863子课题任务合同书交大2142修改.docx
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863子课题任务合同书交大2142修改
任务编号:
密级:
国家高技术研究发展计划(863计划)
子任务合同书
子任务名称:
认知无线电技术研究
所属专题:
认知无线电技术研究
所属主题/重大专项:
通信技术
所属领域:
信息技术
子任务委托方(甲方):
西安电子科技大学
子任务责任人(乙方):
西安交通大学
起止年限:
2005年7月至2006年6月
二ΟΟ五年七月
填写说明
一、本合同的密级经科技部主管部门按有关保密规定审核确定后由甲方填写;课题编号由各主题按《国家科技计划课题编号办法》要求统一确定。
二、填写内容涉及到外文名称,首次出现时要写全称和缩写字母。
三、本合同正本11份,可用A3或A4幅面纸复印,用计算机打印填写,用普通订书钉装订,勿用其他装订材料。
本合同的“一”至“八”、“十”“十二”项若在表格内填写不下,可另附页。
凡不填内容的栏目,均用“×”表示。
四、本合同下的课题可以实行分级管理,即可包括“课题--子任务”两级。
乙方、丙方应在签定本合同前与承担子任务任务的单位就子任务的目标、任务和知识产权分配等问题签订分级合同,作为本合同的附件。
五、本合同课题如涉及多家(包含两家)单位参加,乙方、丙方应在签定本合同前与有关单位就合作任务和知识产权分配等问题签订有关合同或协议(仅委托其他单位进行常规试验、提供社会化科技服务和少量辅助科研工作的情况除外),作为本合同的附件。
六、甲方联系人由课题所属专项的执行秘书担任。
七、合同各方可根据课题具体情况,就本合同的未尽事宜协商订立附加条款。
附加条款与本合同正文具有同等法律效力。
八、“子任务依托单位上级主管部门”签章一栏中,国务院各部、委、局及其直属机构等国家部门所属单位以外的单位,由当地科技主管部门盖章。
九、本合同涉及的国家有关法律、法规和管理规定可查阅863计划网站有关内容。
国家高技术研究发展计划(863计划)
子任务合同书
子任务委托单位(甲方):
西安电子科技大学
法定代表人:
段宝岩
地址:
陕西省西安市太白南路2号邮政编码:
710071
甲方联系人:
_王睿________________________________________
电话:
__025-*******____________传真:
____025-*******______
电子邮件:
kjcjdk@
子任务承担单位(乙方):
西安交通大学
法定代表人:
郑南宁
地址:
_西安市咸宁西路28号
邮政编码:
710049
开户银行:
西安工商行互助路分理处_____________
帐号:
_3700023509088100314________________
电话:
__8629-82668007传真:
8629-82668098
电子邮件:
___jgdeng@___
鉴于甲方为国家高技术研究发展计划(以下简称863计划)课题任务合同书(协议编号:
2003AA123310,简称课题主合同)中课题承担单位,乙方为该课题任务的子任务承担单位。
为执行课题主合同,完成主合同的目标,各方依照中国有关法律法规,以及国家863计划管理的有关规定,在充分协商的基础上,特对该课题中的子任务:
认知无线电技术研究(以下简称子任务)研究开发任务事宜,签订本合同。
一、子任务的目标和主要研究内容(拟解决的主要技术问题、难点及创新点)
本项目的主要研究内容
随着无线通信需求的不断增长,无线频谱资源越来越紧张。
如何有效地提高频谱资源的利用率,已成为世界各国普遍关注的热点问题。
要提高频谱资源的利用率,首先需要对频谱的定义有更深入的认识。
传统意义上的“谱”可以认为是对信号能量(或功率)分布情况的一种描述,能量在频域的分布称为频谱,它是一种平均的概念,从而抹煞了频谱随不同的时间或不同的空间而变化这一客观事实。
