51-認(rèn)知無線電技術(shù)1課件

第五章認(rèn)知無線電技術(shù)王軍選wangjx@2014.51第五章認(rèn)知無線電技術(shù)1整體概述THEFIRSTPARTOFTHEOVERALLOVERVIEW,PLEASESUMMARIZETHECONTENT第一部分整體概述第一部分內(nèi)容提要認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜感知技術(shù)3內(nèi)容提要認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念3認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念我國頻譜劃分圖

頻譜資源緊張，很多國家差不多已經(jīng)將可用頻譜資源分配完畢。留給新系統(tǒng)、業(yè)務(wù)和技術(shù)的頻譜很少甚至沒有頻譜可分配4認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念我國頻譜劃分圖頻譜資源認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念5認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念5認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念無線電波傳輸特性低頻段繞射能力強(qiáng)，傳播特性好，傳輸距離遠(yuǎn)，但設(shè)備器件尤其是天線尺寸較大高頻段以視距傳輸為主要傳播方式，同等傳播條件下相對(duì)低頻段路徑損耗更大，天線等設(shè)備尺寸較小。

——各業(yè)務(wù)各有其“黃金頻段”6認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念無線電波傳輸特性6認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念1GHz以下頻率劃分現(xiàn)狀目前我國1GHz以下已經(jīng)分配殆盡無線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)：825-835MHz和870-960MHz頻段，其余主要分配給對(duì)講機(jī)業(yè)務(wù)和電視廣播業(yè)務(wù)。無法支持IMT-Advanced系統(tǒng)的高速率的移動(dòng)業(yè)務(wù)需求。7認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念1GHz以下頻率劃分現(xiàn)狀7認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念現(xiàn)代頻譜需求移動(dòng)通信寬帶化物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)RFID……3G1G2GAMPSTACSGSMcdmaOneWCDMAcdma2000TD-SCDMAE3GLTEAIE/UMBWLAN數(shù)據(jù)速率和帶寬需求不斷增加802.11/WiFiBWA802.16/WiMAX3G+HSDPAHSUPA1xEV-DO1xEV-DV移動(dòng)性增強(qiáng)201520102005200019951985時(shí)間802.16mIMT-Advanced4G8認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念現(xiàn)代頻譜需求3G1G2GAMPS認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念移動(dòng)通信業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)頻段－－“數(shù)字紅利頻段”數(shù)字紅利頻段（DigitalDividendBand）：模擬電視轉(zhuǎn)換成數(shù)字電視后所空出的470-862MHz頻段。較低頻段可實(shí)現(xiàn)更佳的覆蓋和樓內(nèi)穿透性，因此，“數(shù)字紅利”被全球運(yùn)營商視為“黃金頻段”。9認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念移動(dòng)通信業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)頻段－－“470MHz~806MHz模擬/數(shù)字電視廣播頻段使用情況北京某熱點(diǎn)地區(qū)實(shí)際頻道占用情況頻譜圖瀑布圖占用度認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念10470MHz~806MHz模擬/數(shù)字電視廣播頻段使用情況頻譜北京某郊區(qū)實(shí)際頻道占用情況頻譜圖瀑布圖占用度認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念11北京某郊區(qū)實(shí)際頻道占用情況頻譜圖瀑布圖占用度認(rèn)知無線電的發(fā)展各類地區(qū)按時(shí)間占用比率計(jì)算的頻段占用度情況認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念12各類地區(qū)按時(shí)間占用比率計(jì)算的頻段占用度情況認(rèn)知無線電的發(fā)展背如何發(fā)展頻譜智能高效利用技術(shù)來解決未來無線通信頻譜需求的瓶頸？信號(hào)處理技術(shù)極大提高了無線系統(tǒng)在接入使用時(shí)的頻譜利用率；但仍未解決頻譜資源未被使用時(shí)造成空洞浪費(fèi)的問題是否可以考慮在授權(quán)頻段閑置時(shí)允許其他無線業(yè)務(wù)用戶接入？如果可以，需要滿足什么條件？認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念13如何發(fā)展頻譜智能高效利用技術(shù)來解決未來無線通信頻譜需求的瓶頸認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念1999年JosephMitola提出了認(rèn)知無線電CR（CognitiveRadio）技術(shù)核心：頻譜準(zhǔn)入政策允許授權(quán)頻段在閑置時(shí)被其他業(yè)務(wù)用戶接入——?jiǎng)討B(tài)頻譜分配政策14認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念1999年JosephMito認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念認(rèn)知無線電系統(tǒng)定義（ITU-RSM.2152報(bào)告書）“Cognitiveradiosystem(CRS)isaradiosystememployingtechnologythatallowsthesystemtoobtainknowledgeofitsoperationalandgeographicalenvironment,establishedpoliciesanditsinternalstate;todynamicallyandautonomouslyadjustitsoperationalparametersandprotocolsaccordingtoitsobtainedknowledgeinordertoachievepredefinedobjectives;andtolearnfromtheresultsobtained.”允許系統(tǒng)獲取周圍的工作和地理環(huán)境信息、已建立的通信策略及其內(nèi)部狀態(tài)；依據(jù)獲取的信息，動(dòng)態(tài)的和自主的調(diào)整工作參數(shù)和協(xié)議來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)；并從獲取的結(jié)果來自我學(xué)習(xí)。15認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念認(rèn)知無線電系統(tǒng)定義（ITU-R認(rèn)知無線電（CR）頻譜感知（無線電監(jiān)測(cè)）“獲取周圍的工作和地理環(huán)境信息已建立的通信策略及其內(nèi)部狀態(tài)”動(dòng)態(tài)頻譜管理分配和選擇合適的工作參數(shù)和協(xié)議軟件無線電（SDR）“動(dòng)態(tài)的和自主的調(diào)整工作參數(shù)和協(xié)議來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)”無線電信號(hào)的四域特性：時(shí)、空、頻、碼，認(rèn)知無線電同時(shí)從四域感知頻譜空洞，并動(dòng)態(tài)的和自主的調(diào)節(jié)自身參數(shù)。SDR具有相當(dāng)?shù)撵`活性，但與CR相比缺乏一定的智能CR的實(shí)現(xiàn)不一定需要SDR支持，但如果借助于SDR，則CR會(huì)具有更多潛在的優(yōu)勢(shì)認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念16認(rèn)知無線電（CR）認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念16JosephMitola：提出RKRL語言、感知循環(huán)等術(shù)語FCC：感知能力，識(shí)別捕獲無線電環(huán)境的時(shí)空變量；選擇最好的頻譜和最合適的操作參數(shù)；SimonHaykin和Thomas：強(qiáng)調(diào)可重配置能力(自適應(yīng)性)即指無線電根據(jù)無線環(huán)境變化動(dòng)態(tài)編程的能力；認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念17JosephMitola：提出RKRL語言、感知循環(huán)等術(shù)語內(nèi)容提要認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜感知技術(shù)18內(nèi)容提要認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念18認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)

