認知無線電技術-李景春

2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 認知無線電技術 李景春 2010年 10月 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 目錄 背景 基本概念 實現(xiàn) CR需解決的問題 國外業(yè)界研究情況 國內研究進展 應用前景及帶來的挑戰(zhàn) 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 背景 我國頻率劃分圖 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 無線電波傳輸特性 低頻段繞射能力強，傳播特性好，傳輸距離遠，但設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低頻段路徑損耗更大，天線等設備尺寸較小。 各業(yè)務各有其“ 黃金頻段 ” 背景 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 1GHz以下頻率劃分現(xiàn)狀 目前我國 1GHz以下已經(jīng)分配殆盡 無線蜂窩移動通信系統(tǒng)： 825-835MHz和 870-960MHz頻段，其余主要分配給對講機業(yè)務和電視廣播業(yè)務。 無法支持 IMT-Advanced系統(tǒng)的高速率的移動業(yè)務需求。 背景 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 背景 現(xiàn)代頻譜需求 移動通信寬帶化 物聯(lián)網(wǎng) 感知網(wǎng) RFID 3G 1G 2G AMPS TACS GSM cdmaOne WCDMA cdma2000 TD-SCDMA E3G LTE AIE/UMB WLAN 數(shù)據(jù)速率和帶寬需求不斷增加 802.11/WiFi BWA 802.16/WiMAX 3G+ HSDPA HSUPA 1xEV-DO 1xEV-DV 移動性增強 2015 2010 2005 2000 1995 1985 時間 802.16m IMT-Advanced 4G 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 背景 移動通信業(yè)界關注的重點頻段“ 數(shù)字紅利頻段 ” 數(shù)字紅利頻段（ Digital Dividend Band）：模擬電視轉換成數(shù)字電視后所空出的 470-862MHz頻段。 較低頻段可實現(xiàn)更佳的覆蓋和樓內穿透性，因此，“數(shù)字紅利”被全球運營商視為“黃金頻段”。 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 470MHz806MHz模擬 /數(shù)字電視廣播頻段使用情況 北京某熱點地區(qū)實際頻道占用情況 頻譜圖 瀑布圖 占用度 背景 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 北京某郊區(qū)實際頻道占用情況 頻譜圖 瀑布圖 占用度 背景 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 各類地區(qū)按時間占用比率計算的 頻段占用度 情況 背景 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 背景 我國的頻譜分配政策 固定頻譜管理方式：即國家將頻譜資源分配給不同的無線電部門和相應的無線接入技術。 優(yōu)點 ：有利于網(wǎng)絡規(guī)劃、運營、維護、管理，并且能夠避免系統(tǒng)間的干擾 缺點： 頻譜資源的利用呈現(xiàn)出高度的不均衡性。那些利用率較低的頻譜資源存在著動態(tài)、大小不一、零散等特征 頻譜智能高效利用 成為影響未來無線產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵性課題 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 如何發(fā)展頻譜智能高效利用技術來解決未來無線通信頻譜需求的瓶頸？ 信號處理技術極大提高了無線系統(tǒng)在接入使用時的頻譜利用率；但仍未解決頻譜資源未被使用時造成空洞浪費 的問題 是否可以考慮在授權頻段閑置時允許其他無線業(yè)務用戶接入？如果可以，需要滿足什么條件？ 背景 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 背景 1999年 Joseph Mitola 提出了 認知無線電 CR（ Cognitive Radio）技術 核心：頻譜準入政策允許授權頻段在閑置時被其他業(yè)務用戶接入 動態(tài)頻譜分配政策 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 背景 頻率分配政策的發(fā)展 六七十年代 分配使用 建國初期 自由使用 目前 監(jiān)測使用 將來 動態(tài)使用 EMC技術 無線電監(jiān)測技術 認知無線電技術 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 目錄 前言 基本概念 實現(xiàn) CR需解決的問題 國外業(yè)界研究情況 國內研究進展 應用前景及帶來的挑戰(zhàn) 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 基本概念 認知無線電系統(tǒng)定義（ ITU-R SM.2152報告書） “ Cognitive radio system (CRS) is a radio system employing technology that allows the 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 the 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部狀態(tài)；依據(jù)獲取的信息， 動態(tài)的 和 自主的 調整工作參數(shù)和協(xié)議來實現(xiàn)預定的目標；并從獲取的結果來自我學習 。 