因此,为了提高频谱利用率,更加准确地反映频谱资源的使用情况,有必要将频谱的概念作合理的推广。
通过引入新的度量维度即时间维和空间维,传统的频谱概念可以扩展到时频谱,空频谱及时空频谱。
这样,通过把时域、空域和频域三者结合起来,在更高的维度内刻划联合时空频谱资源的分布情况,就可以将频谱资源的使用情况具体到特定的时间,特定的地点,从而为充分地利用那些在某一特定时间和特定地理位置未被使用的频谱、实现频谱资源的动态、高效使用开辟一条崭新的途径。
基于对频谱资源更加深入的认识,一方面可以通过采用已有的正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)、多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)、MQAM等高效率的分集和调制技术提高无线频谱的利用率;另一方面则通过对已分配频谱资源中的闲置部分和6GHz以上频段中的开放频谱资源进行合理的动态管理和开发利用,以满足更多用户的频谱应用需求。
正是基于这种考虑,FCC(FederalCommunicationsCommission,美国联邦通信委员会)于2003年12月发出的以最佳方式实现认知无线电(CognitiveRadio,CR)[1]-[4]的提议[5],结合软件定义无线电方法[6][7],以自适应的、动态的方式实现多用户的频谱资源共享。
由于CR赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能,具有自适应和智能系统的特征,从而成为无线电设计研究的新热点。
IEEE在2004年12月成立了802.22工作组。
IEEE802.22工作组的目的是使用认知无线电技术,将分配给电视广播的VHF/UHF频带(北美为54MHz~862MHz)的频谱资源作为宽带访问信道。
因为,即便是在频谱资源非常紧张的数百MHz~2GHz无线频带内,同样存在着大量的空闲频带,而这种空闲频带过去始终无法得到有效利用。
作为实现IEEE802.22的关键,认知无线电技术通过在通信终端检测未使用频带,并调整系统工作参数的方式,实现在各地区和各个时间段里有效地利用不同的空闲频带的目标。
如果IEEE802.22工作组所提方案能够达到实用水平,那么通信终端就能通过寻找开路电视广播中未使用的频带,将其用于自身的无线通信。
FCC已在2004年召开了一系列会议研讨CR技术。
SimonHaykin教授在2005年2月的“IEEEJournalOnSelectedAreasInCommunications”中发表了“CognitiveRadio:
Brain-empoweredWirelessCommunications”的文章[8],对这一领域的研究进行了全面的综述。
在全球范围内,CR技术已引起研究人员和通信管理部门的关注和投入。
本课题结合课题组的技术积累,拟针对现今形势下的频谱资源利用情况,研究可感知无线通信环境,并可根据一定的学习和决策算法,实时、自适应地改变系统工作参数的认知无线电系统。
重点将研究CR系统中干扰温度的估计、频谱空穴[9]的检测及功率控制和动态频谱管理的算法;CR系统的礼仪和协议[2]及认知无线电实验系统的实现方案等内容。
本课题研究的具体内容包括:
(1)干扰温度的估计算法
在认知无线电技术中,FCC引入了干扰温度的概念,即通过接收机端的干扰温度来量化和管理无线通信环境中的干扰源。
干扰温度主要包括两层含义:
第一,干扰温度能定量地计算特定频带内可接受的干扰噪声水平,从而确保授权首要用户的服务质量;第二,接收机根据某一频带所规定的干扰温度的水平,确定是否允许未授权二级用户使用该频段。
本课题拟结合CR系统的应用需求、对采用干扰温度度量干扰强度的可行性进行深入论证,给出干扰温度的估计算法,以及干扰温度门限的确定方法。
(2)频谱空穴检测算法的研究
