軟件無(wú)線(xiàn)電原理與應(yīng)用第3版 課件 【ch09】軟件無(wú)線(xiàn)電的新發(fā)展-認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電

軟件無(wú)線(xiàn)電原理與應(yīng)用（第三版）軟件無(wú)線(xiàn)電的新發(fā)展——認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電第九章高等學(xué)校電子信息類(lèi)精品教材01認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電基本概念認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電基本概念01認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的提出背景隨著無(wú)線(xiàn)通信的快速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越清楚地認(rèn)識(shí)到無(wú)線(xiàn)電頻譜是一種有限而又寶貴的自然資源，甚至是一種重要的戰(zhàn)略資源。它應(yīng)該在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域得到合理、有效、經(jīng)濟(jì)的利用，發(fā)揮其最大價(jià)值。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電基本概念01認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的定義及特點(diǎn)不同研究人員對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的定義會(huì)有所不同。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電概念的提出者J.Mitola對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的定義是“認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電是一種采用基于模型的推理來(lái)達(dá)到無(wú)線(xiàn)電相關(guān)域中特定級(jí)別的能力的無(wú)線(xiàn)電"。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電基本概念01認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的定義及特點(diǎn)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)是一個(gè)由分布式認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)可以促進(jìn)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)之間的交互，通過(guò)多點(diǎn)感知提供對(duì)環(huán)境更深刻、更全面的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)在時(shí)、頻、空三維空間對(duì)無(wú)線(xiàn)電頻譜更為精確的感知。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電基本概念01認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電關(guān)鍵技術(shù)(1)準(zhǔn)確、快速的頻譜感知技術(shù)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須有檢測(cè)非協(xié)同信號(hào)的能力，通過(guò)在整個(gè)可利用頻段不斷進(jìn)行頻譜檢測(cè)，動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)和利用空閑頻譜資源。(2)多頻段、可重構(gòu)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電通用平臺(tái)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電要能工作于多個(gè)頻段，能適合各種無(wú)線(xiàn)信道，能根據(jù)無(wú)線(xiàn)信道特征，對(duì)信號(hào)參數(shù)、波形等實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)配置。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電基本概念01認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電關(guān)鍵技術(shù)(3)輻射功率小、抗干擾能力強(qiáng)的信號(hào)形式為防止認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電發(fā)射的信號(hào)對(duì)其他用戶(hù)產(chǎn)生干擾，在保證可靠通信的前提下，盡量發(fā)射較小的功率。目前大家認(rèn)為超寬帶(UWB)或OFDM是一種比較合適的認(rèn)知通信波形。(4)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的認(rèn)知協(xié)議收發(fā)雙方由于所在的位置不同，其所處的電磁環(huán)境也不一樣，空閑信道可能不盡相同；即使空閑信道存在，可能同時(shí)有多個(gè)。02認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程02頻譜感知頻譜感知為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)提供環(huán)境信息和決策依據(jù)，是提高頻譜利用效率、改善無(wú)線(xiàn)信道傳輸條件、網(wǎng)絡(luò)智能化、消除各種干擾(包括有意干擾、無(wú)意干擾)、有效進(jìn)行頻譜資源管理的基礎(chǔ)。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程02頻譜分析通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的頻譜感知，可以發(fā)現(xiàn)在某個(gè)時(shí)段存在的“頻譜空穴”,這些可用“頻譜空穴”分布在授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段上較寬的頻率范圍內(nèi)，其頻率、帶寬、底部噪聲、使用時(shí)刻等各不相同。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電頻譜分析主要完成對(duì)“頻譜空穴”特征的分析，如“空穴”所占的帶寬、“空穴”的干擾或噪聲電平、“空穴”的時(shí)間分布特性等。