認知無線電本地頻譜感知技術(shù)研究

1、認知無線電的本地頻譜感知技術(shù)研究 053122 1通信現(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)的限制頻譜分配機制陳舊尋求新的頻譜分配機制并研究新的通信系統(tǒng)認知無線電是關(guān)鍵技術(shù)2研究現(xiàn)狀1 美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助的下一代無線通信(xG)項目：系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)2 美國Rutgers 大學(xué)winlab 實驗室正在做一個有關(guān)認知無線技術(shù)的國家自然科學(xué)基金項目：設(shè)計和建立一種靈活的高性能的認知無線電平臺的模型3 英國的移動電信技術(shù)虛擬中心進行自適應(yīng)射頻技術(shù)的研究：自適應(yīng)射頻技術(shù)4 歐洲通信協(xié)會資助的DRIVE，OverDRiVE 和TRUST 項目主：在混合的多無線電網(wǎng)絡(luò)中

2、頻譜的動態(tài)分配和流量控制5 國家863 計劃基金：認知無線電系統(tǒng)中的合作及跨層設(shè)計技術(shù)、空間信號檢測和分析及QoS 保證機制等3認知無線電定義：“認知無線電”是可以根據(jù)環(huán)境變化改變傳送端參數(shù)的無線電。應(yīng)用：用于自適應(yīng)頻譜管理的工具和技術(shù)，子系統(tǒng)的研發(fā)智能天線、傳感器和接收機，自適應(yīng)調(diào)制和波形技術(shù)等。是下一代網(wǎng)絡(luò)動態(tài)使用頻譜的鍵。意義：認知無線電可以在沒有用戶使用授權(quán)頻段的時候使用這個頻段，極大地提高了頻譜利用率，彌補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)。4認知無線電的特性與功能：特性：認知能力：認知能力就是從環(huán)境中獲取感知信息的能力。用復(fù)雜的技術(shù)獲得環(huán)境瞬時的空間的變量并避免對其他用

3、戶的干擾。重置能力：認知能力感知頻譜，而重置能力則使無線電可以動態(tài)的配置硬件參數(shù)。使其可以在不同的頻率上發(fā)送和接收，還可以使用由硬件設(shè)備支持的不同傳送接入5認知無線電的功能四大功能頻譜感知：判斷哪些頻譜是可用的，并探測當(dāng)用戶工作 在一個已授權(quán)的頻段上時是否存在授權(quán)用戶頻譜管理：選擇最優(yōu)的可用信道使用頻譜共享：調(diào)整與其他用戶的信道接入，為幾個xG 用戶 提供適當(dāng)?shù)念l譜安排方法頻譜移動：在檢測到授權(quán)用戶時空出信道，遷移到其他的 頻段上6頻譜感知通常在接收端進行干擾溫度的測量，并搜尋“頻譜空洞”，將獲得的信息通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的反饋信道傳送至發(fā)送端，并據(jù)此進行發(fā)射功率控制處理和動態(tài)頻譜管理.不僅僅在“頻譜

4、空洞”的搜尋和判定中起關(guān)鍵作用，而且在系統(tǒng)的通信過程中，它還需要負責(zé)頻譜狀態(tài)的實時監(jiān)測.為高層的頻譜管理提供輔助。比較準(zhǔn)確地判定射頻信號碰撞事件，使認知無線電系統(tǒng)能夠盡快進行主動退避，避免過多地影響原有授權(quán)用戶的通信。頻譜感知的分類關(guān)鍵字：頻譜空洞，干擾溫度，TInt = (N + I ) /(KB)7影響頻譜空洞感知的因素1，環(huán)境因素（無線信道） A 路徑損耗，接收到信號功率會隨著接收端和發(fā)送端之間的距離而減小。 B 陰影，會導(dǎo)致接收信號的功率的波動，從而導(dǎo)致覆蓋漏洞。2，專屬地區(qū)：專屬地帶是指頻段空閑并可以被待服務(wù)用戶使用的地區(qū)。 A主用戶正巧在專屬地帶以外，此時頻譜空洞的識別不應(yīng)該對主用

5、戶的干擾敏感。 B在聯(lián)合傳播網(wǎng)絡(luò)上的無線傳播，在很低的傳送功率上工作。動態(tài)的頻譜管理算法必 須可以處理微弱的無線傳播。3，將來使用的預(yù)期容量：在特定地理位置和特定時間檢測頻譜空洞只適用于那個特定的時間。 A持續(xù)監(jiān)控可能的頻譜空洞。 B處理主用戶可能性的多種頻譜路徑需要一種頻率自己使用。8頻譜感知的物理結(jié)構(gòu)認知無線電發(fā)送接收機的主要結(jié)構(gòu)組成有前端和基帶處理部分。每個部分都可以隨著時變的RF環(huán)境重新配置。RF前端：接收到的信號被放大混頻并A/D轉(zhuǎn)換。基帶處理部分：信號被調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼。9匹配濾波器檢測法適用范圍：對授權(quán)用戶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、有同步信道的CDM

6、A系統(tǒng)等等。檢測原理： 濾波器輸出由輸出信號和輸出噪聲兩部分組成， 將輸出y(t)與門限作比較，y(t)則判決有信號。10特點：匹配濾波器法的最大特點就是輸出的信噪比達到最大，從而使錯誤判決概率達到最小。性能分析：優(yōu)點：可以在很短的時間內(nèi)完成同步而提高信號的處理增益；缺點：要求認知用戶掌握每一類授權(quán)用戶的各種信息。11能量檢測法適用范圍：由于只關(guān)心信號的能量，所以適用于各種形式的確定信號。檢測原理：能量檢測器由平方器件和有限時間積分器組成 在特定的時間間隔內(nèi)測量輸入信號的能量。有限時間積分器的輸出就是輸入信號時間間隔內(nèi)的能量，并與比較門限進行比較。若大于則判別有信號的存在，反之則判定沒有信號。