基本原理CR設(shè)備對(duì)周圍環(huán)境感知、探測(cè)、分析，這種探測(cè)和感知是全方位的，應(yīng)對(duì)地形、氣象等綜合信息也有所了解。由此圖也可得出，CR是高智能設(shè)備，應(yīng)包含一個(gè)智能收發(fā)器。有了足夠的人工智能，它就能吸取過去的經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行響應(yīng)，過去的經(jīng)驗(yàn)包括對(duì)死區(qū)、干擾和使用模式等的了解。它的學(xué)習(xí)能力是使它從概念走向應(yīng)用的真正原因。19認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)

基本原理19認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)SimonHaykin提出的認(rèn)知環(huán)20認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)SimonHaykin提出認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)頻譜感知匹配濾波器法能量檢測(cè)法循環(huán)平衡特定檢測(cè)法自適應(yīng)傳輸技術(shù)（自適應(yīng)功率控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)）OFDMUWB頻譜管理（自適應(yīng)頻譜資源分配技術(shù)）目前各種基于CR的頻譜管理思想和管理規(guī)則仍在研究之中21認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)21CognitiveRadio自適應(yīng)頻譜分配技術(shù)動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)

頻譜分析技術(shù)頻譜感知

功率控制關(guān)鍵技術(shù)22CognitiveRadio自適應(yīng)頻譜認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)頻譜感知技術(shù)是指認(rèn)知用戶通過各種信號(hào)檢測(cè)和處理手段來獲取無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息。從無線網(wǎng)絡(luò)的功能分層角度看，頻譜感知技術(shù)主要涉及物理層和鏈路層，其中物理層主要關(guān)注各種具體的本地檢測(cè)算法，而鏈路層主要關(guān)注用戶間的協(xié)作以及對(duì)感知機(jī)制的控制與優(yōu)化。

23認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)頻譜感知技術(shù)是指認(rèn)知用戶通過各頻譜感知是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的基本功能,是實(shí)現(xiàn)頻譜管理﹑頻譜共享的前提。CR中的頻譜感知包含兩個(gè)方面：帶內(nèi)檢測(cè)帶外檢測(cè)從用戶工作時(shí)必須頻繁對(duì)當(dāng)前工作頻段和其他頻段進(jìn)行感知操作。對(duì)當(dāng)前工作頻段感知的目的是檢測(cè)是否出現(xiàn)主用戶。當(dāng)出現(xiàn)主用戶時(shí)進(jìn)行快速的規(guī)避，放棄對(duì)當(dāng)前工作頻段的占用，避免對(duì)主用戶形成干擾。對(duì)其他頻段感知的目的是對(duì)周圍其他頻段的頻譜使用狀況進(jìn)行測(cè)量。一方面在當(dāng)前工作頻段不可用時(shí)，可以及時(shí)切換到其他可用的工作頻段，另一方面，可以利用新的可用頻譜資源擴(kuò)展工作頻段，從而提高傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)的容量。認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)24頻譜感知是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的基本功能,是實(shí)現(xiàn)頻譜管理﹑頻譜共享頻譜感知的方式一般包括：發(fā)射源檢測(cè)，合作檢測(cè)和干擾檢測(cè)等。如下圖所示：認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)25頻譜感知的方式一般包括：發(fā)射源檢測(cè)，合作檢測(cè)和干擾檢測(cè)等。如發(fā)射源檢測(cè)技術(shù)比較1匹配濾波器檢測(cè)

