認知無線電本地頻譜感知技術(shù)研究.ppt

認知無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,頻譜分配機制陳舊,尋求新 的頻 譜分配 機制 并 研究新的 通信系統(tǒng),認知 無線電 是 關(guān)鍵 技術(shù),研究現(xiàn)狀,1 美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助的下一代無線通信(xG)項目：系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù) 2 美國Rutgers 大學(xué)winlab 實驗室正在做一個有關(guān)認知無線技術(shù)的國家自然科學(xué)基金項目：設(shè)計和建立一種靈活的高性能的認知無線電平臺的模型 3 英國的移動電信技術(shù)虛擬中心進行自適應(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)會資助的DRIVE，OverDRiVE 和TRUST 項目主：在混合的多無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜的動態(tài)分配和流量控制 5 國家863 計劃基金：認知無線電系統(tǒng)中的合作及跨層設(shè)計技術(shù)、空間信號檢測和分析及QoS 保證機制等,認知無線電,定義：“認知無線電”是可以根據(jù)環(huán)境變化改變傳送端參數(shù)的無線電。 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，自適應(yīng)調(diào)制和波形技術(shù)等。是下一代網(wǎng)絡(luò)動態(tài)使用頻譜的鍵。 意義：認知無線電可以在沒有用戶使用授權(quán)頻段的時候使用這個頻段，極大地提高了頻譜利用率，彌補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)。,認知無線電的特性與功能： 特性： 認知能力：認知能力就是從環(huán)境中獲取感知信息的能力。用復(fù)雜的技術(shù)獲得環(huán)境瞬時的空間的變量并避免對其他用戶的干擾。 重置能力：認知能力感知頻譜，而重置能力則使無線電可以動態(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,認知無線電的功能,四大功能,頻譜感知：判斷哪些頻譜是可用的，并探測當(dāng)用戶工作 在一個已授權(quán)的頻段上時是否存在授權(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xG 用戶 提供適當(dāng)?shù)念l譜安排方法,頻譜移動：在檢測到授權(quán)用戶時空出信道，遷移到其他的 頻段上,頻譜感知,通常在接收端進行干擾溫度的測量，并搜尋“頻譜空洞”，將獲得的信息通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的 反饋信道傳送至發(fā)送端，并據(jù)此進行發(fā)射功率控制處理和動態(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)的通信過程中，它還需要負責(zé)頻譜狀態(tài) 的實時監(jiān)測.為高層的頻譜管理提供輔助。比較準確地判定射頻信號碰撞事件，使認知 無線電系統(tǒng)能夠盡快進行主動退避，避免過多地影響原有授權(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（無線信道） A 路徑損耗，接收到信號功率會隨著接收端和發(fā)送端之間的距離而減小。 B 陰影，會導(dǎo)致接收信號的功率的波動，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，此時頻譜空洞的識別不應(yīng)該對主用戶的干擾敏感。 B在聯(lián)合傳播網(wǎng)絡(luò)上的無線傳播，在很低的傳送功率上工作。動態(tài)的頻譜管理算法必 須可以處理微弱的無線傳播。 3，將來使用的預(yù)期容量：在特定地理位置和特定時間檢測頻譜空洞只適用于那個特定的時間。 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),認知無線電發(fā)送接收機的主要結(jié)構(gòu)組成有前端和基帶處理部分。每個部分都可以隨著 時變的RF環(huán)境重新配置。 RF前端：接收到的信號被放大混頻并A/D轉(zhuǎn)換。 基帶處理部分：信號被調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼。,匹配濾波器檢測法,適用范圍：對授權(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。 