在感知无线射频环境,估计所存在的射频信号的功率谱时,可以将频率区域分为三类:
A、黑色频谱区:
这段频谱在部分时间内被高功率的干扰信号所占用。
B、灰色频谱区:
这段频谱在部分时间内被低功率的干扰信号所占用。
C、白色频谱区:
这段频谱内不存在射频干扰,只有周围环境的噪声干扰。
在已分配频段中存在着某些被闲置的白色频谱区和灰色频谱区,这些称之为频谱空穴的频谱资源为潜在的频谱使用者提供了获取频谱的机会。
为了提高频谱的利用率,充分利用频谱空穴,本课题拟结合时-频域联合分析[10]方法,研究频谱空穴的检测算法。
(3)功率控制算法的研究
对于多用户CR系统的运行机制,普遍认为大体可以分为两类,一类是基于合作的,一类是基于竞争的。
前者又有两种可能的方式:
1)基于类似于交通灯管理系统的礼仪和协议;2)基于合作的adhoc[11]网络。
最后,多用户CR系统的功控方法还有两点必须考虑的约束条件,即管理机构设置的干扰温度门限和有限频谱空穴的可用性。
综上所述,本课题组拟针对多用户CR系统的两种运行机制,分别研究相应的功率控制算法。
具体来讲,对于基于合作的CR系统,由于合作的机制可以转化为相应的约束条件或代价函数,因此功率控制问题可以归结为一个多目标优化问题,它完全可以借鉴已有的研究成果。
对于基于竞争的CR系统,可以利用多用户信息论和博弈理论[12][13]来解决功率控制的问题,本课题组将重点研究博弈理论中的无悔算法以及分布式功率控制中的迭代注水算法[14][15]。
(4)动态频谱管理算法的研究
认知无线电系统可以为很多用户同时提供服务,因此多个用户同时共享可用的无线频谱资源,但是不同用户对通信业务的需求又不尽相同。
为了能同时兼顾公平与效率,并尽可能提高系统的频谱利用率,应为CR系统建立动态模型,对动态子载波信道分配、动态比特分配以及动态传输速率调整等动态资源分配行为综合进行考虑,从而提供合理高效的动态频谱资源分配方案。
大体而言,在CR系统的动态频谱分配方案中,系统的时间资源(如时间帧)和频率资源(即子载波)并不固定属于某个用户,而是根据此时此地的无线射频环境进行动态分配。
譬如,如果CR系统能预知信源与信宿之间的无线信道特性,那么它就可以尽量避开深衰落的载波信道,将功率和数据比特合理地分配给不同用户的不同子载波信道和不同时间帧,从而优化整个系统的容量和数据吞吐量,提高频谱利用率。
(5)礼仪和协议
认知无线电礼仪是指管理射频波段、空中接口、协议以及为了规划无线频谱的使用所需的高级交换规则,包括频谱租用、对授权的传统电台后向兼容、符合优先级标准等相关内容。
A、频谱租用
频谱租用是频谱提供者通过为可租用的频道张贴“广告”标识,欲租用者可以通过类似“广告脉冲”的“兴趣脉冲”来表达自己的兴趣的过程。
B、文明补偿协议
文明补偿协议是解决认知无线电用户和传统用户如何“和平共处”问题的协议。
如果一个认知无线电用户使用了分配给传统设备空中接口的频道,那么传统的用户就可能会无法接入,通过文明补偿协议解决该类问题。
C、优先权和优先级
优先权和优先级使得认知无线电系统能够保证网络中的所有用户可以随时随地得到频谱。
现有的频谱分配特征确定了默认的频谱使用优先级。
通过频谱管理者的授权可以改变全局或局部的优先级。
(6)认知无线电实验系统的实现方案
目前CR的研究刚刚起步,很多观点还没有统一,甚至争议很大。
一个具体的实际平台可以很好的说明和验证很多问题,会对CR理论的研究和标准的确立积累丰富的成果。
因此,拟整合现有的通信技术,在软件无线电实验平台的基础上完成认知无线电实验系统方案设计、性能仿真、实际验证。
CR实验系统目标
能够在特定空间范围内、已分配的若干(连续或者不连续的)电视频道上完成自动检测频谱空穴、自适应调整载波(子载波)频率、子载波个数、发射功率、编码方式等进行通信。
系统中的电视发射机作为该实验系统的一部分,选择某一实验频道发射电视信号,CR用户要能够针对此电视信号进行检测和反应。