所謂匹配濾波器是指輸出信噪比最大的最佳線性濾波器。優(yōu)點(diǎn)：接收信噪比最大化，由于相關(guān)運(yùn)算耗時(shí)較少且可達(dá)到較高的處理增益，因此只要信噪比達(dá)到一定的門限即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。缺點(diǎn)：需要主用戶在物理和MAC層的先驗(yàn)知識(shí)，解調(diào)信號(hào)需要同步相干檢測(cè)，計(jì)算較復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)于每個(gè)特定的主用戶需要一個(gè)專用的接收機(jī)。匹配濾波法只能應(yīng)用于對(duì)授權(quán)用戶信息比較了解的頻譜環(huán)境當(dāng)中，當(dāng)不能預(yù)先知曉主信號(hào)的信息時(shí)無法采用該檢測(cè)方法。26發(fā)射源檢測(cè)技術(shù)比較1匹配濾波器檢測(cè)262能量檢測(cè)能量檢測(cè)法是一種比較簡單的信號(hào)檢測(cè)方法，屬于信號(hào)的非相干檢測(cè)，直接對(duì)時(shí)域信號(hào)采樣值求模，然后平方即可得到；或利用FFT轉(zhuǎn)換到頻域，然后對(duì)頻域信號(hào)求模平方也可得到。它無需知道檢測(cè)信號(hào)的任何先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)信號(hào)類型也不作限制。優(yōu)點(diǎn)：非相干檢測(cè)，簡單易用，提高了SNR，是目前最主要的檢測(cè)主用戶的手段。不需要知道信號(hào)的先驗(yàn)信息，在實(shí)現(xiàn)上也非常簡單。缺點(diǎn)：性能容易受到噪聲功率不確定性的影響；無法區(qū)分調(diào)制信號(hào),干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)，即使門限值可以自適應(yīng)設(shè)定，對(duì)于帶內(nèi)干擾，它仍會(huì)產(chǎn)生誤判，而且無法利用干擾對(duì)消；在低信噪比的情況下，信號(hào)淹沒在噪聲中，用能量檢測(cè)法的局限性很大；不能用于擴(kuò)頻信號(hào)(包括直接序列擴(kuò)頻和調(diào)頻信號(hào))的檢測(cè)。發(fā)射源檢測(cè)技術(shù)比較272能量檢測(cè)發(fā)射源檢測(cè)技術(shù)比較273周期平穩(wěn)過程特征檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)冗余的突出特征使得信號(hào)有了選擇的余地?？乖肼曅阅芎?，不受噪聲功率不確定性因素的影響。循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)比能量檢測(cè)有更好的魯棒性。缺點(diǎn)：計(jì)算量大，需要很長的觀察時(shí)間。發(fā)射源檢測(cè)技術(shù)比較28發(fā)射源檢測(cè)技術(shù)比較28發(fā)射源檢測(cè)技術(shù)比較

檢測(cè)算法適用范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)匹配濾波算法認(rèn)知用戶知道主用戶的信息檢測(cè)時(shí)間短需要先驗(yàn)信息，需要精準(zhǔn)同步能量檢測(cè)認(rèn)知用戶不知道主用戶的信息實(shí)現(xiàn)簡單，不需要先驗(yàn)信息對(duì)噪聲不確定性敏感，檢測(cè)時(shí)間較長，不能區(qū)分信號(hào)類型周期特性檢測(cè)主用戶信號(hào)具有周期平穩(wěn)特性

可以區(qū)分噪聲和信號(hào)類型，以及干擾，檢測(cè)靈敏度高計(jì)算復(fù)雜度高29發(fā)射源檢測(cè)技術(shù)比較

檢測(cè)算法適用范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)匹配濾波算法認(rèn)知內(nèi)容提要認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜感知技術(shù)30內(nèi)容提要認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念30隨著認(rèn)知無線電的發(fā)展和深入研究，Motorola及VirginiaTech等公司提出了無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)）的概念，他們認(rèn)為無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是一種具有認(rèn)知能力的網(wǎng)絡(luò)，能夠感知網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀況，并根據(jù)當(dāng)前的狀況來計(jì)劃、決定并行動(dòng)，也就是說可以自我配置來響應(yīng)和動(dòng)態(tài)自適應(yīng)操作和環(huán)境的改變。自我配置的主要功能組成是自我意識(shí)和自動(dòng)學(xué)習(xí)，通過具有網(wǎng)絡(luò)意識(shí)的中間件和網(wǎng)絡(luò)各組成部分分布式交叉來實(shí)現(xiàn)。無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能最大化操作者的能力。認(rèn)知無線電作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)成智能的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的核心。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)31認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)31采用認(rèn)知無線電技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，由于其獨(dú)特的頻譜復(fù)用性和巨大的覆蓋范圍，呈現(xiàn)出一些不同于以往傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：在多系統(tǒng)共存條件下，分配無線資源。

用戶間的鏈接需要進(jìn)行有效的控制和管理，同時(shí)滿足延遲和帶寬要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度。在數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素：與交疊的認(rèn)知無線電小區(qū)的共存、業(yè)務(wù)流對(duì)應(yīng)的調(diào)度業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量(QoS)參數(shù)值、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退峙涞膸捜萘俊?/p>

