認(rèn)知無(wú)線電本地頻譜感知技術(shù)研究ppt課件

1、認(rèn)知無(wú)線電的本地頻譜感知技術(shù)研討 053122 邵偉鍵通訊現(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(jī)制陳舊尋求新的頻譜分配機(jī)制并研討新的通訊系統(tǒng)認(rèn)知無(wú)線電是關(guān)鍵技術(shù)研討現(xiàn)狀1 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研討方案署(DARPA)資助的下一代無(wú)線通訊(xG)工程：系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)2 美國(guó)Rutgers 大學(xué)winlab 實(shí)驗(yàn)室正在做一個(gè)有關(guān)認(rèn)知無(wú)線技術(shù)的國(guó)家自然科學(xué)基金工程：設(shè)計(jì)和建立一種靈敏的高性能的認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)的模型3 英國(guó)的挪動(dòng)電信技術(shù)虛擬中心進(jìn)展自順應(yīng)射頻技術(shù)的研討：自順應(yīng)射頻技術(shù)4 歐洲通訊協(xié)會(huì)資助的DRIVE，OverDRiVE 和TRUST 工程主：在混合的多無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)

2、中頻譜的動(dòng)態(tài)分配和流量控制5 國(guó)家863 方案基金：認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中的協(xié)作及跨層設(shè)計(jì)技術(shù)、空間信號(hào)檢測(cè)和分析及QoS 保證機(jī)制等認(rèn)知無(wú)線電定義：“認(rèn)知無(wú)線電是可以根據(jù)環(huán)境變化改動(dòng)傳送端參數(shù)的無(wú)線電。運(yùn)用：用于自順應(yīng)頻譜管理的工具和技術(shù)，子系統(tǒng)的研發(fā)智能天線、傳感器和接納機(jī)，自順應(yīng)調(diào)制和波形技術(shù)等。是下一代網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)運(yùn)用頻譜的鍵。意義：認(rèn)知無(wú)線電可以在沒(méi)有用戶(hù)運(yùn)用授權(quán)頻段的時(shí)候運(yùn)用這個(gè)頻段，極大地提高了頻譜利用率，彌補(bǔ)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(rèn)知無(wú)線電的特性與功能：特性：認(rèn)知才干：認(rèn)知才干就是從環(huán)境中獲取感知信息的才干。用復(fù)雜的技術(shù)獲得環(huán)境瞬時(shí)的空間的變量并防止對(duì)其他用戶(hù)的

3、干擾。重置才干：認(rèn)知才干感知頻譜，而重置才干那么使無(wú)線電可以動(dòng)態(tài)的配置硬件參數(shù)。使其可以在不同的頻率上發(fā)送和接納，還可以運(yùn)用由硬件設(shè)備支持的不同傳送接入認(rèn)知無(wú)線電的功能四大功能頻譜感知：判別哪些頻譜是可用的，并探測(cè)當(dāng)用戶(hù)任務(wù) 在一個(gè)已授權(quán)的頻段上時(shí)能否存在授權(quán)用戶(hù)頻譜管理：選擇最優(yōu)的可用信道運(yùn)用頻譜共享：調(diào)整與其他用戶(hù)的信道接入，為幾個(gè)xG 用戶(hù) 提供適當(dāng)?shù)念l譜安排方法頻譜挪動(dòng)：在檢測(cè)到授權(quán)用戶(hù)時(shí)空出信道，遷移到其他的 頻段上頻譜感知通常在接納端進(jìn)展干擾溫度的丈量，并搜索“頻譜空洞，將獲得的信息經(jīng)過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的反響信道傳送至發(fā)送端，并據(jù)此進(jìn)展發(fā)射功率控制處置和動(dòng)態(tài)頻譜管理.不僅僅在“頻譜空洞的搜

4、索和斷定中起關(guān)鍵作用，而且在系統(tǒng)的通訊過(guò)程中，它還需求擔(dān)任頻譜形狀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).為高層的頻譜管理提供輔助。比較準(zhǔn)確地?cái)喽ㄉ漕l信號(hào)碰撞事件，使認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)可以盡快進(jìn)展自動(dòng)退避，防止過(guò)多地影響原有授權(quán)用戶(hù)的通訊。頻譜感知的分類(lèi)關(guān)鍵字：頻譜空洞，干擾溫度，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要素1，環(huán)境要素?zé)o線信道 A 途徑損耗，接納到信號(hào)功率會(huì)隨著接納端和發(fā)送端之間的間隔而減小。 B 陰影，會(huì)導(dǎo)致接納信號(hào)的功率的動(dòng)搖，從而導(dǎo)致覆蓋破綻。2，專(zhuān)屬地域：專(zhuān)屬地帶是指頻段空閑并可以被待效力用戶(hù)運(yùn)用的地域。 A主用戶(hù)正巧在專(zhuān)屬地帶以外，此時(shí)頻譜空洞的識(shí)別