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 認知無線電（ CR） 頻譜感知（無線電監(jiān)測） “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部狀態(tài)” 動態(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） “ 動態(tài)的和自主的調整工作參數(shù)和協(xié)議來實現(xiàn)預定的目標 ” 無線電信號的四域特性：時、空、頻、碼 ，認知無線電同時從四域感知頻譜空洞，并動態(tài)的和自主的調節(jié)自身參數(shù)。 SDR具有相當?shù)撵`活性，但與 CR相比缺乏一定的智能 CR的實現(xiàn)不一定需要 SDR支持，但如果借助于 SDR，則 CR會具有更多潛在的優(yōu)勢 基本概念 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 目錄 前言 基本概念 實現(xiàn) CR需解決的問題 國外業(yè)界研究情況 國內研究進展 應用前景及帶來的挑戰(zhàn) 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 實現(xiàn) CR需解決的問題 頻譜感知 動態(tài)頻譜管理 接入及退讓機制 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 （ 1）頻譜感知 功能：識別頻譜空洞、檢測授權用戶出現(xiàn)（無線電監(jiān)測） 單節(jié)點檢測 授權用戶發(fā)射端檢測 能量檢測： 先設置一個門限，然后將設置的能量計算值與設置的門限相比較，超過判決門限，就認為該頻段內有授權用戶的存在。 優(yōu)點： 不需要知道信號的先驗知識 缺點： 判決門限比較難確定，局限性大，只能計算信號的能量，不能分區(qū)出調制信號、噪聲和干擾。 匹配濾波器檢測： 當認知無線電獲悉了第一用戶的信號后，此時對信號進行探測的最佳探測器就是匹配濾波器。 優(yōu)點： 在段時間內獲得高處理增益。 缺點： 必須知道被檢測用戶的先驗知識。 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測： 利用調制信號的循環(huán)平穩(wěn)特性來進行檢測。 優(yōu)點： 有較高的信號辨識能力 缺點： 只是對傅立葉頻譜的補充，計算量很大，約為DFT的兩倍。 授權用戶接收端檢測 協(xié)作檢測多個感知用戶相互合作而執(zhí)行的檢測 （ 1）頻譜感知 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 （ 2）動態(tài)頻譜管理 功能：為認知無線電網(wǎng)絡用戶 (也可包括授權用戶網(wǎng)絡 )提供公平有效的頻譜共享 頻譜判決根據(jù)頻譜空洞和業(yè)務需求，為當前的傳輸選擇合適的工作頻段和自適應調整傳輸參數(shù)。 對所有可用頻譜空洞的干擾情況進行分析 進而分析不同頻譜空洞的路徑傳播損耗，鏈路錯誤，鏈路延遲等信道質量參數(shù) 根據(jù)授權用戶的業(yè)務類型估計授權用戶對頻帶的占用時間和規(guī)律。 根據(jù)分析結果和當前應用的 QoS需求選擇出最合適的頻譜空洞和傳輸參數(shù)，從而滿足不同的業(yè)務需求，并充分利用頻譜資源。 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 頻譜共享多個認知用戶或網(wǎng)絡之間公平的，協(xié)調的共享頻譜機制，以提高頻譜的利用效率。 感知用戶之間的頻譜共享，感知用戶和授權用戶之間，以及不同感知網(wǎng)絡之間的頻譜共享等問題 目的：實現(xiàn)對頻譜的無沖突使用，并最大化頻譜的利用效率。 由于空閑頻譜資源的時變性，因此頻譜共享必須考慮到空閑頻譜的變化來動態(tài)協(xié)調對空閑頻譜的共享。 頻譜移動性管理當認知系統(tǒng)的工作頻譜信道質量變差或者用戶位置移動時都有可能導致頻譜切換。 無線電用戶在當前信道性能下降或者授權用戶出現(xiàn)的時候改變工作信道時的切換問題 . 在頻譜切換時，不同層的協(xié)議應該很快的適應新的工作頻段的參數(shù)，盡量保持業(yè)務的連續(xù)性。 （ 2）動態(tài)頻譜管理 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 接入機制： 退讓機制：次要及未授權用戶主動避讓主要用戶和授權用戶 （ 3）接入和退讓機制 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 目錄 前言 基本概念 實現(xiàn) CR需解決的問題 國外業(yè)界研究情況 國內研究進展 應用前景及帶來的挑戰(zhàn) 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 標準化工作 國際電聯(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 CR技術的標準 ;后又陸續(xù)建立 P1900.4和 P1900.6工作組研究利用 CR技術解決未來無線異構網(wǎng)絡融合問題 研究成果 ITU-R SM.2152 - Definitions of Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio System (CRS) ITU-R LMS.CRS - Cognitive radio systems in the land mobile service (PDNR) ITU-R M.IMT.CRS Cognitive radio systems specific for IMT systems (DNR) /22/ 國外業(yè)界研究情況 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 美國研究情況 美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC)2002年發(fā)布頻譜政策特別工作組 (SPTF)報告，設定了認知無線電工作組，標志著認知無線電技術正式起步。 