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)32采用認(rèn)知無線電技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，由于其獨(dú)特的頻譜復(fù)用性和系統(tǒng)應(yīng)該具有多信道支持能力。中心控制器在需要情況下應(yīng)該能夠?qū)⒍鄠€(gè)鄰近頻道進(jìn)行聚合處理以改善系統(tǒng)性能，支持更多的用戶使用并占據(jù)更廣的覆蓋面。它可以在一些控制幀中指示用戶終端哪些信道可以聚合成組以供使用，而用戶則可以相應(yīng)地采用多信道模式工作。中心控制器要具有能夠處理跨越多個(gè)子信道的上下行傳輸能力，并且隨著信道數(shù)量變化及時(shí)調(diào)整調(diào)度工作。信道分組使用同時(shí)也提高了帶寬利用率。主用戶檢測(cè)程序和分布式感知能力為多信道操作的可行性提供了保證。33系統(tǒng)應(yīng)該具有多信道支持能力。33系統(tǒng)面臨共存問題。

共存問題包括兩個(gè)層次：一是對(duì)主用戶系統(tǒng)的干擾問題；二是對(duì)于重疊區(qū)、部分重疊區(qū)內(nèi)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的共存問題。為避免對(duì)主用戶的干擾，分布式頻譜感知、測(cè)量、檢測(cè)算法以及頻譜管理等認(rèn)知無線電技術(shù)所特有的功能都必須加以考慮?，F(xiàn)實(shí)中，作為覆蓋范圍巨大的多個(gè)認(rèn)知無線電小區(qū)之間很有可能會(huì)發(fā)生部分重疊，最壞情況下甚至完全重疊。由此引發(fā)的自干擾問題如果不能得到解決，將會(huì)嚴(yán)重影響認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)工作。

34系統(tǒng)面臨共存問題。34

認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化。。美國的CORVUS系統(tǒng)，基于IEEE802.22的無線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；協(xié)議體系有CORVUS協(xié)議體系，軍用的XG系統(tǒng)協(xié)議及WRAN協(xié)議等。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)-體系結(jié)構(gòu)35

認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境，并使1CORVUS系統(tǒng)

早在2004年美國加州大學(xué)伯克立分校的Brodersen教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組就提出了基于認(rèn)知無線電方式使用虛擬非授權(quán)頻譜的CORVUS體系結(jié)構(gòu)。在CORVUS系統(tǒng)中，由多個(gè)次用戶(SU)組成次用戶組(SUG)。同一個(gè)SUG中的節(jié)點(diǎn)可以彼此間以Adhoc方式通信，或者通過專用接入節(jié)點(diǎn)訪問骨干網(wǎng)絡(luò)(比如Internet)。不同SUG中的SU是不能直接通信的。假設(shè)在對(duì)等SU或者SU與接入點(diǎn)(AP)間只存在單播通信，不支持廣播，那么對(duì)等SU或SU與AP的通信允許分布式或集中式的組織方式。

CORVUS系統(tǒng)將SU面對(duì)的業(yè)務(wù)流形式主要?jiǎng)澐譃?種類型：Web式和Adhoc網(wǎng)絡(luò)式。對(duì)應(yīng)于Web式，SU主要工作類似Internet接入，需要一個(gè)類似基站或者訪問點(diǎn)的存在來提供接入服務(wù)，因此會(huì)采用集中式控制。而Adhoc網(wǎng)絡(luò)式主要工作是節(jié)點(diǎn)彼此間進(jìn)行的通信，采用分布式控制即可。

361CORVUS系統(tǒng)

早在2004年美國加州大學(xué)伯克立CORVUS的協(xié)議體系

CORVUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)基于通用的OSI/ISO協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，如圖1所示。從這個(gè)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)可以看到，主要涉及了物理層與鏈路層。

在物理層中，與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊包括：頻譜感知、信道估計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。系統(tǒng)內(nèi)SU間的控制和感知信息是通過兩個(gè)專用邏輯信道通用控制信道(UCC)和組控制信道(GCC)來實(shí)現(xiàn)傳送。UCC是系統(tǒng)唯一的公用控制信道，每個(gè)SU預(yù)先知道。每個(gè)SUG擁有一個(gè)GCC負(fù)責(zé)交換組內(nèi)控制和感知信息。

37CORVUS的協(xié)議體系

CORVUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)基于通用CORVUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)38CORVUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)38在鏈路層上，與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊是：組管理模塊，鏈路管理模塊和介質(zhì)接入控制模塊。組管理模塊：CORVUS體系結(jié)構(gòu)假定系統(tǒng)由主用戶(PU)和具有認(rèn)知能力的SU組成，PU是某些頻段的合法擁有者，SU在認(rèn)知無線電技術(shù)支持下借用PU暫時(shí)未使用頻段通信。多個(gè)SU組成SU組，任何一個(gè)SU均屬于某個(gè)組。系統(tǒng)通過定義的信道全局控制信道用來進(jìn)行組的管理。新加入網(wǎng)絡(luò)的SU加入已存在的某個(gè)SUG或者新生成一個(gè)組，從UCC處獲取所必需的信息。鏈路管理模塊：該模塊負(fù)責(zé)兩個(gè)SU之間的通信建立和鏈路維護(hù)。鏈路層基于感知信息，信道估計(jì)或者用戶/法規(guī)要求等選擇一組子信道用以建立鏈接。在物理層感知到有PU意圖使用這些信道時(shí)，鏈路層要換到新的信道以免影響PU并維持自身通信。MAC模塊：MAC是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中比較有挑戰(zhàn)性的部分。在多分組多用戶系統(tǒng)中，MAC要能夠提供多個(gè)SU并發(fā)接入一個(gè)鏈接的能力，甚至要能夠管理多個(gè)SU的多個(gè)鏈接并發(fā)使用同一子信道39在鏈路層上，與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊是：組管理模塊，鏈2無線區(qū)域網(wǎng)基于IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)的無線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)

