認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù)研究2(碩士論文)

認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù)研究2(碩士論文)南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘要電磁波頻譜是一種珍貴自然資源,要政府的授權(quán)才能使用。隨著頻譜資源需求的不斷增長(zhǎng)和可獲得頻譜的減少,美國(guó)決定允許未授權(quán)用戶接入授權(quán)頻段,提高頻譜利用率。一份報(bào)告是這種改變的推動(dòng)因素,固定授權(quán)分配頻來(lái)提譜利用率大概只有%%。人們提出認(rèn)知無(wú)線電高頻譜利用率。認(rèn)知無(wú)線電是一智能無(wú)線電系統(tǒng),能與周圍環(huán)境交互,改變它的傳輸參數(shù),動(dòng)態(tài)地利用頻譜資源。認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)頻譜感知?jiǎng)討B(tài)適用周圍的環(huán)境,機(jī)會(huì)利用無(wú)線電頻譜空穴,提高頻譜利用率。頻譜感知是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)利用頻譜的關(guān)鍵一步,感知結(jié)果的精確性對(duì)系統(tǒng)的性能是至關(guān)重要的。由于每個(gè)用戶所處的環(huán)境不同,特別當(dāng)存在衰落時(shí),單個(gè)次用戶的感知結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確判斷主用戶是否出現(xiàn)。文中提出了一種利用分集和協(xié)作的頻譜感知方案。在該方案中,次用戶利用接收分集技術(shù)來(lái)加強(qiáng)對(duì)主用戶的檢測(cè),同時(shí)它們之間通過(guò)協(xié)作來(lái)進(jìn)一步提高頻譜感知的性能。仿真結(jié)果表明,提出的方案極大地提高了認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知的性能。提出了干擾溫度的概念,指出只要次用戶對(duì)主用戶接收機(jī)的干擾小于一個(gè)門限值,次用戶就可以接入授權(quán)頻譜。此時(shí)次用戶收發(fā)機(jī)之間的信道容量影響著次用戶的性能。假設(shè)信道狀態(tài)信息是可準(zhǔn)確獲得的,文中研究了在接受干擾溫度限制條件下的衰落信道香農(nóng)容量容量和中斷容量。與固定頻譜接入相比,基于干擾溫度的動(dòng)態(tài)頻譜接入改善了頻譜利用率。關(guān)鍵詞:認(rèn)知無(wú)線電;頻譜感知;頻譜共享;分集;協(xié)作檢測(cè);干擾溫度;衰落信道;信道容量南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文,.仔.,%%.......,.,,...,南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文.,,..:;;;;;;;南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文縮略語(yǔ)縮略語(yǔ)認(rèn)知無(wú)線電軟件定義無(wú)線電動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜接入干擾溫度授權(quán)用戶次用戶主用戶皤放大重傳..譯碼重傳最大比合并選擇合并等增益合并頻譜空穴本地振蕩器,服務(wù)質(zhì)量視距父Ⅵ加性白高斯噪聲媒質(zhì)接入控制譜相關(guān)密度譜相關(guān)函數(shù)聯(lián)邦通信委員會(huì)功率譜密度南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論.課題研究背景隨著人們對(duì)無(wú)線通信服務(wù)需求的不斷增長(zhǎng),新的應(yīng)用技術(shù)和高速無(wú)線接入的不斷發(fā)展,使得現(xiàn)有的頻譜資源越來(lái)越緊張。頻譜資源是一種有限的自然資源,接入受到嚴(yán)格的限制。頻譜管理的傳統(tǒng)辦法是頻率規(guī)劃【】,根據(jù)通信的不同把可,用頻譜劃分成不同的頻段。每個(gè)頻段分配給固定的授權(quán)用戶:為了保護(hù)系統(tǒng)之間的不相互干擾,它們的發(fā)射功率受到嚴(yán)格限制。目前不同國(guó)家地區(qū)的頻譜分配都有一個(gè)共同點(diǎn),那就是大部分的頻譜已經(jīng)被分配出去。但是對(duì)電磁波的使用情況進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn),很多已經(jīng)分配的頻譜并沒(méi)有被充分的利用,圖.是伯克利無(wú)線研究中心測(cè)量數(shù)據(jù),在一頻段上,利用率只有.%,在,頻段上利用率下降到.%。根據(jù)的報(bào)告【】,頻譜利用率在時(shí)空上變化范圍從/曠%。一方面對(duì)無(wú)線頻譜資源的需求不斷增長(zhǎng),導(dǎo)致可用頻譜資源日益緊缺;另一方面,大量授權(quán)無(wú)線頻譜卻被閑置或者利用率極低。面對(duì)這個(gè)局面,近年來(lái)研究人員提出了動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù),以解決當(dāng)前頻南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論譜利用率不高的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)頻譜接入可以通過(guò)不干擾授權(quán)用戶或者主用戶:而隨機(jī)接入的方式實(shí)現(xiàn)不同用戶頻譜共享,提高現(xiàn)存的頻譜利用【】【】【被認(rèn)為是解決上述無(wú)線頻譜低利率。