認(rèn)知無(wú)線電本地頻譜感知技術(shù)研究.ppt

認(rèn)知無(wú)線電的本地頻譜感知技術(shù)研究,053122 邵偉鍵,通信現(xiàn)狀,大量的可用頻譜已被分配,天線尺寸和電磁波傳輸性質(zhì)的限制,頻譜分配機(jī)制陳舊,尋求新 的頻 譜分配 機(jī)制 并 研究新的 通信系統(tǒng),認(rèn)知 無(wú)線電 是 關(guān)鍵 技術(shù),研究現(xiàn)狀,1 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助的下一代無(wú)線通信(xG)項(xiàng)目：系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù) 2 美國(guó)Rutgers 大學(xué)winlab 實(shí)驗(yàn)室正在做一個(gè)有關(guān)認(rèn)知無(wú)線技術(shù)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：設(shè)計(jì)和建立一種靈活的高性能的認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)的模型 3 英國(guó)的移動(dòng)電信技術(shù)虛擬中心進(jìn)行自適應(yīng)射頻技術(shù)的研究：自適應(yīng)射頻技術(shù) 4 歐洲通信協(xié)會(huì)資助的DRIVE，OverDRiVE 和TRUST 項(xiàng)目主：在混合的多無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜的動(dòng)態(tài)分配和流量控制 5 國(guó)家863 計(jì)劃基金：認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中的合作及跨層設(shè)計(jì)技術(shù)、空間信號(hào)檢測(cè)和分析及QoS 保證機(jī)制等,認(rèn)知無(wú)線電,定義：“認(rèn)知無(wú)線電”是可以根據(jù)環(huán)境變化改變傳送端參數(shù)的無(wú)線電。 應(yīng)用：用于自適應(yīng)頻譜管理的工具和技術(shù)，子系統(tǒng)的研發(fā)智能天線、傳感器和接收機(jī)，自適應(yīng)調(diào)制和波形技術(shù)等。是下一代網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)使用頻譜的鍵。 意義：認(rèn)知無(wú)線電可以在沒(méi)有用戶使用授權(quán)頻段的時(shí)候使用這個(gè)頻段，極大地提高了頻譜利用率，彌補(bǔ)了固定頻譜分配的缺陷，正是下一代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。,認(rèn)知無(wú)線電的特性與功能： 特性： 認(rèn)知能力：認(rèn)知能力就是從環(huán)境中獲取感知信息的能力。用復(fù)雜的技術(shù)獲得環(huán)境瞬時(shí)的空間的變量并避免對(duì)其他用戶的干擾。 重置能力：認(rèn)知能力感知頻譜，而重置能力則使無(wú)線電可以動(dòng)態(tài)的配置硬件參數(shù)。使其可以在不同的頻率上發(fā)送和接收，還可以使用由硬件設(shè)備支持的不同傳送接入,認(rèn)知無(wú)線電的功能,四大功能,頻譜感知：判斷哪些頻譜是可用的，并探測(cè)當(dāng)用戶工作 在一個(gè)已授權(quán)的頻段上時(shí)是否存在授權(quán)用戶,頻譜管理：選擇最優(yōu)的可用信道使用,頻譜共享：調(diào)整與其他用戶的信道接入，為幾個(gè)xG 用戶 提供適當(dāng)?shù)念l譜安排方法,頻譜移動(dòng)：在檢測(cè)到授權(quán)用戶時(shí)空出信道，遷移到其他的 頻段上,頻譜感知,通常在接收端進(jìn)行干擾溫度的測(cè)量，并搜尋“頻譜空洞”，將獲得的信息通過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的 反饋信道傳送至發(fā)送端，并據(jù)此進(jìn)行發(fā)射功率控制處理和動(dòng)態(tài)頻譜管理.不僅僅在“頻譜 空洞”的搜尋和判定中起關(guān)鍵作用，而且在系統(tǒng)的通信過(guò)程中，它還需要負(fù)責(zé)頻譜狀態(tài) 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).為高層的頻譜管理提供輔助。比較準(zhǔn)確地判定射頻信號(hào)碰撞事件，使認(rèn)知 無(wú)線電系統(tǒng)能夠盡快進(jìn)行主動(dòng)退避，避免過(guò)多地影響原有授權(quán)用戶的通信。