1、认知无线电的本地频谱感知技术研究 053122 邵伟键第1页，共25页。通信现状大量的可用频谱已被分配天线尺寸和电磁波传输性质的限制频谱分配机制陈旧寻求新的频谱分配机制并研究新的通信系统认知无线电是关键技术第2页，共25页。研究现状1 美国国防高级研究计划署(DARPA)资助的下一代无线通信(xG)项目：系统方法和关键技术2 美国Rutgers 大学winlab 实验室正在做一个有关认知无线技术的国家自然科学基金项目：设计和建立一种灵活的高性能的认知无线电平台的模型3 英国的移动电信技术虚拟中心进行自适应射频技术的研究：自适应射频技术4 欧洲通信协会资助的DRIVE，OverDRiVE 和TR
2、UST 项目主：在混合的多无线电网络中频谱的动态分配和流量控制5 国家863 计划基金：认知无线电系统中的合作及跨层设计技术、空间信号检测和分析及QoS 保证机制等第3页，共25页。认知无线电定义：“认知无线电”是可以根据环境变化改变传送端参数的无线电。应用：用于自适应频谱管理的工具和技术，子系统的研发智能天线、传感器和接收机，自适应调制和波形技术等。是下一代网络动态使用频谱的键。意义：认知无线电可以在没有用户使用授权频段的时候使用这个频段，极大地提高了频谱利用率，弥补了固定频谱分配的缺陷，正是下一代网络的关键技术。第4页，共25页。认知无线电的特性与功能：特性：v认知能力认知能力：认知能力就
3、是从环境中获取感知信息的能力。用复杂的技术获得环境瞬时的空间的变量并避免对其他用户的干扰。v重置能力重置能力：认知能力感知频谱，而重置能力则使无线电可以动态的配置硬件参数。使其可以在不同的频率上发送和接收，还可以使用由硬件设备支持的不同传送接入第5页，共25页。认知无线电的功能四大功能频谱感知：判断哪些频谱是可用的，并探测当用户工作 在一个已授权的频段上时是否存在授权用户频谱管理：选择最优的可用信道使用频谱共享：调整与其他用户的信道接入，为几个xG 用户 提供适当的频谱安排方法频谱移动：在检测到授权用户时空出信道，迁移到其他的 频段上第6页，共25页。频谱感知通常在接收端进行干扰温度的测量，并
4、搜寻“频谱空洞”，将获得的信息通过系统预设的反馈信道传送至发送端，并据此进行发射功率控制处理和动态频谱管理.不仅仅在“频谱空洞”的搜寻和判定中起关键作用，而且在系统的通信过程中，它还需要负责频谱状态的实时监测.为高层的频谱管理提供辅助。比较准确地判定射频信号碰撞事件，使认知无线电系统能够尽快进行主动退避，避免过多地影响原有授权用户的通信。频谱感知的分类关键字：频谱空洞，干扰温度，关键字：频谱空洞，干扰温度，TInt=(N+I)/(KB)第7页，共25页。影响频谱空洞感知的因素1，环境因素（无线信道）v A 路径损耗，接收到信号功率会随着接收端和发送端之间的距离而减小。v B 阴影，会导致接收信
5、号的功率的波动，从而导致覆盖漏洞。2，专属地区：专属地带是指频段空闲并可以被待服务用户使用的地区。v A主用户正巧在专属地带以外，此时频谱空洞的识别不应该对主用户的干扰敏感。v B在联合传播网络上的无线传播，在很低的传送功率上工作。动态的频谱管理算法必 须可以处理微弱的无线传播。3，将来使用的预期容量：在特定地理位置和特定时间检测频谱空洞只适用于那个特定的时间。v A持续监控可能的频谱空洞。v B处理主用户可能性的多种频谱路径需要一种频率自己使用。第8页，共25页。频谱感知的物理结构认知无线电发送接收机的主要结构组成有前端和基带处理部分。每个部分都可以随着时变的RF环境重新配置。RF前端：接收
6、到的信号被放大混频并A/D转换。基带处理部分：信号被调制/解调、编码/解码。第9页，共25页。匹配滤波器检测法v适用范围：对授权用户信息比较了解的频谱环境当中，例如超高频的电视频段、有同步信道的CDMA系统等等。v检测原理：滤波器输出由输出信号和输出噪声两部分组成，将输出y(t)与门限作比较，y(t)则判决有信号。第10页，共25页。特点：v匹配滤波器法的最大特点就是输出的信噪比达到最大，从而使错误判决概率达到最小。性能分析：v优点：可以在很短的时间内完成同步而提高信号的处理增益；v缺点：要求认知用户掌握每一类授权用户的各种信息。第11页，共25页。能量检测法v适用范围：由于只关心信号的能量，
7、所以适用于各种形式的确定信号。v检测原理：能量检测器由平方器件和有限时间积分器组成v 在特定的时间间隔内测量输入信号的能量。v有限时间积分器的输出就是输入信号时间间隔内的能量，并与比较门限进行比较。若大于则判别有信号的存在，反之则判定没有信号。第12页，共25页。v特点：能量检测法和频谱分析相似，只要能从功率谱图中清晰的得到信号的谱图，即说明能量检测法可正常的进行频谱感知。v根据检测概率和错误概率的公式，可得出接收端工作特性ROC图如下：设m=5,在不同的信噪比下，做出Pd和Pf的关系图。第13页，共25页。注意：v性能分析：优点：技术比较成熟，可靠性较高而且实施起 来比较简单。缺点：1，比较