5、不應(yīng)該對(duì)主用戶(hù)的干擾敏感。 B在結(jié)合傳播網(wǎng)絡(luò)上的無(wú)線傳播，在很低的傳送功率上任務(wù)。動(dòng)態(tài)的頻譜管理算法必 須可以處置微弱的無(wú)線傳播。3，未來(lái)運(yùn)用的預(yù)期容量：在特定地理位置和特定時(shí)間檢測(cè)頻譜空洞只適用于那個(gè)特定的時(shí)間。 A繼續(xù)監(jiān)控能夠的頻譜空洞。 B處置主用戶(hù)能夠性的多種頻譜途徑需求一種頻率本人運(yùn)用。頻譜感知的物理構(gòu)造認(rèn)知無(wú)線電發(fā)送接納機(jī)的主要構(gòu)造組成有前端和基帶處置部分。每個(gè)部分都可以隨著時(shí)變的RF環(huán)境重新配置。RF前端：接納到的信號(hào)被放大混頻并A/D轉(zhuǎn)換。基帶處置部分：信號(hào)被調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼。匹配濾波器檢測(cè)法v適用范圍：對(duì)授權(quán)用戶(hù)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

6、道的CDMA系統(tǒng)等等。v檢測(cè)原理：v 濾波器輸出由輸出信號(hào)和輸出噪聲兩部分組成， 將輸出y(t)與門(mén)限作比較，y(t)那么判決有信號(hào)。特點(diǎn)：匹配濾波器法的最大特點(diǎn)就是輸出的信噪比到達(dá)最大，從而使錯(cuò)誤判決概率到達(dá)最小。性能分析：優(yōu)點(diǎn)：可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成同步而提高信號(hào)的處置增益；缺陷：要求認(rèn)知用戶(hù)掌握每一類(lèi)授權(quán)用戶(hù)的各種信息。能量檢測(cè)法v適用范圍：由于只關(guān)懷信號(hào)的能量，所以適用于各種方式確實(shí)定信號(hào)。v檢測(cè)原理：能量檢測(cè)器由平方器件和有限時(shí)間積分器組成v 在特定的時(shí)間間隔內(nèi)丈量輸入信號(hào)的能量。v有限時(shí)間積分器的輸出就是輸入信號(hào)時(shí)間間隔內(nèi)的能量，并與比較門(mén)限進(jìn)展比較。假設(shè)大于那么判別有信號(hào)的存在，

7、反之那么斷定沒(méi)有信號(hào)。v特點(diǎn)：能量檢測(cè)法和頻譜分析類(lèi)似，只需能從功率譜圖中明晰的得到信號(hào)的譜圖，即闡明能量檢測(cè)法可正常的進(jìn)展頻譜感知。v根據(jù)檢測(cè)概率和錯(cuò)誤概率的公式，可得出接納端任務(wù)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。留意：v性能分析：v 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)比較成熟，可靠性較高而且實(shí)施起 來(lái)比較簡(jiǎn)單。v 缺陷：1，比較門(mén)限較難設(shè)定。2，當(dāng)信號(hào)極弱時(shí)，會(huì)出現(xiàn)三者混淆的情況。3，只能斷定信號(hào)能否存在而不能區(qū)分信號(hào)類(lèi)型門(mén)限：門(mén)限的設(shè)定非常重要。當(dāng)增大時(shí)，檢測(cè)概率Pd和錯(cuò)誤概率Pf都會(huì)減小。相比于其他情況的參數(shù)設(shè)置，要到達(dá)適當(dāng)?shù)奶岣逷d的效果，即在設(shè)定門(mén)限時(shí)，適當(dāng)?shù)慕档烷T(mén)限，