,頻譜感知的分類,關(guān)鍵字：頻譜空洞，干擾溫度，TInt = (N + I ) /(KB),影響頻譜空洞感知的因素,1，環(huán)境因素（無(wú)線信道） A 路徑損耗，接收到信號(hào)功率會(huì)隨著接收端和發(fā)送端之間的距離而減小。 B 陰影，會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的功率的波動(dòng)，從而導(dǎo)致覆蓋漏洞。 2，專屬地區(qū)：專屬地帶是指頻段空閑并可以被待服務(wù)用戶使用的地區(qū)。 A主用戶正巧在專屬地帶以外，此時(shí)頻譜空洞的識(shí)別不應(yīng)該對(duì)主用戶的干擾敏感。 B在聯(lián)合傳播網(wǎng)絡(luò)上的無(wú)線傳播，在很低的傳送功率上工作。動(dòng)態(tài)的頻譜管理算法必 須可以處理微弱的無(wú)線傳播。 3，將來(lái)使用的預(yù)期容量：在特定地理位置和特定時(shí)間檢測(cè)頻譜空洞只適用于那個(gè)特定的時(shí)間。 A持續(xù)監(jiān)控可能的頻譜空洞。 B處理主用戶可能性的多種頻譜路徑需要一種頻率自己使用。,頻譜感知的物理結(jié)構(gòu),認(rèn)知無(wú)線電發(fā)送接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成有前端和基帶處理部分。每個(gè)部分都可以隨著 時(shí)變的RF環(huán)境重新配置。 RF前端：接收到的信號(hào)被放大混頻并A/D轉(zhuǎn)換。 基帶處理部分：信號(hào)被調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼。,匹配濾波器檢測(cè)法,適用范圍：對(duì)授權(quán)用戶信息比較了解的頻譜環(huán)境當(dāng)中，例如超高頻的電視頻段、有同步信道的CDMA系統(tǒng)等等。 檢測(cè)原理： 濾波器輸出由輸出信號(hào)和輸出噪聲兩部分組成， 將輸出y(t)與門限作比較，y(t)則判決有信號(hào)。,特點(diǎn)： 匹配濾波器法的最大特點(diǎn)就是輸出的信噪比達(dá)到最大，從而使錯(cuò)誤判決概率達(dá)到最小。 性能分析： 優(yōu)點(diǎn)：可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成同步而提高信號(hào)的處理增益； 缺點(diǎn)：要求認(rèn)知用戶掌握每一類授權(quán)用戶的各種信息。,能量檢測(cè)法,適用范圍：由于只關(guān)心信號(hào)的能量，所以適用于各種形式的確定信號(hào)。 檢測(cè)原理：能量檢測(cè)器由平方器件和有限時(shí)間積分器組成 在特定的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量輸入信號(hào)的能量。 有限時(shí)間積分器的輸出就是輸入信號(hào)時(shí)間間隔內(nèi)的能量，并與比較門限進(jìn)行比較。若大于則判別有信號(hào)的存在，反之則判定沒(méi)有信號(hào)。,特點(diǎn)：能量檢測(cè)法和頻譜分析相似，只要能從功率譜圖中清晰的得到信號(hào)的譜圖，即說(shuō)明能量檢測(cè)法可正常的進(jìn)行頻譜感知。 根據(jù)檢測(cè)概率和錯(cuò)誤概率的公式，可得出接收端工作特性ROC圖如下：設(shè)m=5,在不同的信噪比下，做出Pd和Pf的關(guān)系圖。,注意：,性能分析： 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)比較成熟，可靠性較高而且實(shí)施起 來(lái)比較簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：1，比較門限較難設(shè)定。2，當(dāng)信號(hào)極弱時(shí)，會(huì)出現(xiàn)三者混淆的情況。3，只能判定信號(hào)是否存在而不能區(qū)分信號(hào)類型,門限： 門限的設(shè)定非常重要。當(dāng)增大時(shí)，檢測(cè)概率Pd和錯(cuò)誤概率Pf都會(huì)減小。相比于其他 情況的參數(shù)設(shè)置，要達(dá)到適當(dāng)?shù)奶岣逷d的效果，即在設(shè)定門限時(shí)，適當(dāng)?shù)慕档烷T限 ，犧牲一定的頻譜利用率來(lái)保證主用戶的正常通信環(huán)境。 觀察時(shí)間間隔T： 1，計(jì)算時(shí)間，頻譜感知要求對(duì)環(huán)境達(dá)到實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，因此時(shí)間T不宜過(guò)長(zhǎng) 2，判決準(zhǔn)確度，信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性在瞬時(shí)并不確定，只有在適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才能看出， 因此要保證較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)增加判決的準(zhǔn)確度，從這個(gè)角度來(lái)看，T應(yīng)該盡可能的長(zhǎng)。