認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)0407分解課件

1、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)汪小葉2011.3.28目錄背景基本原理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用前景研究現(xiàn)狀未來(lái)發(fā)展方向背景傳統(tǒng)上，由于固定的頻譜分配政策，大多數(shù)有用頻譜已分配給授權(quán)用戶。下面是美國(guó)國(guó)家電信與信息管理局（NTIA）的頻譜分配圖：圖1 NTIA頻譜分配圖1GHz以下頻率劃分現(xiàn)狀目前全球1GHz以下已經(jīng)分配殆盡 無(wú)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(wú)線電通信頻譜資源是一種寶貴的自然資源，由于無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng)，可分配的頻譜資源變得越來(lái)越稀缺。背景背景現(xiàn)代頻譜需求移動(dòng)通信寬帶化物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)RFID3G1G2GE3GWLAN數(shù)據(jù)速

2、率和帶寬需求不斷增加BWA3G+移動(dòng)性增強(qiáng)201520102005200019951985時(shí)間4G背景在頻譜資源緊張的情況下，美國(guó)FCC對(duì)頻譜資源使用情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一些授權(quán)頻段在時(shí)間和空間上存在不同程度的閑置。頻譜的利用情況極不平衡。圖2 頻譜使用情況背景由于大部分的頻譜資源均被用來(lái)做授權(quán)頻段使用，且相當(dāng)數(shù)量的授權(quán)頻譜資源的利用率卻非常低。如何提高頻譜的多維度利用率，即在不同地區(qū)的不同時(shí)間段里有效地利用不同的空閑頻譜，成為無(wú)線通信領(lǐng)域非常關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。 頻譜智能高效利用成為影響未來(lái)無(wú)線產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性課題如何發(fā)展頻譜智能高效利用技術(shù)來(lái)解決未來(lái)無(wú)線通信頻譜需求的瓶頸？ 信號(hào)處理技術(shù)極大提

3、高了無(wú)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(wèn)題 是否可以考慮在授權(quán)頻段閑置時(shí)允許其他無(wú)線業(yè)務(wù)用戶接入？如果可以，需要滿足什么條件？背景背景1999年Joseph Mitola 提出了認(rèn)知無(wú)線電CR（Cognitive Radio）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)用戶接入動(dòng)態(tài)頻譜分配政策目錄背景基本原理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用前景研究現(xiàn)狀未來(lái)發(fā)展方向什么是CR？認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)定義（ITU-R ） “Cognitive radio (CR) is a radio system employing technology that allows the

4、system to obtain knowledge of its operational and geographical environment, established policies and its internal state; to dynamically and autonomously adjust its operational parameters and protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined objectives; and to learn from th

5、e results obtained.” 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(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)；并從獲取的結(jié)果來(lái)自我學(xué)習(xí)。CR的基本特征：從概念上，CR應(yīng)該具備以下2個(gè)主要特征: 1）認(rèn)知能力 2）重構(gòu)能力1）認(rèn)知能力認(rèn)知能力使CR能夠從其工作的無(wú)線環(huán)境中捕獲或者感知信息，從而可以標(biāo)識(shí)特定時(shí)間和空間的未使用頻譜資源(也稱為頻譜空洞)，并選擇最適當(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)。這一過(guò)程用認(rèn)知環(huán)來(lái)表示如下：圖 3 認(rèn)知環(huán)認(rèn)知能力包括3個(gè)主要的步驟： 頻譜感知：是監(jiān)測(cè)可用頻段，檢測(cè)頻譜空洞； 頻譜分析：估計(jì)頻譜感知獲取的頻譜空洞的特

6、性； 頻譜判決：根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。2) 重構(gòu)能力重構(gòu)能力使得CR設(shè)備可以根據(jù)無(wú)線環(huán)境動(dòng)態(tài)編程, 從而允許CR設(shè)備采用不同的無(wú)線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)?？梢灾貥?gòu)的參數(shù)包括: 工作頻率、調(diào)制方式、 發(fā)射功率和通信協(xié)議等。核心思想：在不對(duì)頻譜授權(quán)用戶(PU)產(chǎn)生有害干擾的前提下, 利用授權(quán)系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù)。重構(gòu)能力一旦該頻段被PU使用, CR有2種應(yīng)對(duì)方式: 一是切換到其它空閑頻段通信; 二是繼續(xù)使用該頻段, 但改變發(fā)射統(tǒng)率或者調(diào)制方案避免對(duì)PU的有害干擾。與軟件無(wú)線電的關(guān)系為了便于理解CR的基本原理, 有必要將CR與軟件無(wú)線電(SDR)進(jìn)行區(qū)分 。一個(gè)無(wú)