檢測原理： 濾波器輸出由輸出信號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。,特點： 匹配濾波器法的最大特點就是輸出的信噪比達到最大，從而使錯誤判決概率達到最小。 性能分析： 優(yōu)點：可以在很短的時間內(nèi)完成同步而提高信號的處理增益； 缺點：要求認知用戶掌握每一類授權(quán)用戶的各種信息。,能量檢測法,適用范圍：由于只關(guān)心信號的能量，所以適用于各種形式的確定信號。 檢測原理：能量檢測器由平方器件和有限時間積分器組成 在特定的時間間隔內(nèi)測量輸入信號的能量。 有限時間積分器的輸出就是輸入信號時間間隔內(nèi)的能量，并與比較門限進行比較。若大于則判別有信號的存在，反之則判定沒有信號。,特點：能量檢測法和頻譜分析相似，只要能從功率譜圖中清晰的得到信號的譜圖，即說明能量檢測法可正常的進行頻譜感知。 根據(jù)檢測概率和錯誤概率的公式，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：技術(shù)比較成熟，可靠性較高而且實施起 來比較簡單。 缺點：1，比較門限較難設(shè)定。2，當(dāng)信號極弱時，會出現(xiàn)三者混淆的情況。3，只能判定信號是否存在而不能區(qū)分信號類型,門限： 門限的設(shè)定非常重要。當(dāng)增大時，檢測概率Pd和錯誤概率Pf都會減小。相比于其他 情況的參數(shù)設(shè)置，要達到適當(dāng)?shù)奶岣逷d的效果，即在設(shè)定門限時，適當(dāng)?shù)慕档烷T限 ，犧牲一定的頻譜利用率來保證主用戶的正常通信環(huán)境。 觀察時間間隔T： 1，計算時間，頻譜感知要求對環(huán)境達到實時的監(jiān)測，因此時間T不宜過長 2，判決準確度，信號的統(tǒng)計特性在瞬時并不確定，只有在適當(dāng)長的時間內(nèi)才能看出， 因此要保證較長的時間來增加判決的準確度，從這個角度來看，T應(yīng)該盡可能的長。,循環(huán)平穩(wěn)特性檢測法,適用范圍：具有二階周期特性或循環(huán)平穩(wěn)特性的信號。 檢測原理：調(diào)制信號的特點是循環(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。由于周期性又會引起頻譜冗余。 Sx( f)為循環(huán)譜密度函數(shù)(CSD)，簡稱為循環(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)，即可判定信號的存在。,性能分析： 優(yōu)點：能檢測到調(diào)制類型，符號速率和是否存在擾。 缺點：計算復(fù)雜，對計算時間要求較高。 檢測性能會隨著多徑和陰影衰落引起的接收信號強度的減弱而降低 仿真：在信號的循環(huán)頻率處會有較高的譜，即可理解為在循環(huán)頻率軸方向的譜峰，由此可檢測出信號的循環(huán)頻率,下圖表示在10DB情況下，信號的循 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 檢測原理：大多數(shù)的信號都需要調(diào)制到載波上再傳輸，每個信號里都會有載波存在。信號處理判決的輸入都有載頻信號的存在，因此如果能夠在接收端檢測到載波的存在，就是檢測到存在信號。,把輸出結(jié)果與門限進行比較，大于門限則判決有信號。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：檢測性能會隨著多徑和陰影衰落引起的接收信號強度的減弱而降低，載波提取方法也需要預(yù)先知道發(fā)送信號的一些信息。,幾種方法的分析和比較,在仿真中，所用的信號類型是MSK信號，噪聲是高斯白噪聲。 仿真參數(shù)是：截短總時間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,信號的功率譜圖,可以看出在低信噪比情況下信號的功率譜已經(jīng)隱藏在噪聲中，能量檢測器已經(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)檢測器的工作性能依然優(yōu)異。如下圖：,以上仿真信號功率相同，信噪比時-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出現(xiàn)錯判。 仿真參數(shù)是：截短總時間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，能量檢測法雖然實現(xiàn)簡單，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到。 因此認知無線電靈敏度應(yīng)該比主用戶接收端的高很多來避免隱性終端問題,解決方案,1，在本地感知的范圍內(nèi)，改進本地感知的方法。例如：改進能量檢測法的方案：雙門限法。 2，在本地感知的基礎(chǔ)上提出聯(lián)合感知的概