,循環(huán)平穩(wěn)特性檢測(cè)法,適用范圍：具有二階周期特性或循環(huán)平穩(wěn)特性的信號(hào)。 檢測(cè)原理：調(diào)制信號(hào)的特點(diǎn)是循環(huán)平穩(wěn)的，這些特性都是周期性的。接收端可以獲得一些參數(shù)，比如載波相位、脈沖同步或是接收方向。由于周期性又會(huì)引起頻譜冗余。 Sx( f)為循環(huán)譜密度函數(shù)(CSD)，簡(jiǎn)稱為循環(huán)譜，由上式可知它等于u(t)，v(t)的互譜密度SUV( f)。 循環(huán)譜函數(shù)是關(guān)于f 和的函數(shù)，可得到一個(gè)三維圖形。只要在0的譜頻率分量上存在譜函數(shù)，即可判定信號(hào)的存在。,性能分析： 優(yōu)點(diǎn)：能檢測(cè)到調(diào)制類型，符號(hào)速率和是否存在擾。 缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜，對(duì)計(jì)算時(shí)間要求較高。 檢測(cè)性能會(huì)隨著多徑和陰影衰落引起的接收信號(hào)強(qiáng)度的減弱而降低 仿真：在信號(hào)的循環(huán)頻率處會(huì)有較高的譜，即可理解為在循環(huán)頻率軸方向的譜峰，由此可檢測(cè)出信號(hào)的循環(huán)頻率,下圖表示在10DB情況下，信號(hào)的循 環(huán)平穩(wěn)特性。而且在=0處循環(huán)譜 最大，在其他0處較小，可以看 出信號(hào)只在循環(huán)頻率處有譜峰值。,載波提取法,適用范圍：需預(yù)先知道授權(quán)用戶的一些信息 檢測(cè)原理：大多數(shù)的信號(hào)都需要調(diào)制到載波上再傳輸，每個(gè)信號(hào)里都會(huì)有載波存在。信號(hào)處理判決的輸入都有載頻信號(hào)的存在，因此如果能夠在接收端檢測(cè)到載波的存在，就是檢測(cè)到存在信號(hào)。,把輸出結(jié)果與門限進(jìn)行比較，大于門限則判決有信號(hào)。在理想情況下，輸出應(yīng)該為1。門限應(yīng)該是略小于1的值。 性能分析：檢測(cè)性能會(huì)隨著多徑和陰影衰落引起的接收信號(hào)強(qiáng)度的減弱而降低，載波提取方法也需要預(yù)先知道發(fā)送信號(hào)的一些信息。,幾種方法的分析和比較,在仿真中，所用的信號(hào)類型是MSK信號(hào)，噪聲是高斯白噪聲。 仿真參數(shù)是：截短總時(shí)間T=256us，系統(tǒng)帶寬Bs=64MHz，抽樣速率Fs=128 MHz，MSK調(diào)制頻Fc=16/Ts=32 MHz。 -20DB信噪比,信號(hào)的功率譜圖,可以看出在低信噪比情況下信號(hào)的功率譜已經(jīng)隱藏在噪聲中，能量檢測(cè)器已經(jīng)不能正常工作了。 在同等參數(shù)的情況下，在循環(huán)頻率2fc上的循環(huán)譜圖，可以看出在低信噪比情況下噪聲的影響很小，循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)器的工作性能依然優(yōu)異。如下圖：,以上仿真信號(hào)功率相同，信噪比時(shí)-20DB的情況下，只有噪聲輸入情況下載波提取法的輸出。假設(shè)以0.9作為載波提取法的比較門限，由圖可以看出在噪聲很大的情況下也不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)判。 仿真參數(shù)是：截短總時(shí)間T=32ms，系統(tǒng)帶寬Bs=16MHz，抽樣速率Fs=32 MHz。如右圖：,由上面分析可知： 循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法和載波提取法的性能優(yōu)異， 即使在低信噪比下也能正常地工作。相比之 下，能量檢測(cè)法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是在低信噪 比下就不能滿足頻譜感知的要求了。,本地感知的弊端,弊端： 1，缺乏主發(fā)送端信息，信號(hào)的本地感知不可避免地受到干擾。 2，在陰影衰落、多徑衰落、或是室內(nèi)的穿透損耗很大的情況下，很近距離內(nèi)的主用戶也有可能檢測(cè)到。 因此認(rèn)知無(wú)線電靈敏度應(yīng)該比主用戶接收端的高很多來(lái)避免隱性終端問(wèn)題,解決方案,1，在本地感知的范圍內(nèi)，改進(jìn)本地感知的方法。例如：改進(jìn)能量檢測(cè)法的方案：雙門限法。 2，在本地感知的基礎(chǔ)上提出聯(lián)合感知的概