7、線電設(shè)備可以稱為SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號(hào)處理通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)處理軟件完成; 這些軟件可以在出廠后修改。SDR關(guān)注的是無(wú)線電系統(tǒng)信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方式；CR是指無(wú)線系統(tǒng)能夠感知操作環(huán)境的變化, 并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)。CR是更高層的概念, 不僅包括信號(hào)處理, 還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、 規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層功能。目錄背景基本概念關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用前景研究現(xiàn)狀未來(lái)發(fā)展方向關(guān)鍵技術(shù)頻譜感知?jiǎng)討B(tài)頻譜管理功率控制等（1）頻譜感知技術(shù)頻譜感知技術(shù)是CR應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。功能：識(shí)別頻譜空洞、檢測(cè)授權(quán)用戶出現(xiàn)。分類：?jiǎn)喂?jié)點(diǎn)感知和協(xié)作感知。 單節(jié)點(diǎn)感知：?jiǎn)蝹€(gè)CR節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的無(wú)線射頻環(huán)境

8、進(jìn)行頻譜特性標(biāo)識(shí)； 協(xié)作感知：通過(guò)數(shù)據(jù)融合, 基于多個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果將進(jìn)行綜合判決。1）單節(jié)點(diǎn)感知單節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)分為3種：圖 4 單節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)分類1）單節(jié)點(diǎn)感知這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn), 三者之間的比較如下表：表1 單節(jié)點(diǎn)頻譜感知技術(shù)的比較（2）協(xié)作感知協(xié)作感知:多個(gè)認(rèn)知用戶相互合作而執(zhí)行的感知。優(yōu)點(diǎn)： 1、降低對(duì)單個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的要求, 降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)； 2、可 以有效的消除陰影效應(yīng)的影響。圖5 協(xié)作頻譜感知圖（2）協(xié)作感知協(xié)作感知分2種方式：集中式和分布式。 集中式協(xié)同感知：指各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)將本地感知結(jié)果送到基站( BS)或接入點(diǎn)( AP) 統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，做出決策。圖 6 集中式協(xié)作檢測(cè)模型

9、（2）協(xié)作感知 分布式協(xié)同感知：指?jìng)€(gè)節(jié)點(diǎn)間相互交換感知信息, 各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)自決策。圖 6 分布式協(xié)作檢測(cè)模型2、動(dòng)態(tài)頻譜管理認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)頻譜感知功能檢測(cè)到了可以使用的頻段，這些頻段包括授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段。如何快速有效的利用這些頻段是一個(gè)函待解決的問(wèn)題。也就有了頻譜管理技術(shù)。一般來(lái)講，頻譜管理可以分為 1） 頻譜分析 2） 頻譜分配 兩部分。1） 頻譜分析認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)是一種“機(jī)會(huì)性”的占用頻段的技術(shù)，因此，認(rèn)知用戶沒(méi)有使用頻段的優(yōu)先權(quán)，在得到感知結(jié)果后，需要及時(shí)的分析可用頻譜，頻譜分析應(yīng)當(dāng)包括以下幾個(gè)方面： (l) 干擾的分析 (2) 信道狀況的估計(jì) (3) 信道容量的估計(jì) (4) 信道占用

10、時(shí)間的估計(jì)2） 頻譜分配由于認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)本身的特性決定了它必須采用動(dòng)態(tài)頻譜分配的策略。目前頻譜分配的方法可以從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，頻譜分配行為和頻譜接入策略進(jìn)行歸納分類。圖 7 頻譜分配策略的分類3、功率控制為避免對(duì)授權(quán)用戶造成干擾，需要采用功率控制技術(shù)來(lái)控制認(rèn)知用戶的發(fā)射功率。多用戶的認(rèn)知系統(tǒng)中，發(fā)送功率控制必須考慮兩種網(wǎng)絡(luò)資源限制： 給定的干擾溫度限； 存在的可用頻譜空穴數(shù)量。3、功率控制目前，對(duì)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的功率控制方面的研究主要就存在基于博弈論和注水兩種解決方案，這兩種方案主要側(cè)重在不同的方面。基于博弈論：主要是為了去解決認(rèn)知用戶在共同使用相互沖突的頻段時(shí)的功率控制問(wèn)題?；谧⑺褐饕怯脕?lái)

