
授权、开放;时变性;空间差异性授权、开放;时变性;空间差异性异构网络:
异构网络:
网络架构、覆盖范围、支撑业务、实现方式网络架构、覆盖范围、支撑业务、实现方式关键技术之一:
频谱感知关键技术之一:
频谱感知(SpectrumSensing)频谱感知:
频谱感知:
包括频谱包括频谱检测、检测、频谱频谱分析分析和频谱和频谱判决,判决,是认知无线电实现是认知无线电实现频谱共享、频谱管理的前提频谱共享、频谱管理的前提感知:
感知:
周期性检测主用户占用频谱的状态和特点,获得周期性检测主用户占用频谱的状态和特点,获得“频谱空穴频谱空穴”或可用资源,并伺机接入候选可用频谱或可用资源,并伺机接入候选可用频谱频谱感知方法频谱感知方法能量检测法能量检测法(EnergyDetection)非相干检测,直接对时域信号采样求模、平方、积分获得检测统计量非相干检测,直接对时域信号采样求模、平方、积分获得检测统计量在在AWGN信道环境中,检测概率和虚警概率分别为:
信道环境中,检测概率和虚警概率分别为:
和和是完整和不完整是完整和不完整Gamma函数,函数,是普遍是普遍MarcumQ函数函数在在Rayleigh衰落信道环境中,检测概率为:
衰落信道环境中,检测概率为:
能量检测法能量检测法(EnergyDetection)能量检测法无需信号的先验信息,实现简单,但判决门限难以能量检测法无需信号的先验信息,实现简单,但判决门限难以准确选择准确选择门限值很大程度上受到未知噪声电平的影响,因此在低信噪比门限值很大程度上受到未知噪声电平的影响,因此在低信噪比环境的检测性能较低环境的检测性能较低循环平稳检测法循环平稳检测法(CyclostationaryDetection)利用通信信号的二阶循环平稳特性实施频谱感知利用通信信号的二阶循环平稳特性实施频谱感知自相关函数为自相关函数为傅里叶级数展开傅里叶级数展开循环相关系数循环相关系数循环功率谱循环功率谱循环平稳检测法循环平稳检测法(CyclostationaryDetection)检测统计量检测统计量在循环频率在循环频率处,假设检验处,假设检验循环平稳检测法循环平稳检测法(CyclostationaryDetection)循环功率谱的性质循环功率谱的性质信号的循环平稳特征离散分布在循环频率轴上,即在循环频率处循环信号的循环平稳特征离散分布在循环频率轴上,即在循环频率处循环功率谱会出现谱峰,而噪声信号不具有循环平稳性。
功率谱会出现谱峰,而噪声信号不具有循环平稳性。
通信信号的循环通信信号的循环平稳特性具有优良的抗噪性能平稳特性具有优良的抗噪性能循环功率谱还包含了调制信号的相关信息:
载波频率、信号带宽、键循环功率谱还包含了调制信号的相关信息:
载波频率、信号带宽、键控速率以及信号幅度和相位等控速率以及信号幅度和相位等功率谱相同而调制类型不同的通信信号具有不同的循环功率谱,功率谱相同而调制类型不同的通信信号具有不同的循环功率谱,可用可用于信号辨识和调制模式识别于信号辨识和调制模式识别自适应双门限频谱检测法自适应双门限频谱检测法(AdaptiveDouble-thresholdSpectrumSensing)基本思想:
基本思想:
对接收信号实施双门限能量检测,若统计量大于上门限,对接收信号实施双门限能量检测,若统计量大于上门限,判决为判决为“存在存在”;若统计量小于下门限,判决为;若统计量小于下门限,判决为“不存在不存在”,若统计,若统计量位于上下门限之间,再进行循环平稳特征检测量位于上下门限之间,再进行循环平稳特征检测判决门限判决门限Th用期望检测概率回推,引入一个不可靠区范围调整因子用期望检测概率回推,引入一个不可靠区范围调整因子k,上门限为,上门限为kTh,下门限为,下门限为Th/k,k依据实际检测概率自适应步进调依据实际检测概率自适应步进调整整匹配滤波器检测匹配滤波器检测(MatchedFilterDetection)通过匹配滤波(最佳接收)使接收信噪比最大,利用发射信通过匹配滤波(最佳接收)使接收信噪比最大,利用发射信号的先验知识,如调制模式、脉冲形状、时序、数据格式等号的先验知识,如调制模式、脉冲形状、时序、数据格式等生成本地信号,与测量获得的接收信号做相关运算。
优点是生成本地信号,与测量获得的接收信号做相关运算。
优点是响应快,检测概率高,但需要已知每种主用户类型,资源占响应快,检测概率高,但需要已知每种主用户类型,资源占用大,实现复杂度高用大,实现复杂度高协同检测法协同检测法(CooperativeDetection)联合分布于不同空间位置的多个认知节点单独执行本地检测,然后联合分布于不同空间位置的多个认知节点单独执行本地检测,然后利用融合处理算法处理,能提高检测性能,避免隐藏终端利用融合处理算法处理,能提高检测性能,避免隐藏终端分布式协同检测:
分布式协同检测:
参与协同的各节点首先进行独立检测,然后将检参与协同的各节点首先进行独立检测,然后将检测结果广播发送,收到检测结果的节点以某种方式合并,再分析
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- 工程硕士 专题讲座 认知 无线电