認(rèn)知無(wú)線電:用率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入問(wèn)題的有效方法。它可以廣泛應(yīng)用于當(dāng)今和未來(lái)的移動(dòng)通信網(wǎng)、、『【、、各種特定用途的自組織網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)中,提高頻譜利用率,改善通信系統(tǒng)的性能。。當(dāng)未使用分配給它的頻譜時(shí),就會(huì)出現(xiàn)頻譜空穴:認(rèn)知無(wú)線電能夠感知周圍的無(wú)線電環(huán)境,特別是感知頻譜空穴,機(jī)會(huì)的使用未被授權(quán)用戶當(dāng)前使用的頻譜,實(shí)時(shí)的改變發(fā)射和接收鏈路參數(shù)來(lái)更有效的通信,提高頻譜利用率。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)最早由.博士提出來(lái)的,它是對(duì)軟件無(wú)線電:的進(jìn)一步的擴(kuò)展;年月在美國(guó)華盛頓召開(kāi)的會(huì)議在需求、初始化、機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)等方面對(duì)展開(kāi)討論。,,己經(jīng)于年月召開(kāi)第一次的技術(shù),將會(huì)議。.作組目的是使用認(rèn)知無(wú)線電分配給電視廣播的頻帶北美為的頻率用作寬帶訪問(wèn)線路。一些著名的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)如,、、、世界各大公司如、、、,一些研究學(xué)會(huì)論壇如等也紛紛展開(kāi)對(duì)的研究和應(yīng)用。大學(xué)實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。目前美國(guó)國(guó)防部的下一代通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃,將研制以認(rèn)知無(wú)線電為核心的系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù),以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入和共享。.論文結(jié)構(gòu)與內(nèi)容安排本文具體內(nèi)容安排如下:本章第一章首先簡(jiǎn)述了論文工作的研究背景和和認(rèn)知無(wú)線電的由來(lái)。對(duì)課題的研究背景進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。第二章,對(duì)認(rèn)知無(wú)線電,頻譜感知和共享技術(shù)進(jìn)行了全面闡述。介紹認(rèn)知無(wú)南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論線電的研究進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù),重點(diǎn)介紹認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù)。隨后介紹了無(wú)線衰落信道的相關(guān)知識(shí),為下面的研究打下基礎(chǔ)。第三章,本章重點(diǎn)研究了認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù),提出了分集與協(xié)作頻譜感知。由于每個(gè)用戶所處的環(huán)境不同,特別是存在衰落時(shí),單個(gè)次用戶的感知結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確判斷主用戶是否出現(xiàn)。次用戶之間的協(xié)作可以提高頻譜感知的準(zhǔn)確性。利用分集技術(shù)可以提高認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)頻譜感知的性能。本文提出的單用戶分集和多用戶之間的協(xié)作大大提高了頻譜感知結(jié)果的準(zhǔn)確性。第四章研究了在干擾溫度限制條件下,動(dòng)態(tài)頻譜接入中的衰落信道容量問(wèn)題。在收發(fā)端都可準(zhǔn)確獲得信道狀態(tài)信息和主用戶干擾溫度的限制條件下,研究了衰落信道香農(nóng)容量和中斷容量。第五章,對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)并指出今后有待進(jìn)一步研究的方向。第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道.引言隨著無(wú)線通信中不同網(wǎng)絡(luò)、不同業(yè)務(wù)和不同接入方式的不斷增長(zhǎng),頻譜資源越來(lái)越緊缺。提高頻譜利用率,從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量和通信服務(wù)質(zhì)量是下一代無(wú)線通信亟待解決的問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電頻譜共享技術(shù)的研究是一個(gè)嶄新的課題,在新一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。