軟件無線電原理與應用第3版 課件 【ch09】軟件無線電的新發(fā)展-認知無線電

軟件無線電原理與應用（第三版）軟件無線電的新發(fā)展——認知無線電第九章高等學校電子信息類精品教材01認知無線電基本概念認知無線電基本概念01認知無線電的提出背景隨著無線通信的快速發(fā)展，人們越來越清楚地認識到無線電頻譜是一種有限而又寶貴的自然資源，甚至是一種重要的戰(zhàn)略資源。它應該在無線通信領域得到合理、有效、經(jīng)濟的利用，發(fā)揮其最大價值。認知無線電基本概念01認知無線電的定義及特點不同研究人員對認知無線電的定義會有所不同。認知無線電概念的提出者J.Mitola對認知無線電的定義是“認知無線電是一種采用基于模型的推理來達到無線電相關域中特定級別的能力的無線電"。認知無線電基本概念01認知無線電的定義及特點認知無線電系統(tǒng)是一個由分布式認知無線電節(jié)點組成的網(wǎng)絡，組網(wǎng)可以促進認知節(jié)點之間的交互，通過多點感知提供對環(huán)境更深刻、更全面的認識，實現(xiàn)在時、頻、空三維空間對無線電頻譜更為精確的感知。認知無線電基本概念01認知無線電關鍵技術(1)準確、快速的頻譜感知技術認知無線電必須有檢測非協(xié)同信號的能力，通過在整個可利用頻段不斷進行頻譜檢測，動態(tài)地發(fā)現(xiàn)和利用空閑頻譜資源。(2)多頻段、可重構的認知無線電通用平臺認知無線電要能工作于多個頻段，能適合各種無線信道，能根據(jù)無線信道特征，對信號參數(shù)、波形等實現(xiàn)自適應配置。認知無線電基本概念01認知無線電關鍵技術(3)輻射功率小、抗干擾能力強的信號形式為防止認知無線電發(fā)射的信號對其他用戶產(chǎn)生干擾，在保證可靠通信的前提下，盡量發(fā)射較小的功率。目前大家認為超寬帶(UWB)或OFDM是一種比較合適的認知通信波形。(4)認知無線電的認知協(xié)議收發(fā)雙方由于所在的位置不同，其所處的電磁環(huán)境也不一樣，空閑信道可能不盡相同；即使空閑信道存在，可能同時有多個。02認知無線電的認知循環(huán)過程認知無線電的認知循環(huán)過程02頻譜感知頻譜感知為認知無線網(wǎng)絡提供環(huán)境信息和決策依據(jù)，是提高頻譜利用效率、改善無線信道傳輸條件、網(wǎng)絡智能化、消除各種干擾(包括有意干擾、無意干擾)、有效進行頻譜資源管理的基礎。認知無線電的認知循環(huán)過程02頻譜分析通過網(wǎng)絡化的頻譜感知，可以發(fā)現(xiàn)在某個時段存在的“頻譜空穴”,這些可用“頻譜空穴”分布在授權頻段和非授權頻段上較寬的頻率范圍內，其頻率、帶寬、底部噪聲、使用時刻等各不相同。認知無線電頻譜分析主要完成對“頻譜空穴”特征的分析，如“空穴”所占的帶寬、“空穴”的干擾或噪聲電平、“空穴”的時間分布特性等。認知無線電的認知循環(huán)過程02頻譜決策頻譜決策在頻譜分析基礎上，選擇一組合適的“頻譜空穴”,確定通信體制和通信參數(shù)，以適應無線環(huán)境需求、監(jiān)管政策要求、用戶服務質量(QoS)需求以及認知無線電平臺自身硬件條件。認知無線電的認知循環(huán)過程02頻譜會聚頻譜會聚是指所確定的通信參數(shù)，建立發(fā)射機與接收機之間的通信鏈路，完成發(fā)射機與接收機的初始握手。