美國軍方 DARPA的 XG項目將研制以認知無線電為核心的系統(tǒng)方法和關鍵技術，以實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入和共享。 2009年 3月 19日起，允許非授權設備使用 TV White Space進行寬帶數(shù)據(jù)通信。 目前 CR的實際部署依然較少，且較多依賴于臺站數(shù)據(jù)庫的先驗信息 。 國外業(yè)界研究情況 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 歐洲研究情況 歐洲電信標準協(xié)會 (European Telecommunications Standards Institute, ETSI )于 2008年 1月成立可重配置無線電系統(tǒng) (Reconfigurable Radio Systems, RRS)委員會 (Technical Committee) 目前處于技術研究階段。 國外業(yè)界研究情況 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 目錄 前言 基本概念 實現(xiàn) CR需解決的問題 國外業(yè)界研究情況 國內研究進展 應用前景及帶來的挑戰(zhàn) 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 我國實行積極穩(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題；又要有序支持目前無線電行業(yè)發(fā)展 從科學研究出發(fā)，國家自然基金委、科技部 863、973計劃、國家重大與項都設立了一系列 認知基礎理論不關鍵技術研究項目群 ，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) 國內 CCSA標準化機構也積極組織認知技術標準化工作 國內研究進展 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 SRMC參與情況 CCSA 2008年 12月， CCSA在 TC5 WG8第 27次會議上確定了 WRC12 1.19議題的研究立項，并計劃于2010年 12月完成兩份子報告 WRC12 1.19議題研究報告 關注 ITU-R WP1B、 5A等工作組及其他區(qū)域性組織關于該議題的研究進展和主要觀點等，最后對我國管理機構給出相應的建議。 認知無線電關鍵技術和頻譜相關問題研究報告 認知無線電技術分析 研究進展綜述 認知無線電對頻譜管理政策影響的分析和建議 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 “新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”國家重大專項課題：“面向 WRC11的頻譜有效利用關鍵技術研究及驗證” (2009.1-2010.12) 由國家無線電監(jiān)測中心牽頭 對一系列關鍵技術進行了研究 嘗試在 TD-LTE中加入認知功能，以實現(xiàn)同頻段雷達的共存 基于 TD-LTE幀結構，創(chuàng)造性提出上行時隙檢測方案（已申請專利） 針對雷達信號特征，采用能量檢測和基于循環(huán)平穩(wěn)的檢測方法 已 建立支持異構融合與動態(tài)頻譜共享利用的驗證演示平臺，采用認知相關的關鍵技術后，頻譜利用率提高30%以上。 對認知無線電相關的管理政策進行了研究 SRMC參與情況相關專項課題 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 國家高技術研究發(fā)展計劃（ 863）重點項目“頻譜資源共享無線通信系統(tǒng)”課題：“動態(tài)頻譜資源共享技術標準與應用研究”（ 2009.1-2010.12） 對應 WRC-11 相關議題，進行共存、兼容性研究，提出動態(tài)頻譜資源共享技術所需的頻譜管理策略，為我國2011年參與國際上有關頻段共享標準化研究提供技術支撐。 已完成 UHF頻段動態(tài)頻譜資源共享干擾共存分析。 正在開發(fā)體積小、靈敏度高的檢測終端，與整個測試平臺一起實現(xiàn)認知功能。 SRMC參與情況相關專項課題 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 目錄 前言 基本概念 實現(xiàn) CR需解決的問題 國外業(yè)界研究情況 國內研究進展 應用前景及帶來的挑戰(zhàn) 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 應用前景 按照行業(yè)性質 軍事領域 公共安全、應急通信領域 商業(yè)領域 CR應首先應用于電子戰(zhàn)，破壞敵方通信，并保護自方通信。隨后逐步向民用領域擴展。 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 頻譜管理的四種手段：行政、經(jīng)濟、法律、技術 目前亟需從 行政 和 技術 兩方面考慮引入 CR后的變化和應對措施。 認知無線電帶來的挑戰(zhàn)分析 2010全國無線電監(jiān)測技術研討會 頻譜政策： 考慮 定義長期演進的頻譜管理戰(zhàn)略 ，以逐步開放 的方式， 制定丌同階段適合對認知技術開放的頻段 ，即何種情況下符合什么條件的頻段適合開放？ 政策法規(guī)： 原則上在個別頻段可以考慮 改變目前的固定頻譜分配政策，采取開放、靈活的勱態(tài)頻譜分配政策思路 設備認證管理： 需要 對具有認知功能的無線電設備制定新的管理辦法 ，進行監(jiān)督、認證不核查 （ 1）行政管理挑戰(zhàn) 2010全國無線電監(jiān)測技