認(rèn)識(shí)無(wú)線電是提高頻譜電磁波利用率的有效手段。建立在軟件無(wú)線電基礎(chǔ)上的認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能的無(wú)線通信系統(tǒng),它能感知周圍的環(huán)境,從外界不斷的學(xué)習(xí),根據(jù)外界的變化改變自己的參數(shù),保證非?？煽康牡耐ㄐ藕皖l譜資源高效利用。頻譜感知是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的基礎(chǔ),它的主要任務(wù)是采取信號(hào)處理等手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、寬帶、低功耗的頻譜環(huán)境感知,識(shí)別和辨識(shí)主用戶信號(hào),從而有效地利用主用戶產(chǎn)生的時(shí)頻空穴。目前最常用的三種實(shí)現(xiàn)感知的信號(hào)處理方法包括匹配濾波器、能量感知和循環(huán)平穩(wěn)譜估計(jì)。認(rèn)知無(wú)線電中的頻譜共享和現(xiàn)存系統(tǒng)的一般技術(shù)類似。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)中,頻譜共享是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們將簡(jiǎn)單介紹認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和頻譜共享。隨后介紹無(wú)限衰落信道的相關(guān)知識(shí),為本文后述研究打下理論基礎(chǔ)。最后是對(duì)本章的小結(jié)。.認(rèn)知無(wú)線電研究現(xiàn)狀首先提出的概念,在他的博士論文中提出了一種的體系架構(gòu)和的循環(huán)認(rèn)知模型,并在論文最后提出了一種簡(jiǎn)單的原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。認(rèn)知無(wú)線電,有不同的定義。例如,認(rèn)為,認(rèn)知無(wú)線電是具有感知能力的無(wú)線通信系統(tǒng),感知能力即指無(wú)線電從無(wú)線環(huán)境中感知捕獲信息的能力;這種能力不單純是指功率監(jiān)控,還包括了識(shí)別捕獲無(wú)線電環(huán)境的時(shí)空變量,由此選擇最佳頻段和適當(dāng)?shù)牟僮鲄?shù)這樣的能力;和對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的定義則集中于認(rèn)知無(wú)線電的可重配置功能【】方面,這里的可重配置指無(wú)線電根南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道據(jù)無(wú)線環(huán)境變化動(dòng)態(tài)編程的能力。綜上所述,認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能的無(wú)線通信系統(tǒng),它能感知周圍無(wú)線環(huán)境,通過(guò)對(duì)環(huán)境的理解、主動(dòng)學(xué)習(xí)等措施,實(shí)現(xiàn)特定的無(wú)線工作參數(shù)如功率、載波調(diào)制和編碼等的實(shí)時(shí)改變,調(diào)整系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài),適應(yīng)外部無(wú)線環(huán)境的變化,從而達(dá)到通信系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。認(rèn)知無(wú)線電能夠在不影響主用戶的前提下智能地利用空閑頻譜并且實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地、高可靠性的通信。信號(hào)處理、人工智能、軟件無(wú)線電、頻率捷變、功率控制等技術(shù)的迅猛發(fā)展為認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。從目前的研究來(lái)看,不同用戶對(duì)同一頻譜資源的共享有三種模式:競(jìng)爭(zhēng)使用協(xié)作使用基于認(rèn)知的使用。競(jìng)爭(zhēng)使用模式在信息理論中已經(jīng)得到充分研究,協(xié)作使用尚研究不多,而基于認(rèn)知的使用無(wú)論是研究還是應(yīng)用都是剛剛開(kāi)始。認(rèn)知無(wú)線電的認(rèn)知循環(huán)如圖.所示,它包括個(gè)主要步驟【】【】:頻譜感知:監(jiān)控可用頻段并捕獲其信息,根據(jù)無(wú)線電環(huán)境的射頻激勵(lì),檢測(cè)頻譜空穴,并將空穴信息提供給頻譜決策用。頻譜分析:根據(jù)來(lái)自無(wú)線電環(huán)境的射頻激勵(lì)和頻譜感知提供的頻譜空穴信息,并通過(guò)分析頻譜空穴特性,為頻譜決策提供信道容量信息。頻譜決策:根據(jù)頻譜感知提供的頻譜空穴信息和頻譜分析所提供的信道容量信息,認(rèn)知無(wú)線電用戶確定數(shù)據(jù)速率、傳輸方式和傳輸帶寬,根據(jù)用戶需求和頻段特性選取適當(dāng)?shù)念l段,將要發(fā)送的信號(hào)提供給無(wú)線環(huán)境。第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文在動(dòng)態(tài)頻譜接入時(shí),已分配給主用戶,但在特定的時(shí)間和特定的地理位置而沒(méi)有被主用戶占用的頻段,叫做頻譜空穴【。