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程02頻譜決策頻譜決策在頻譜分析基礎(chǔ)上，選擇一組合適的“頻譜空穴”,確定通信體制和通信參數(shù)，以適應(yīng)無(wú)線(xiàn)環(huán)境需求、監(jiān)管政策要求、用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求以及認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)自身硬件條件。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程02頻譜會(huì)聚頻譜會(huì)聚是指所確定的通信參數(shù)，建立發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的通信鏈路，完成發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的初始握手。目前較為典型的頻譜會(huì)聚方法依賴(lài)于一條可用的公共控制信道，該信道對(duì)所有認(rèn)知節(jié)點(diǎn)均為可用，控制信息在該信道上交互。IEEE802.22采用的就是這種方法。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程02頻譜監(jiān)視頻譜監(jiān)視即帶內(nèi)感知，是指建立通信后，對(duì)通信信道進(jìn)行的“在線(xiàn)”檢測(cè)。頻譜監(jiān)視是保證認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的通信不對(duì)主用戶(hù)造成有害干擾的重要過(guò)程，也是保證認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在通信過(guò)程中不經(jīng)受其他干擾的重要措施。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程02頻譜切換當(dāng)帶內(nèi)感知到主用戶(hù)信號(hào)時(shí)，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須改變其工作頻率，尋找另一個(gè)“頻譜空穴”繼續(xù)通信，此過(guò)程即為頻譜切換。03頻譜感知技術(shù)頻譜感知技術(shù)03接收機(jī)檢測(cè)頻譜感知檢測(cè)頻譜空穴最有效的方法就是檢測(cè)在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電通信范圍以?xún)?nèi)是否有主用戶(hù)在接收數(shù)據(jù)。一種接收機(jī)檢測(cè)方法是利用接收機(jī)的本地振蕩器泄露來(lái)直接檢測(cè)主接收機(jī)。另一種接收機(jī)檢測(cè)方法是檢測(cè)主用戶(hù)接收機(jī)處的干擾溫度。頻譜感知技術(shù)03發(fā)射機(jī)檢測(cè)頻譜感知1.匹配濾波法當(dāng)認(rèn)知用戶(hù)知道授權(quán)用戶(hù)信號(hào)的先驗(yàn)信息(調(diào)制類(lèi)型、脈沖整形、幀格式等)時(shí)，檢測(cè)的最優(yōu)選擇是匹配濾波器，它能使得信噪比最大化。頻譜感知技術(shù)03發(fā)射機(jī)檢測(cè)頻譜感知2.基于波形的檢測(cè)方法為便于同步或其他目的，無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)通常會(huì)使用一些已知的模式。頻譜感知技術(shù)03發(fā)射機(jī)檢測(cè)頻譜感知3.能量檢測(cè)方法當(dāng)認(rèn)知用戶(hù)不知道主用戶(hù)信號(hào)信息的時(shí)候，能量檢測(cè)方法比較適合。頻譜感知技術(shù)03發(fā)射機(jī)檢測(cè)頻譜感知4.循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)方法經(jīng)過(guò)調(diào)制的定頻信號(hào)一般都是對(duì)正弦載波信號(hào)進(jìn)行幅度、相位、頻率的調(diào)制，對(duì)周期脈沖信號(hào)進(jìn)行脈幅、脈寬、脈位調(diào)制，跳頻信號(hào)有跳頻頻率集、跳頻序列，擴(kuò)頻信號(hào)有偽碼，OFDM信號(hào)有循環(huán)前綴等，這些特征的存在使得這些信號(hào)有內(nèi)在的周期性。頻譜感知技術(shù)03協(xié)作頻譜感知單個(gè)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的感知能力(接收靈敏度、作用距離、檢測(cè)帶寬等)有限，在對(duì)主用戶(hù)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，由于存在遮擋、衰落等原因，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)“隱藏終端”問(wèn)題，因此需要利用其他受陰影和衰落影響較小的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果，從而提高檢測(cè)性能。而且認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電通信雙方、多方由于地理環(huán)境等原因，所處的電磁環(huán)境并不盡相同，需要通過(guò)多個(gè)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)的協(xié)同工作，才能實(shí)現(xiàn)較寬頻率范圍、較大作用距離、較高效率的感知。頻譜感知技術(shù)03多維頻譜感知目前"頻譜空穴"僅考慮了頻譜空間的頻率、時(shí)間和空間三個(gè)維度。頻譜感知技術(shù)03多維頻譜感知04IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)04物理層接口在IEEE802.22協(xié)議中，物理層的上下鏈路都采用OFDMA調(diào)制體制。由于用戶(hù)端距離基站的距離各不相同，因此，信噪比也不盡相同，基站為了提高系統(tǒng)效率，能對(duì)每個(gè)用戶(hù)端設(shè)備的帶寬、調(diào)制方式和編碼方式等進(jìn)行調(diào)整。IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)04MAC層接口為能對(duì)無(wú)線(xiàn)電環(huán)境作出及時(shí)反應(yīng)，MAC層需要具有高度的動(dòng)態(tài)性能。除了能提供媒體接入控制、魯棒數(shù)據(jù)傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)的MAC服務(wù)之外，還要能提供一整套全新的機(jī)制來(lái)保證系統(tǒng)在TV頻段內(nèi)有效工作，比如，分布式頻譜感知、頻譜資源共享等。IEEE802.22