实验系统还可以评估CR用户对电视信号的干扰情况、CR用户受外来发射机干扰的情况,以及验证在CR用户接入CR系统过程、优先权调度过程中采用的礼仪和协议。
CR实验系统功能描述
该CR实验系统由以下几部分组成:
5个CR用户,包括1个中心用户,2个普通优先级的用户,2个高优先级的用户,实验系统结构如图1所示;为配合验证CR的基本功能,引入了一个电视信号发射机和若干电视机;另外在评估干扰状况和干扰温度等指标时,需要在实验系统的空间区域内、实验频段上通过发射机引入额外干扰,因此实验系统中还包含另一个发射机(图1中未画出)。
该CR实验系统使用的频段是西安当地闲置电视频道26、27、28频道,频谱范围从614-638MHz,共24MHz的带宽。
该系统为有中心系统,编号No.5的CR用户是中心用户。
其他CR用户通信之前从该中心用户获得必要的信息,而这些信息由其他CR用户通过预先约定好的控制信道汇报,以及中心用户的检测动态获得。
例如,No.1和No.2用户通信,首先利用控制信道,从中心用户获取当前时刻和当前位置的频谱使用情况,然后开始通信。
同样No.2用户从中心用户获得发送数据的可用频段信息,系统采用FDD双工方式,上下行信道间隔在4-16MHz之间以4的整数倍可变。
同时中心用户负责优先级管理,当更高优先级用户申请通信或者原始用户申请通信时,中心用户要保证高优先级用户有可用频段以及为CR用户分配新的频段等。
图1CR实验系统
本项目拟解决的技术难点
(1)干扰温度的评估算法
干扰温度的评估机制是一个新的管理干扰的方法,本课题拟解决以下关键问题:
第一,完成对干扰温度评估方法可行性的深入论证,给出干扰温度的估计方法。
估计干扰温度,需要获得不同频段和不同位置下的射频背景噪声,这给准确估计干扰温度带来了困难。
第二,研究干扰温度门限的确定方法,设定某一频段干扰温度门限需要考虑以下诸因素的影响:
A.服务的类型和性质(比如,公众业务的安全问题)
B.技术的发展状况
C.传播特性
D.现有设备对干扰的敏感度
这些因素给设定干扰温度门限带来了困难。
如何在干扰温度门限算法中体现上述因素的权重是本课题要解决的又一关键问题。
(2)频谱空穴检测的研究
为了进行频谱空穴检测,需要对射频环境中,认知无线电设备工作频段内的功率分布进行分析。
由于射频激励信号是确定的时变信号,其频谱随时间而变,因此要采用时-频域联合分析的办法来检测时变的频谱。
如何找到一种准确的时-频域联合分析方法来实现频谱空穴的检测,是本课题研究拟解决的关键问题。
(3)礼仪和协议
第一,文明补偿协议规定传统用户优先使用频谱,因此需要周期性的监听信道,但是频繁的监听会增大端对端的延迟,所以在解决冲突的同时,提高传输效率是要解决的首要问题。
第二,在优先级的管理上,要求电台具有从事件中推断出优先级的能力,这需要确定合适的体系结构。
(4)认知无线电实验系统的实现方案
A.加载天线设计
首先,射频和天线模块要能够适应接收宽带信号,这对射频前端的设计是一个很大的挑战。
加载天线是一种通过在天线上加载,改变天线上的电流分布,使输入阻抗的变化符合某种规律,再加上宽带匹配网络以实现宽带匹配的天线。
而在移动通信系统中,天线总是在移动载体上,且载体并非无限大接地平面。
为了考虑周围环境对天线性能的影响,采用矩量法并结合绕射理论来分析和设计天线。
B.硬件总体结构的设计和FPGA、DSP的选型
要满足系统的实时性和重配置性,需要充分发挥FPGA和DSP各自的优势,将二者很好地结合起来。
利用FPGA完成费时但适于并行计算的工作(如FFT、FIR滤波和相关运算等),利用DSP完成较为复杂的浮点计算(如除法运算、逆矩阵运算等)。
设计的硬件结构应具有通用性和可扩展性。
此外,如何将与CR技术相关的算法合理分割并交由各通道中的DSP和FPGA并行完成各自承担的部分处理,这也是系统总体实现方面的一个非常重要的挑战。