一旦傳輸頻段決定后,用戶可以接入信道開(kāi)始通信?？墒菬o(wú)線環(huán)境隨時(shí)間和空間變化,認(rèn)知無(wú)線電需要跟蹤變化,如果當(dāng)前頻段重新變的不可用,則通過(guò)頻譜切換功能‘】【來(lái)提供一個(gè)無(wú)縫的傳輸,環(huán)境改變、主用戶出現(xiàn)、流量改變和用戶移動(dòng)都會(huì)觸發(fā)切換。用戶通過(guò)操作頻段、調(diào)制方式、傳輸功率等的改變實(shí)現(xiàn)頻譜環(huán)境的自適應(yīng),也就是它的可重配置特性【】。認(rèn)知無(wú)線電最重要的挑戰(zhàn)就是如何共享授權(quán)頻段而不干擾主用戶的傳輸。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)在年發(fā)布的報(bào)告,對(duì)頻譜資源使用政策的變化,具有深遠(yuǎn)的影響。報(bào)告提出的認(rèn)知無(wú)線電工作組于年月在華盛頓成立,隨后年月在美國(guó)拉斯維加斯召開(kāi)了第一次認(rèn)知無(wú)線電方面的學(xué)術(shù)會(huì)議,標(biāo)志著技術(shù)正式起步。年,弗吉尼亞理工學(xué)院的提出了一種基于遺傳算法的模型,它采用了基于遺傳算法的人工智能模型。年月在美國(guó)華盛頓召開(kāi)的認(rèn)知無(wú)線電會(huì)議對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的需求、機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)等方面進(jìn)行了研討。著名通信理論專家在年月的通信選題雜志上發(fā)表了關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電的綜述性文章【】,為認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究指明了方向。年..通過(guò)總結(jié)的研究成果,撰寫了基于認(rèn)知無(wú)線電的下一代網(wǎng)絡(luò)的綜述性文章【。一些著名的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)如、、、和信息與通信方面的跨國(guó)公司如、、、以及國(guó)際電聯(lián)、論壇如等也紛紛展開(kāi)對(duì)的研究和應(yīng)用。大學(xué)實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署于年也成立了下一代通信研究項(xiàng)目組,著手研究認(rèn)知無(wú)線電和動(dòng)態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)和以認(rèn)知無(wú)線電為核心的無(wú)線通信系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入和共享。該項(xiàng)目組將研制和開(kāi)發(fā)頻譜捷變無(wú)線電,這些無(wú)線電臺(tái)在使用法規(guī)范圍內(nèi),可以動(dòng)態(tài)地自適應(yīng)于變化的無(wú)線環(huán)境,在不干擾其他無(wú)線電臺(tái)正常工作的前提下,使可以接入的頻譜范圍擴(kuò)大近倍。認(rèn)知無(wú)線電的目的首先在于提高頻譜利用率,這不僅是個(gè)技術(shù)問(wèn)題,而且涉及政府法規(guī)方面的問(wèn)題,因?yàn)樗獜母旧细淖冞^(guò)去無(wú)線電資源固定的分配模南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道式。美國(guó)在年月頒布了新的法規(guī),允許在不影響授權(quán)用戶的前提下,通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù),使用電視廣播頻段中空閑的無(wú)線頻譜資源,從而為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的實(shí)用化放寬了相關(guān)的政策限制。其它國(guó)家如日本也已宣布于年度開(kāi)始探討該技術(shù),歐洲的德國(guó)、英國(guó)、意大利、瑞典都有相關(guān)機(jī)構(gòu)在開(kāi)展技術(shù)的研究。到目前為止,認(rèn)知無(wú)線電有多種不同的定義和概念模型以及不同的體系架構(gòu),一些研究成果主要體現(xiàn)在近兩年國(guó)際上召開(kāi)的有關(guān)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)和動(dòng)態(tài)頻譜分配的重要會(huì)議所發(fā)表的論文中。它們分別是年月份在,..召開(kāi)的認(rèn)知無(wú)線電會(huì)議其主要議題包括:緊急的商業(yè)和軍事需求和機(jī)會(huì),對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電的頻譜政策.軍事和商業(yè)要求,從軟件定義的無(wú)線電發(fā)展到認(rèn)知無(wú)線電,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(jī),自適應(yīng)調(diào)制和波形技術(shù)、年月份召開(kāi)的會(huì)議其主要議題是基于認(rèn)知無(wú)線電的動(dòng)態(tài)頻譜分配和接入技術(shù),會(huì)議發(fā)表了多篇文章。