使用未使用的電視廣播信道，在對(duì)電視信道不產(chǎn)生干擾的前提下，為農(nóng)村地區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)和低人口密度且通信服務(wù)質(zhì)量差的市場(chǎng)提供類似于在城區(qū)或郊區(qū)使用的寬帶接入技術(shù)的通信性能。

在WRAN的系統(tǒng)中，基站和用戶預(yù)定設(shè)備是主要實(shí)體，轉(zhuǎn)發(fā)器是可選的實(shí)體，采用集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在下行方向上，WRAN采用固定的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)星型結(jié)構(gòu)，其信息傳播方式為廣播方式；在上行方向上，WRAN向用戶提供有效的多址接入，采取按需多址(DAMA)和時(shí)分多地(TDMA)，即各用戶場(chǎng)地設(shè)備(CPE)以傳輸需求為基礎(chǔ)，根據(jù)DAMA和TDMA機(jī)制共享上行信道。用戶通過與基站(BS)的空中接口接入核心網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)CPE可支持多個(gè)傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻的用戶網(wǎng)絡(luò)的接入，通過BS可接入到多個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)。在CPE與BS之間，系統(tǒng)可通過轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在任何情況下，BS提供集中式的控制，包括功率管理、頻率管理和調(diào)度控制。402無線區(qū)域網(wǎng)基于IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)的無線區(qū)域網(wǎng)(WWRAN的協(xié)議體系41WRAN的協(xié)議體系41IEEE802.22協(xié)議中提出的參考結(jié)構(gòu)模型由一個(gè)頻譜管理模塊和多個(gè)MAC/物理層模塊構(gòu)成，而CPE僅由一個(gè)MAC/物理層模塊構(gòu)成。其中頻譜管理模塊使得系統(tǒng)能夠使用不連續(xù)的信道，并同時(shí)保持了MAC協(xié)議的簡單性和可擴(kuò)展性。該模塊負(fù)責(zé)觀察整個(gè)目標(biāo)頻段，并將可用的空閑信道根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)(如每個(gè)模塊連接的終端數(shù)，通信要求，傳輸距離等)分配給各個(gè)MAC/物理層模塊。此外，頻譜管理模塊還應(yīng)能夠處理不同模塊的請(qǐng)求，如因信道質(zhì)量發(fā)生變化導(dǎo)致切換信道，因而需獲得可用信道信息的請(qǐng)求。

42IEEE802.22協(xié)議中提出的參考結(jié)構(gòu)模型由一個(gè)頻譜管理支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)按Adhoc方式或者混合網(wǎng)絡(luò)方式布置。如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)或多個(gè)無線電接口(如網(wǎng)卡)，可同時(shí)接入一個(gè)或多個(gè)無線信道，節(jié)點(diǎn)具有感知無線環(huán)境的功能，可以判斷信道的使用情況，選擇相應(yīng)的信道接入。正是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的這一特點(diǎn)，使得這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有很大不同。43支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

支持多信道多接口的XG項(xiàng)目的協(xié)議體系

美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助的XG項(xiàng)目也在積極關(guān)注動(dòng)態(tài)使用頻譜問題。XG系統(tǒng)設(shè)定普通協(xié)議分層模型不需重新修改傳統(tǒng)MAC協(xié)議，只需適當(dāng)升級(jí)即可，最終系統(tǒng)形式是完全具有XG特性的MAC層和物理層。但現(xiàn)階段主要研究內(nèi)容是圖上中間部分示意的系統(tǒng)協(xié)議結(jié)構(gòu)，將具有XG特性和功能的層次模塊集合進(jìn)原有通信系統(tǒng)中。在這樣的XG的協(xié)議棧中，MAC層增加了XG處理模塊，物理層增加了XG控制模塊。XG總體而言是一個(gè)MAC層的概念，但其中一些重要部分卻分布在物理層。比如感知，它的收集和對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的平均化處理就被設(shè)計(jì)在物理層進(jìn)行，這就必須考慮協(xié)議的跨層問題。44XG項(xiàng)目的協(xié)議體系

美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPXG項(xiàng)目的協(xié)議體系45XG項(xiàng)目的協(xié)議體系45XG的物理層增加了XG控制功能模塊，該模塊識(shí)別出部分特定幀是具有XG特性的并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理。XG處理模塊利用物理層發(fā)送和交換頻譜利用信息，與物理網(wǎng)絡(luò)上的其它成員協(xié)調(diào)頻譜資源分配，這種交互的重要之處在于需要確保選擇頻率在收方是可用的，在發(fā)端也不會(huì)造成信號(hào)阻塞。各XG處理模塊彼此協(xié)調(diào)，執(zhí)行動(dòng)態(tài)頻譜共享，限制對(duì)主用戶的干擾，還產(chǎn)生物理層的狀態(tài)信息。