目前較為典型的頻譜會聚方法依賴于一條可用的公共控制信道，該信道對所有認知節(jié)點均為可用，控制信息在該信道上交互。IEEE802.22采用的就是這種方法。認知無線電的認知循環(huán)過程02頻譜監(jiān)視頻譜監(jiān)視即帶內感知，是指建立通信后，對通信信道進行的“在線”檢測。頻譜監(jiān)視是保證認知無線電的通信不對主用戶造成有害干擾的重要過程，也是保證認知無線電在通信過程中不經(jīng)受其他干擾的重要措施。認知無線電的認知循環(huán)過程02頻譜切換當帶內感知到主用戶信號時，認知無線電必須改變其工作頻率，尋找另一個“頻譜空穴”繼續(xù)通信，此過程即為頻譜切換。03頻譜感知技術頻譜感知技術03接收機檢測頻譜感知檢測頻譜空穴最有效的方法就是檢測在認知無線電通信范圍以內是否有主用戶在接收數(shù)據(jù)。一種接收機檢測方法是利用接收機的本地振蕩器泄露來直接檢測主接收機。另一種接收機檢測方法是檢測主用戶接收機處的干擾溫度。頻譜感知技術03發(fā)射機檢測頻譜感知1.匹配濾波法當認知用戶知道授權用戶信號的先驗信息(調制類型、脈沖整形、幀格式等)時，檢測的最優(yōu)選擇是匹配濾波器，它能使得信噪比最大化。頻譜感知技術03發(fā)射機檢測頻譜感知2.基于波形的檢測方法為便于同步或其他目的，無線系統(tǒng)通常會使用一些已知的模式。頻譜感知技術03發(fā)射機檢測頻譜感知3.能量檢測方法當認知用戶不知道主用戶信號信息的時候，能量檢測方法比較適合。頻譜感知技術03發(fā)射機檢測頻譜感知4.循環(huán)平穩(wěn)特征檢測方法經(jīng)過調制的定頻信號一般都是對正弦載波信號進行幅度、相位、頻率的調制，對周期脈沖信號進行脈幅、脈寬、脈位調制，跳頻信號有跳頻頻率集、跳頻序列，擴頻信號有偽碼，OFDM信號有循環(huán)前綴等，這些特征的存在使得這些信號有內在的周期性。頻譜感知技術03協(xié)作頻譜感知單個認知無線電的感知能力(接收靈敏度、作用距離、檢測帶寬等)有限，在對主用戶信號進行探測時，由于存在遮擋、衰落等原因，勢必會出現(xiàn)“隱藏終端”問題，因此需要利用其他受陰影和衰落影響較小的認知節(jié)點的感知結果，從而提高檢測性能。而且認知無線電通信雙方、多方由于地理環(huán)境等原因，所處的電磁環(huán)境并不盡相同，需要通過多個認知無線電臺的協(xié)同工作，才能實現(xiàn)較寬頻率范圍、較大作用距離、較高效率的感知。頻譜感知技術03多維頻譜感知目前"頻譜空穴"僅考慮了頻譜空間的頻率、時間和空間三個維度。頻譜感知技術03多維頻譜感知04IEEE802.22標準IEEE802.22標準04物理層接口在IEEE802.22協(xié)議中，物理層的上下鏈路都采用OFDMA調制體制。由于用戶端距離基站的距離各不相同，因此，信噪比也不盡相同，基站為了提高系統(tǒng)效率，能對每個用戶端設備的帶寬、調制方式和編碼方式等進行調整。IEEE802.22標準04MAC層接口為能對無線電環(huán)境作出及時反應，MAC層需要具有高度的動態(tài)性能。除了能提供媒體接入控制、魯棒數(shù)據(jù)傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)的MAC服務之外，還要能提供一整套全新的機制來保證系統(tǒng)在TV頻段內有效工作，比如，分布式頻譜感知、頻譜資源共享等。IEEE802.22