8、犧牲一定的頻譜利用率來(lái)保證主用戶(hù)的正常通訊環(huán)境。察看時(shí)間間隔T：1，計(jì)算時(shí)間，頻譜感知要求對(duì)環(huán)境到達(dá)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，因此時(shí)間T不宜過(guò)長(zhǎng)2，判決準(zhǔn)確度，信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性在瞬時(shí)并不確定，只需在適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才干看出，因此要保證較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)添加判決的準(zhǔn)確度，從這個(gè)角度來(lái)看，T應(yīng)該盡能夠的長(zhǎng)。循環(huán)平穩(wěn)特性檢測(cè)法v適用范圍：具有二階周期特性或循環(huán)平穩(wěn)特性的信號(hào)。v檢測(cè)原理：調(diào)制信號(hào)的特點(diǎn)是循環(huán)平穩(wěn)的，這些特性都是周期性的。接納端可以獲得一些參數(shù)，比如載波相位、脈沖同步或是接納方向。由于周期性又會(huì)引起頻譜冗余。vSx( f)為循環(huán)譜密度函數(shù)(CSD)，簡(jiǎn)稱(chēng)為循環(huán)譜，由上式可知它等于u(t)，v(t)的互譜密度S

9、UV( f)。v循環(huán)譜函數(shù)是關(guān)于f 和的函數(shù)，可得到一個(gè)三維圖形。只需在0的譜頻率分量上存在譜函數(shù)，即可斷定信號(hào)的存在。v性能分析：v優(yōu)點(diǎn)：能檢測(cè)到調(diào)制類(lèi)型，符號(hào)速率和能否存在擾。v缺陷：計(jì)算復(fù)雜，對(duì)計(jì)算時(shí)間要求較高。 檢測(cè)性能會(huì)隨著多徑和陰影衰落引起的接納信號(hào)強(qiáng)度的減弱而降低v仿真：在信號(hào)的循環(huán)頻率處會(huì)有較高的譜，即可了解為在循環(huán)頻率軸方向的譜峰，由此可檢測(cè)出信號(hào)的循環(huán)頻率以下圖表示在10DB情況下，信號(hào)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(hào)只在循環(huán)頻率處有譜峰值。載波提取法v適用范圍：需預(yù)先知道授權(quán)用戶(hù)的一些信息v檢測(cè)原理：大多數(shù)的信號(hào)都需求調(diào)制到載波上再傳輸

10、，每個(gè)信號(hào)里都會(huì)有載波存在。信號(hào)處置判決的輸入都有載頻信號(hào)的存在，因此假設(shè)可以在接納端檢測(cè)到載波的存在，就是檢測(cè)到存在信號(hào)。v把輸出結(jié)果與門(mén)限進(jìn)展比較，大于門(mén)限那么判決有信號(hào)。在理想情況下，輸出應(yīng)該為1。門(mén)限應(yīng)該是略小于1的值。v性能分析：檢測(cè)性能會(huì)隨著多徑和陰影衰落引起的接納信號(hào)強(qiáng)度的減弱而降低，載波提取方法也需求預(yù)先知道發(fā)送信號(hào)的一些信息。幾種方法的分析和比較v在仿真中，所用的信號(hào)類(lèi)型是MSK信號(hào)，噪聲是高斯白噪聲。v仿真參數(shù)是：截短總時(shí)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v 信號(hào)的功率譜圖

11、v可以看出在低信噪比情況下信號(hào)的功率譜曾經(jīng)隱藏在噪聲中，能量檢測(cè)器曾經(jīng)不能正常任務(wù)了。v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(cè)器的任務(wù)性能依然優(yōu)良。如以下圖：v以上仿真信號(hào)功率一樣，信噪比時(shí)-20DB的情況下，只需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(mén)限，由圖可以看出在噪聲很大的情況下也不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)判。v仿真參數(shù)是：截短總時(shí)間T=32ms，系統(tǒng)帶寬Bs=16MHz，抽樣速率Fs=32 MHz。如右圖：v由上面分析可知：v 循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法和載波提取法的性能優(yōu)良，v即使在低信噪比下也能正常地任務(wù)。相比之v下，能量檢測(cè)法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是在低信噪v比下就不能滿(mǎn)足頻譜感知的要求了。本地感知的弊端v弊端：v1，缺乏主發(fā)送端信息，信號(hào)的本地感知不可防止地遭到干擾。v2，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，很近間隔內(nèi)的主用戶(hù)也有能夠檢測(cè)到。v因此認(rèn)知無(wú)線電靈敏度應(yīng)該比主用戶(hù)接納端的高很多來(lái)防止隱性終端問(wèn)題處理方案v1，在本地感知的范圍內(nèi)，改良本地感知的方法。例如：改良能量檢測(cè)法的方案：雙門(mén)限法。v2，在本地感知的根底上提出結(jié)合感知的概