首屆面向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的國(guó)際認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)大會(huì)于年月在希臘召開(kāi),會(huì)議探討了與認(rèn)知無(wú)線電相關(guān)的頻譜共享、租借頻段的收費(fèi)等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。和以動(dòng)態(tài)頻譜接入和認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)為專題,繼續(xù)展開(kāi)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電頻譜共享技術(shù)的研究和討論。近期通信選題雜志矛通信雜志上以認(rèn)知無(wú)線電和動(dòng)態(tài)頻譜接入為主題,探討了與認(rèn)知無(wú)線電有關(guān)的一些問(wèn)題如系統(tǒng)的容量分析、軟硬件平臺(tái)和市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)等,以及分析其性能的相關(guān)數(shù)學(xué)工具博弈論、馬爾科夫鏈等。.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議體系學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)提出了一些適用于認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu),主要包括:無(wú)線區(qū)域網(wǎng)【】:基于.標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)使用未使用的電視廣播信道,在對(duì)電視信道不產(chǎn)生干擾的前提下,為農(nóng)村地區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)和低人口密度且通信服務(wù)質(zhì)量差的市場(chǎng)提供類似于在城區(qū)或郊區(qū)使用的寬帶接入技南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道術(shù)的通信性能。在的系統(tǒng)中,基站和用戶預(yù)定設(shè)備是主要實(shí)體,轉(zhuǎn)發(fā)器是可選的實(shí)體,采用集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。.標(biāo)準(zhǔn)包括物理層和層的協(xié)議。支持多信道多接口的無(wú)線網(wǎng)絡(luò):支持多信道多接口的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)按方式或者混合網(wǎng)絡(luò)方式布置。如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)或多個(gè)無(wú)線電接口如網(wǎng)卡,可同時(shí)接入一個(gè)或多個(gè)無(wú)線信道,節(jié)點(diǎn)具有感知無(wú)線環(huán)境的功能,可以判斷信道的使用情況,選擇相應(yīng)的信道接入。網(wǎng)絡(luò)【】:提出基于的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò),考慮異構(gòu)環(huán)境的所有可能場(chǎng)景并發(fā)展跨層動(dòng)態(tài)頻譜接入?！?基于認(rèn)知無(wú)線電方式使用虛擬非授權(quán)頻譜。體系結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)方式實(shí)現(xiàn)主用戶的感知和頻譜分配。用戶分組協(xié)調(diào)通信,通過(guò)通用控制信道來(lái)交互感知和控制信息。物理層和鏈路層通過(guò)用于虛擬未注冊(cè)頻段的認(rèn)知無(wú)線電方法平臺(tái)測(cè)試【】【】。在物理層中,與認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊包括:頻譜感知、信道估計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。在鏈路層上,與認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊是:組管理模塊,鏈路管理模塊和介質(zhì)接入控制模塊。頻譜池系統(tǒng)】:一個(gè)采用的中心式共享架構(gòu),其中移動(dòng)的認(rèn)知用戶感知,并在有主用戶出現(xiàn)的子載波上以最大功率調(diào)制一個(gè)復(fù)雜的符號(hào),基站接收后分配和共享頻譜資源?！?采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用接入和協(xié)調(diào)接入,具有捷變特性;中心式頻譜租借機(jī)制提供高效頻譜利用率并減小系統(tǒng)復(fù)雜度和滿足靈活性要求。/】:在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)通用協(xié)調(diào)信道接入實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配。在時(shí)間動(dòng)態(tài)頻譜接入中,使用當(dāng)前時(shí)間未被占用的頻段:在空間動(dòng)態(tài)頻譜接入中,自適應(yīng)通信中本地流量的波動(dòng)。