7、12特點：能量檢測法和頻譜分析相似，只要能從功率譜圖中清晰的得到信號的譜圖，即說明能量檢測法可正常的進行頻譜感知。根據(jù)檢測概率和錯誤概率的公式，可得出接收端工作特性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。13注意：性能分析： 優(yōu)點：技術(shù)比較成熟，可靠性較高而且實施起 來比較簡單。 缺點：1，比較門限較難設(shè)定。2，當(dāng)信號極弱時，會出現(xiàn)三者混淆的情況。3，只能判定信號是否存在而不能區(qū)分信號類型門限：門限的設(shè)定非常重要。當(dāng)增大時，檢測概率Pd和錯誤概率Pf都會減小。相比于其他情況的參數(shù)設(shè)置，要達到適當(dāng)?shù)奶岣逷d的效果，即在設(shè)定門限時，適當(dāng)?shù)慕档烷T限，犧牲一定的頻譜利用率來保

8、證主用戶的正常通信環(huán)境。觀察時間間隔T：1，計算時間，頻譜感知要求對環(huán)境達到實時的監(jiān)測，因此時間T不宜過長2，判決準(zhǔn)確度，信號的統(tǒng)計特性在瞬時并不確定，只有在適當(dāng)長的時間內(nèi)才能看出，因此要保證較長的時間來增加判決的準(zhǔn)確度，從這個角度來看，T應(yīng)該盡可能的長。14循環(huán)平穩(wěn)特性檢測法適用范圍：具有二階周期特性或循環(huán)平穩(wěn)特性的信號。檢測原理：調(diào)制信號的特點是循環(huán)平穩(wěn)的，這些特性都是周期性的。接收端可以獲得一些參數(shù)，比如載波相位、脈沖同步或是接收方向。由于周期性又會引起頻譜冗余。Sx( f)為循環(huán)譜密度函數(shù)(CSD)，簡稱為循環(huán)譜，由上式可知它等于u(t)，v(t)的互譜密度SUV( f)。循環(huán)譜函數(shù)是

9、關(guān)于f 和的函數(shù)，可得到一個三維圖形。只要在0的譜頻率分量上存在譜函數(shù)，即可判定信號的存在。15性能分析：優(yōu)點：能檢測到調(diào)制類型，符號速率和是否存在擾。缺點：計算復(fù)雜，對計算時間要求較高。 檢測性能會隨著多徑和陰影衰落引起的接收信號強度的減弱而降低仿真：在信號的循環(huán)頻率處會有較高的譜，即可理解為在循環(huán)頻率軸方向的譜峰，由此可檢測出信號的循環(huán)頻率下圖表示在10DB情況下，信號的循環(huán)平穩(wěn)特性。而且在=0處循環(huán)譜最大，在其他0處較小，可以看出信號只在循環(huán)頻率處有譜峰值。16載波提取法適用范圍：需預(yù)先知道授權(quán)用戶的一些信息檢測原理：大多數(shù)的信號都需要調(diào)制到載波上再傳輸，每個信號里都會有載波存在。信號處

10、理判決的輸入都有載頻信號的存在，因此如果能夠在接收端檢測到載波的存在，就是檢測到存在信號。17把輸出結(jié)果與門限進行比較，大于門限則判決有信號。在理想情況下，輸出應(yīng)該為1。門限應(yīng)該是略小于1的值。性能分析：檢測性能會隨著多徑和陰影衰落引起的接收信號強度的減弱而降低，載波提取方法也需要預(yù)先知道發(fā)送信號的一些信息。18幾種方法的分析和比較在仿真中，所用的信號類型是MSK信號，噪聲是高斯白噪聲。仿真參數(shù)是：截短總時間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 信號的功率譜圖19可以看出在低信噪比情況下信號的功率

11、譜已經(jīng)隱藏在噪聲中，能量檢測器已經(jīng)不能正常工作了。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)檢測器的工作性能依然優(yōu)異。如下圖：20以上仿真信號功率相同，信噪比時-20DB的情況下，只有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限，由圖可以看出在噪聲很大的情況下也不會出現(xiàn)錯判。仿真參數(shù)是：截短總時間T=32ms，系統(tǒng)帶寬Bs=16MHz，抽樣速率Fs=32 MHz。如右圖：21由上面分析可知： 循環(huán)平穩(wěn)檢測法和載波提取法的性能優(yōu)異，即使在低信噪比下也能正常地工作。相比之下，能量檢測法雖然實現(xiàn)簡單，但是在低信噪比下就不能滿足頻譜感知的要求了。22本地感知的弊端弊端：1，缺乏主發(fā)送端信息，信號的本地感知不可避免地受到干擾。2，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，很近距離內(nèi)的主用戶也有可能檢測到。因此認知無線電靈敏度應(yīng)該比主用戶接收端的高很多來避免隱性終端問題23解決方案1，在本地感知的范圍內(nèi)，改進本地感知的方法。例如：改進能量檢測法的方案：雙門限法。2，在本地感知的基礎(chǔ)上提出聯(lián)合感知的概念。綜合