8、门限较难设定。2，当信号极弱时，会出现三者混淆的情况。3，只能判定信号是否存在而不能区分信号类型门限：门限的设定非常重要。当增大时，检测概率Pd和错误概率Pf都会减小。相比于其他情况的参数设置，要达到适当的提高Pd的效果，即在设定门限时，适当的降低门限，牺牲一定的频谱利用率来保证主用户的正常通信环境。观察时间间隔T：1，计算时间，频谱感知要求对环境达到实时的监测，因此时间T不宜过长2，判决准确度，信号的统计特性在瞬时并不确定，只有在适当长的时间内才能看出，因此要保证较长的时间来增加判决的准确度，从这个角度来看，T应该尽可能的长。第14页，共25页。循环平稳特性检测法v适用范围：具有二阶周期特性
9、或循环平稳特性的信号。v检测原理：调制信号的特点是循环平稳的，这些特性都是周期性的。接收端可以获得一些参数，比如载波相位、脉冲同步或是接收方向。由于周期性又会引起频谱冗余。vSx(f)为循环谱密度函数(CSD)，简称为循环谱，由上式可知它等于u(t)，v(t)的互谱密度SUV(f)。v循环谱函数是关于f 和的函数，可得到一个三维图形。只要在0的谱频率分量上存在谱函数，即可判定信号的存在。第15页，共25页。v性能分析：优点：能检测到调制类型，符号速率和是否存在扰。缺点：计算复杂，对计算时间要求较高。检测性能会随着多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低v仿真：在信号的循环频率处会有较高的谱
10、，即可理解为在循环频率轴方向的谱峰，由此可检测出信号的循环频率下图表示在10DB情况下，信号的循环平稳特性。而且在=0处循环谱最大，在其他0处较小，可以看出信号只在循环频率处有谱峰值。第16页，共25页。载波提取法v适用范围：需预先知道授权用户的一些信息v检测原理：大多数的信号都需要调制到载波上再传输，每个信号里都会有载波存在。信号处理判决的输入都有载频信号的存在，因此如果能够在接收端检测到载波的存在，就是检测到存在信号。第17页，共25页。v把输出结果与门限进行比较，大于门限则判决有信号。在理想情况下，输出应该为1。门限应该是略小于1的值。v性能分析：检测性能会随着多径和阴影衰落引起的接收信
11、号强度的减弱而降低，载波提取方法也需要预先知道发送信号的一些信息。第18页，共25页。几种方法的分析和比较v在仿真中，所用的信号类型是MSK信号，噪声是高斯白噪声。v仿真参数是：截短总时间T=256us，系统带宽Bs=64MHz，抽样速率Fs=128 MHz，MSK调制频Fc=16/Ts=32 MHz。-20DB信噪比 信号的功率谱图第19页，共25页。v可以看出在低信噪比情况下信号的功率谱已经隐藏在噪声中，能量检测器已经不能正常工作能量检测器已经不能正常工作了。v在同等参数的情况下，在循环频率2fc上的循环谱图，可以看出在低信噪比情况下噪声的影响很小，循环循环平稳检测器平稳检测器的工作性能依
12、然优异工作性能依然优异。如下图：第20页，共25页。v以上仿真信号功率相同，信噪比时-20DB的情况下，只有噪声输入情况下载波提取法的输出。假设以0.9作为载波提取法载波提取法的比较门限，由图可以看出在噪声很大的情况下也不会出现错判也不会出现错判。v仿真参数是：截短总时间T=32ms，系统带宽Bs=16MHz，抽样速率Fs=32 MHz。如右图：第21页，共25页。v由上面分析可知：循环平稳检测法和载波提取法的性能优异，即使在低信噪比下也能正常地工作。相比之下，能量检测法虽然实现简单，但是在低信噪比下就不能满足频谱感知的要求了。第22页，共25页。本地感知的弊端v弊端：v1，缺乏主发送端信息，
13、信号的本地感知不可避免地受到干扰。v2，在阴影衰落、多径衰落、或是室内的穿透损耗很大的情况下，很近距离内的主用户也有可能检测到。v因此认知无线电灵敏度应该比主用户接收端的高很多来避免隐性终端问题第23页，共25页。解决方案v1，在本地感知的范围内，改进本地感知的方法。例如：改进能量检测法的方案：双门限法。v2，在本地感知的基础上提出联合感知的概念。综合考虑多个xG 用户，单个用户检测的不确定性达到最小，在理论上更加精确解决方案第24页，共25页。认知无线电的前景展望v现在的频谱政策已经成为通信发展的桎梏，认知无线电作为下一代网络的关键技术，将被广泛的应用。频谱感知方法也成为研究的热点。认知无线电技术还是个很新的课题，国内外对于本课题的研究还处于初始阶段，不过随着时代的发展，认知无线电技术必将会越来越成熟，为人类的发展做出贡献。第25页，共25页。