11、解決正交的資源上分配功率的問(wèn)題。目錄背景基本概念關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用前景研究現(xiàn)狀未來(lái)發(fā)展方向應(yīng)用前景認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，按照行業(yè)性質(zhì)分為以下3個(gè)方面：軍事領(lǐng)域；公共安全、應(yīng)急通信領(lǐng)域；商業(yè)領(lǐng)域和ISM(個(gè)人通信，醫(yī)療，科學(xué))頻段內(nèi)的應(yīng)用。1) 軍事領(lǐng)域由于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能自適應(yīng)選擇頻譜，在干擾環(huán)境下進(jìn)行可靠的寬帶通信的特點(diǎn)，所以在軍事上也有極高的應(yīng)用價(jià)值。下圖是美國(guó)國(guó)防部(DARPA)資助了所謂XG計(jì)劃，即下一代通信計(jì)劃。2)公共安全、應(yīng)急通信領(lǐng)域應(yīng)急通信時(shí)，需要大量無(wú)線頻譜資源進(jìn)行應(yīng)急通信。如果為此分配專門的頻譜資源，那么在平時(shí)，這些頻譜資源的利用率將非常低下。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可在緊急情

12、況下利用未充分利用的授權(quán)用戶的頻譜資源，可靠保障應(yīng)急通信的需要。IAN: Incidence area network3）商業(yè)領(lǐng)域和ISM內(nèi)的應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用：通過(guò)CR技術(shù)出租頻譜，可以在不影響授權(quán)用戶的通信質(zhì)量的情況下，增加頻譜擁有者的收益。ISM頻段應(yīng)用：通過(guò)CR技術(shù)：可以避免與周邊通信的干擾，提高頻譜利用率。目錄背景基本概念關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用前景研究現(xiàn)狀未來(lái)發(fā)展方向標(biāo)準(zhǔn)化工作國(guó)際電聯(lián)ITU-R工作組于2006年3月建議開展CR研究工作；IEEE:2004年11月成立802.22工作組，制定了第一個(gè)CR技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn);后又陸續(xù)建立P1900.4和P1900.6工作組研究利用CR技術(shù)解決未來(lái)無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融

13、合問(wèn)題。國(guó)外-研究現(xiàn)狀國(guó)外-研究現(xiàn)狀美國(guó)研究：(1) 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的CORVUS（A Cognitive Radio Approach for Usage of Virtual Unlicensed Spectrum)系統(tǒng)：通過(guò)協(xié)調(diào)的方式檢測(cè)和使用頻譜。（2）美國(guó)DARPA XG項(xiàng)目：美國(guó)軍方DARPA的XG項(xiàng)目將研制以認(rèn)知無(wú)線電為核心的系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入和共享。 目前CR的實(shí)際部署依然較少，且較多依賴于臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)的先驗(yàn)信息。國(guó)外-研究現(xiàn)狀歐洲研究 (1) 歐洲的DRiVE/overDRiVE項(xiàng)目 目標(biāo)：通過(guò)公共協(xié)調(diào)信道在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享。 (2) 歐盟

14、的端到端可重配置(End-to-End Reconfigurability, E2R)項(xiàng)目 目標(biāo)：研究通過(guò)端到端重配置網(wǎng)絡(luò)和軟件無(wú)線電技術(shù)將未來(lái)不同類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合起來(lái)，為用戶、服務(wù)提供商、管理者提供更多可選服務(wù)的系統(tǒng)。 目前處于技術(shù)研究階段。我國(guó)實(shí)行積極穩(wěn)健的頻譜管理政策，積極尋求解決目前頻譜資源稀缺的問(wèn)題；又要有序支持目前無(wú)線電行業(yè)發(fā)展。從科學(xué)研究出發(fā)，國(guó)家自然基金委、科技部863、973計(jì)劃、國(guó)家重大專項(xiàng)都設(shè)立了一系列認(rèn)知基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目群，旨在提高頻譜利用效率，為頻譜管理政策提供理論參考依據(jù)。國(guó)內(nèi)CCSA標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)也積極組織認(rèn)知技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。國(guó)內(nèi)-研究現(xiàn)狀目錄前言基本概念關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用前景研究現(xiàn)狀未來(lái)發(fā)展方向未來(lái)發(fā)展方向當(dāng)前, 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，也進(jìn)行了大量的研究，但還遠(yuǎn)未成熟。結(jié)合上述認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的現(xiàn)狀, 預(yù)計(jì)認(rèn)知無(wú)線電未來(lái)會(huì)沿著以下幾個(gè)方面發(fā)展：基本理論和相關(guān)應(yīng)用的研究,為大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。比較重要的包括: 認(rèn)知無(wú)線電的信息論基礎(chǔ) 和 認(rèn) 知 無(wú) 線 電 網(wǎng) 絡(luò) 相 關(guān) 技 術(shù) , 例如: 頻譜資源的管理、 跨層聯(lián)合優(yōu)化等等；試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)開發(fā)。目前, 已經(jīng)有多個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)正在開發(fā)中,這些系統(tǒng)的開發(fā)成功, 將為驗(yàn)證認(rèn)知無(wú)線電的基本理論、 關(guān)鍵技術(shù)提供測(cè)試床, 推動(dòng)其大規(guī)模應(yīng)用。未來(lái)發(fā)