在FPGA、DSP的选型时要结合通信系统的实际情况,充分进行调研和资料查询,合理选择芯片的功能和性能,并留有一定裕量,以满足更多算法的需求。
为了加快硬件系统的实现步骤,可考虑为FPGA购买成熟的IP核(如FIR滤波器)。
C.高速并行同步多通道硬件结构的设计与实现
为保证CR系统的性能,必须实现与各天线振子对应的诸通道之间的同步高速高精度数模转换(DAC)和同步高速高精度模数转换(ADC)。
由于CR系统的瞬时处理带宽已远远超出了传统SDR所界定的范围,因此对D/A和A/D速率的要求也相应提高。
在基带电路板上如何实现更高速率的D/A和A/D,以及如何实现对通道中高速数据缓存器的存取,这些都对基带电路板的设计提出了更高的要求。
也就是说,基带电路板必须能够提供更高的总线速率、更精确的定时和同步、以及更稳定的运行环境。
由于课题组在我系“211”MIMO宽带实验平台项目的研制过程中,在基带电路板的设计和实现方面以及多通道同步D/A和A/D的实现方面都积累了很多经验,因此课题组完全有能力胜任本期课题中的高速并行同步多通道硬件结构的设计与实现任务。
本项目的主要创新点
(1)干扰温度评估机制的提出
新设备和新技术的应用导致的射频环境实时改变,以及日益增加的对射频频谱的使用需求对干扰管理机制的选择提出了更高的要求。
现有干扰管理方法已不能适应当今迅速改变的技术和射频环境。
本项目干扰温度机制的提出使得定量描述接收机收到的所有未知噪声功率(来自其他发射机和噪声源)成为可能。
相对现有干扰管理方法,干扰温度可以更精确地测量所有接收到的未知射频能量的累积干扰。
(2)频谱空穴检测的研究
本项目拟采用一种结合奇异值分解的多窗口方法(multitapermethodcombinedwithsingular-valuedecomposition,MTM-SVD)进行频谱空穴的检测。
该方法将传统的多窗口谱估计方法(multitaperspectrumestimation)推广到时变频谱的估计中。
一些传统的谱估计方法存在偏倚和方差的权衡问题,而多窗口谱估计通过采用一组彼此正交的离散椭球序列作为时域多窗口序列,可以在减小谱估计方差的同时保证估计值的偏倚性能。
作为多窗口谱估计方法针对时变频谱的扩展,MTM-SVD方法进行的时频谱估计,可以达到很好的偏倚特性,同时估计方差也因为采用了多个正交窗而得到降低,因此提高了估计的准确性。
(3)礼仪和协议
本项目将研究针对认知无线电智能感知,自适应调整参数的特性的要求,频谱租用协议可以完成频谱的高效调度;同时该协议和礼仪同时保持了对传统电台的后向兼容,提供优先级调度,并且能够实现对优先级的智能推理;为了使内部知识的交换变得容易,提出采用知识交换语言。
(4)认知无线电实验系统
本项目将研制认知无线电实验系统,作为国内第一个认知无线电实验系统,该系统能够在特定空间范围内及已分配的若干电视频道上完成自动检测频谱空穴、自适应调整载波(子载波)频率、子载波个数、发射功率及编码的方式进行通信。
该系统通过使用加载天线,使得该系统能够满足认知无线电工作在宽频带上的特性要求。
另外,本系统能够自适应的实时改变载波频率、发射功率、编码方式等,体现了认知无线电感知和自适应的特性要求。
实验系统还可以评估CR用户对电视信号的干扰情况,以及验证在CR用户接入CR系统过程、以及优先权调度过程中采用的礼仪和协议。
该系统将为我国CR理论的研究和标准的确立积累宝贵的数据和经验。
参考文献
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[14]T.M.CoverandJ.A.Thomas,ElementsofInformationTheory.NewYork:
Wiley,1991.
[15]W.Yu,“Competitionandcoope
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