46XG的物理層增加了XG控制功能模塊，該模塊識(shí)別出部分特定幀是XGMAC層上增加的XG處理模塊進(jìn)一步分解為：機(jī)會(huì)識(shí)別、機(jī)會(huì)分配、機(jī)會(huì)使用3個(gè)模塊：機(jī)會(huì)識(shí)別模塊：決定可用的傳輸機(jī)會(huì)集并加上相應(yīng)的約束條件。機(jī)會(huì)集是動(dòng)態(tài)的，隨時(shí)間變化?？捎玫膫鬏敊C(jī)會(huì)為XG全部節(jié)點(diǎn)的一個(gè)子集服務(wù)，特別是在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。機(jī)會(huì)識(shí)別是一個(gè)分布式工作，可能包括感知頻譜機(jī)會(huì)，鑒別可用機(jī)會(huì)并賦予約束條件(比如時(shí)間窗口，最大功率和發(fā)射參數(shù))，向目標(biāo)地區(qū)分發(fā)信息等內(nèi)容。47XGMAC層上增加的XG處理模塊進(jìn)一步分解為：機(jī)機(jī)會(huì)分配模塊：以分布式方式將機(jī)會(huì)識(shí)別模塊確定的可用傳輸機(jī)會(huì)分配給XG節(jié)點(diǎn)。它使用機(jī)會(huì)信息和約束條件創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)分配表。分配表實(shí)際上是個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫，包含對(duì)各個(gè)XG節(jié)點(diǎn)分配的頻率、時(shí)間間隔或碼字。分配也是隨時(shí)間變化的，它可以基于任意介質(zhì)接入控制方式——載波監(jiān)聽媒體接入/沖突避免(CSMA/CA)、頻分多址(FDMA)、TDMA、CDMA，或者幾者結(jié)合。機(jī)會(huì)使用模塊：指的是在給定的傳輸機(jī)會(huì)上進(jìn)行通信的物理層機(jī)制，它也要負(fù)責(zé)記錄機(jī)會(huì)使用機(jī)制和收發(fā)機(jī)參數(shù)上下限值。此功能模塊的作用就是確保一個(gè)數(shù)據(jù)包在滿足約束條件下盡可能快地傳送。存在很多可能的機(jī)會(huì)使用機(jī)制，模塊并不限定使用某種特定實(shí)現(xiàn)機(jī)制。48機(jī)會(huì)分配模塊：以分布式方式將機(jī)會(huì)識(shí)別模塊確定的可用傳輸機(jī)會(huì)分內(nèi)容提要認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念認(rèn)知無線電的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜感知技術(shù)49內(nèi)容提要認(rèn)知無線電的發(fā)展背景以及概念4910/6/2023頻譜感知技術(shù)5010/5/2023頻譜感知技術(shù)5051CRshoulddistinguishbetweenUsedandUnusedspectrumbands.CRshouldhavethecapabilitytodetermineifasignalfromprimaryuser(transmitter)islocallypresentinacertainspectrum.TransmitterDetectionApproach

Detectionofthesignal(weaksignalastheworstcase)fromaprimaryuserthroughlocalobservationsofCRusers.頻譜感知技術(shù)5151CRshoulddistinguishbetwee52BasicHypothesisModelforTransmitterDetectionThesignalr(t)received(detected)bytheCR(secondary)useriswheren(t)

AWGN

(AdditiveWhiteGaussianNoise)

s(t)

Transmittedsignaloftheprimaryuser

h

AmplitudegainofthechannelH0

Nullhypothesis

Nolicensedusersignalinacertainspectrumband.

H1

Alternativehypothesis

Thereexistssomelicensedusersignal.5252BasicHypothesisModelforT53TransmitterDetectionThreeschemesaregenerallyusedforthetransmitterdetectionaccordingtothehypothesismodel.

MatchedFilterDetectionEnergyDetectionandCyclostationaryFeatureDetectionTechniquesD.Cabric,S.M.Mishra,andR.W.Brodersen,“ImplementationIssuesinSpectrumSensingforCognitiveRadios,”inProc.38thAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers,pp.772-776,Nov.2004.5353TransmitterDetectionD.Cabr54MatchedFilterDetectionInterferenceTemperatureManagementTransmitterDetectionSpectrumSensingReceiverDetectionMatchedFilterDetectionEnergyDetectionCyclostationaryFeatureDetection5454MatchedFilterDetectionInte55MatchedFilterDetectionNeedTransmittedsignalinformations(t)Synchronization

forsamplingtiming(t=T)s(t):thetransmittedsignaloftheprimaryusern(t):AWGNT:Symbolinterval:Threshold0Ts(t)r(t)0TSampleatt=TReceivedSignalr(t)=s(t)+n(t)ThresholdDeviceYDecideH0orH1MatchedFilter0TmaximumatT2T0T2T5555MatchedFilterDetectionNeed56MatchedFilterDetectionWhentheshapeoftheprimaryusersignalisknowntotheCRuser,theoptimaldetectorinanAWGNchannelisthematchedfiltersinceitmaximizesthereceivedSNR.AdvantageofMatchedFilter:

Requireslesstimetoachievehighprocessinggainduetocoherency

A.Sahai,N.HovenandR.Tandra,

“SomeFundamentalLimitsinCognitiveRadio,inProc.AllertonConf.onComm.,ControlandComputing20045656MatchedFilterDetectionWhen57MatchedFilterDetectionButitrequiresaprioriknowledgeoftheprimaryusersignalsuchasthemodulationtypeandorder,thepulseshape,andthepacketformatHence,ifthisinformationisnotaccurate,thenthematchedfilterperformspoorly.However,sincemostwirelessnetworksystemshavepilot,

preambles,synchronizationwordorspreadingcodes,thesecanbeusedforthecoherentdetection.5757MatchedFilterDetectionBut558EnergyDetectionInterferenceTemperatureManagementTransmitterDetectionSpectrumSensingReceiverDetectionMatchedFilterDetectionEnergyDetectionCyclostationaryFeatureDetection5858EnergyDetectionInterference59EnergyDetection

IftheCRusercannotgathersufficientinformationabouttheprimaryusersignals(t),thematchedfilterisnotsuitable.However,iftheCRuserisawareofthepoweroftherandomGaussiannoise,thentheenergydetectorisoptimal.D.Cabric,S.M.Mishra,andR.W.Brodersen,“ImplementationIssuesinSpectrumSensingforCognitiveRadios,”inProc.38thAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers,pp.772-776,Nov.2004.H.Tang,“SomePhysicalLayerIssuesofWidebandCognitiveRadioSystem,”inProc.IEEEDySPAN,pp.151-159,Nov.2005.5959EnergyDetection

IftheCRu60EnergyDetectionInputSquaringDeviceIntegratorThresholdDeviceDecideH0orH1FilteringT:Observation(sensing)TimeA.GhasemiandE.S.Sousa,

“CollaborativeSpectrumSensingforOpportunisticAccessinFadingEnvironment,“

inProc.IEEEDySPAN,pp.131-136,Nov.20056060EnergyDetectionInputSquari61EnergyDetection

InordertomeasuretheenergyofthereceivedsignalbytheCRuser,theoutputsignalofbandpassfilterwithbandwidthWissquaredandintegratedovertheobservationintervalT.6161EnergyDetection

6162EnergyDetectionFinally,theoutputoftheintegrator,Y,iscomparedwithathreshold,λ,todecidewhetheralicenseduserispresentornot.(AWGNcase)

6262EnergyDetectionFinally,the63EnergyDetectionNon-FadingEnvironment:

histheamplitudegainofthechannel,theprobabilityofdetectionPdandprobabilityoffalsealarmPfare:

whereγistheSNR

m=

TWisthe(observation/sensing)timebandwidthproductΓ(·)andΓ(·,

·)arecompleteandincompletegammafunctions

Qm(

)isthegeneralizedMarcumQ-function.6363EnergyDetectionNon-FadingE64EnergyDetectionwherefγ(x)istheprobabilitydistributionfunctionofSNRunderfading.FadingEnvironment:Theamplitudegainofthechannelvariesduetotheshadowing/fading->variationofSNRPfisthesameasthatofnon-fadingcase(independentofSNR,γ)PdgivestheprobabilityofthedetectionconditionedoninstantaneousSNRas:6464EnergyDetectionwherefγ(x)65EnergyDetectionAlowPd

missingthepresenceoftheprimaryuserwithhighprobability

increasestheinterferencetotheprimaryuserAhighPf

lowspectrumutilization

(sincefalsealarmsincreasethenumberofmissedopportunities).Implementationiseasy!!6565EnergyDetectionAlowPdm66ProblemsofEnergyDetectionPerformanceissusceptibletouncertaintyinnoisepower.SNRproblem!!! (Pilottonefromprimaryuserhelpstoimprovetheaccuracyoftheenergydetector)Energydetectorcannotdifferentiatesignaltypesbutcanonlydeterminethepresenceofthesignal. Energydetectorispronetothefalsedetectiontriggeredbytheunintendedsignals.EnergydetectorneedslongersensingtimeMatchedfilter:T~1/SNREnergyDetector:T~1/SNR2whendetectingweaksignals:SNR<1(-10dBto-40dB)6666ProblemsofEnergyDetection67CyclostationaryFeatureDetectionInterferenceTemperatureManagementTransmitterDetectionSpectrumSensingReceiverDetectionMatchedFilterDetectionEnergyDetectionCyclostationaryFeatureDetection6767CyclostationaryFeatureDete68CyclostationaryFeatureDetection

Modulatedsignalsareingeneralcoupledwithsinewavecarriers,pulsetrains,repeatingspreading,hoppingsequences,orcyclicprefixes,whichresultinbuilt-inperiodicity.D.Cabric,S.M.Mishra,andR.W.Brodersen,“ImplementationIssuesinSpectrumSensingforCognitiveRadios,”inProc.38thAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers,pp.772-776,Nov.2004.A.Fehske,J.D.Gaeddert,andJ.H.Reed,“ANewApproachtoSignalClassificationUsingSpectralCorrelationandNeuralNetworks,”inProc.IEEEDySPAN,pp.144-150,Nov.2005.H.Tang,“SomePhysicalLayerIssuesofWidebandCognitiveRadioSystem,”inProc.IEEEDySPAN,pp.151-159,Nov.2005.6868CyclostationaryFeatureDete69CyclostationaryFeatureDetection

Thesemodulatedsignalsarecharacterizedascyclostationarysincetheirmeanandautocorrelationexhibitperiodicity.Thesefeaturesaredetectedbyanalyzingaspectralcorrelationfunction.Advantageofthespectralcorrelationfunction:

differentiatesthenoiseenergyfrommodulatedsignalenergy

6969CyclostationaryFeatureDete70SinebasedCyclostationaryDetectionPrimaryTxfrequencyrepeatsoversymboldurationsatregularintervalsTProblem:CanthesecyclicalregularitiesbedetectedattheCRuser?CyclostationaryFeatureDetection7070SinebasedCyclostationaryD71CyclostationaryFeatureDetection

CorrelateR(f+)R*(f-

)AverageoverTr(t)Featuredetectr(t):ReceivedsignalR(f):Fouriertransformofr(t)

:CyclicfrequencyR*(f):ComplexconjugateofR(f)IfcyclostationarywithperiodTthencycleautocorrelationhascomponentat=1/TD.Cabric,S.M.Mishra,andR.W.Brodersen,“ImplementationIssuesinSpectrumSensingforCognitiveRadios,”inProc.38thAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers,pp.772-776,Nov.2004.7171CyclostationaryFeatureDete72CyclostationaryFeatureDetection

Ifthecorrelationfactorishigh(greaterthanthethreshold),thereisaprimaryuser7272CyclostationaryFeatureDete73CyclostationaryFeatureDetection

Thisschemeperformsbetterthantheenergydetectorindiscriminatingagainstnoiseduetoitsrobustnesstotheuncertaintyinnoisepower.

Computationallycomplexandrequiressignificantlylongobservationtime.7373CyclostationaryFeatureDete74LimitationsoftheTransmitterDetectionReceiverUncertaintyProblemShadowingProblem7474LimitationsoftheTransmitt75ReceiverUncertaintyProblemWiththetransmitterdetection,theCRusercannotavoidtheinterferenceduetothelackoftheprimaryreceiver’sinformation(Fig.a).Moreover,thetransmitterdetectionmodelcannotpreventthehiddenterminalproblem.7575ReceiverUncertaintyProblem76ShadowingProblemACRtransmittercanhaveagoodline-of-sighttoareceiver,butmaynotbeabletodetectthetransmitterduetotheshadowing(Fig.b).Consequently,thesensinginformationfromotherusersisrequiredformoreaccuratedetection

→CooperativeDetection

7676ShadowingProblem7677LimitationsoftheTransmitterDetectionHiddenTerminalProblemduetoShadowing

InterferenceduetouncertaintyofreceiverlocationCRTransmitterRangePrimaryBase-stationCRUserPrimaryTransmitterRangePrimaryUserPrimaryBase-stationPrimaryTransmitterRangePrimaryUserCRTransmitterRangeInterferenceInterferenceCRUserCannotdetecttransmitterCannotdetecttransmitter7777LimitationsoftheTransmitt78TransmitterDetection

Non-CooperativevsCooperativeDetectionTransmitterDetectionMatchedFilterDetectionEnergyDetectionCyclostationaryFeatureDetectionTransmitterDetectionNon-cooperativeDetectionCooperativeDetectionDetectionMethod

DetectionBehavior7878TransmitterDetection

Non-Co79Non-CooperativevsCooperativeDetectionNon-CooperativeDetectionCRusersdetecttheprimarytransmittersignalindependentlythroughtheirlocalobservations.

CooperativeDetectionReferstospectrumsensingmethodswhereinformationfrommultipleCRusersareincorporatedforprimaryuserdetection.Allowtomitigatethemulti-pathfadingandshadowingeffects,whichimprovesthedetectionprobabilityinaheavilyshadowedenvironment.7979Non-CooperativevsCooperati80CooperativeDetectionCooperativeDetectioncanbeimplementedeitherinacentralizedorinadistributedmanner.CentralizedMethod

CRbase-stationplaysaroletogatherallsensinginformationfromtheCRusersanddetectthespectrumholes.DistributedMethod

requireexchangeofobservationsamongCRusers.G.GanesanandY.G.Li,”CooperativeSpectrumSensinginCognitiveRadioNetworks,”inProc.IEEEDySPAN2005S.M.Mishra,A.SahaiandR.W.Brodersen,“Cooperativesensingamongcognitiveradios,”inProc.IEEEICC2005.8080CooperativeDetectionCoopera81CooperativeDetectionCooperativeMethodsprovidemoreaccuratesensingperformance,theycauseadverseeffectsonresource-constrainednetworksduetotheadditionaloperationsandoverheadtraffic.PROBLEMTheprimaryreceiveruncertaintyproblemcausedbythelackoftheprimaryreceiverlocationknowledgeisstillunsolved!!8181CooperativeDetectionCoopera82PrimaryReceiverDetectionInterferenceTemperatureManagementTransmitterDetectionSpectrumSensingReceiverDetectionMatchedFilterDetectionEnergyDetectionCyclostationaryFeatureDetection8282PrimaryReceiverDetectionIn83PrimaryReceiverDetectionAdirectreceiverdetectionmethodisdevelopedfordetectionofprimaryreceivers

wherethelocaloscillator(LO)leakagepoweremittedbytheRFfront-endoftheprimaryreceiverB.Wi