椰】:重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)分布式協(xié)調(diào)無(wú)需中心控制的中繼實(shí)現(xiàn)頻譜共享?！康忍岢隽藷o(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò):】及認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)概念及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。他們認(rèn)為:無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是一種具有認(rèn)知能力,能夠感知網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀況,通過(guò)自我配置來(lái)動(dòng)態(tài)地自適應(yīng)操作環(huán)境的改變。自我配置的主要功能組成是自我意識(shí)第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文和自動(dòng)學(xué)習(xí)?。.認(rèn)知無(wú)線電中的頻譜感知認(rèn)知無(wú)線電的認(rèn)知循環(huán)中最基本的步驟就是感知頻譜。頻譜感知最有效的方式就是在的通信范圍之內(nèi)檢測(cè)主用戶接收機(jī)。實(shí)際上,有時(shí)候很難測(cè)量主用戶接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的信道,因此大部分研究都建立在主用戶發(fā)射機(jī)檢測(cè)的基礎(chǔ)上。頻譜感知方式一般包括【】:發(fā)射機(jī)檢測(cè)、協(xié)作檢測(cè)和基于干擾溫度的檢測(cè)等。..發(fā)射機(jī)檢測(cè)發(fā)射機(jī)檢測(cè)的基本假設(shè)模型可以表示為刪,.?Ⅳ等:翌粵,:門】】】是主用戶的發(fā)射信號(hào)取樣。假設(shè)】是譜密度為盯的加性高斯白噪聲的取樣,】~,仃。和風(fēng)分別表示在相應(yīng)頻段上有無(wú)主用戶信號(hào)出現(xiàn)的假設(shè)。...匹配濾波器檢測(cè)在數(shù)字通信信號(hào)和雷達(dá)信號(hào)的檢測(cè)中,人們往往采用匹配濾波器【】對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè),以實(shí)現(xiàn)輸出信噪比最大。為了獲得最佳的檢測(cè)效果,其輸出信號(hào)波形應(yīng)為輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。如果接收機(jī)知道主用戶的發(fā)射信號(hào)刀,匹配濾波器的最佳檢測(cè)器為‘】掣仇萎Ⅲ哆:是檢測(cè)器的門限值,最佳檢測(cè)器需要的取樣值為卅弓一~。南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道昂,斥分別是檢測(cè)概率和虛警概率。因此最佳檢測(cè)器需要的取樣數(shù)量是~。但是它需要主用戶信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí),例如調(diào)制方式、沖擊波形和包格式。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)可以把這些先驗(yàn)知識(shí)保存在其存儲(chǔ)器中。如果這些信息不準(zhǔn)確,檢測(cè)性能將會(huì)下降。其優(yōu)缺點(diǎn)如下:優(yōu)點(diǎn):接收信噪比最大化,由于相關(guān)運(yùn)算耗時(shí)較少且可達(dá)到較高的處理增益,因此只要信噪比達(dá)到一定的門限即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)【¨。?缺點(diǎn):需要主用戶在物理層和層的先驗(yàn)知識(shí),解調(diào)信號(hào)需要同步相干檢測(cè),計(jì)算較復(fù)雜,因?yàn)閷?duì)于每個(gè)特定的主用戶需要一個(gè)專用的接收機(jī)。...能量檢測(cè)能量檢測(cè)不同于匹配濾波器檢測(cè),它屬于非相干檢測(cè),它的實(shí)現(xiàn)類似于普通頻譜分析儀,通過(guò)快速傅里葉變換后在時(shí)間上進(jìn)行平均,最終得到感知的結(jié)果,如圖?所示。能量檢測(cè)器不需要主用戶信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí),只需知道背景中的高斯白噪聲功率。通過(guò)帶通濾波器接收,計(jì)算出接收到信號(hào)的能量,根據(jù)設(shè)定的門限閾值得到判決結(jié)果。能量檢測(cè)器可以表示為?丁】,∑Ⅵ,,阿。,。一【。弓一。。姍~一。昂之?因此最佳檢測(cè)器需要的取樣數(shù)量是~。其優(yōu)缺點(diǎn)是:?優(yōu)點(diǎn):非相干檢測(cè),簡(jiǎn)單易用,采用更長(zhǎng)的可以減小噪聲,提高,是目前最主要的檢測(cè)主用戶的手段。?缺點(diǎn):主用戶檢測(cè)閾值易受未知和改變的噪聲電平影響,魯棒性較差;無(wú)法區(qū)分調(diào)制信號(hào)、干擾信號(hào)和噪聲信號(hào),而且無(wú)法利用干擾對(duì)消;不能用于擴(kuò)頻信號(hào)包括直接序列擴(kuò)頻和調(diào)頻信號(hào)的檢測(cè)。南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道由于能量檢測(cè)法比較容易實(shí)現(xiàn),文獻(xiàn)集中在能量檢測(cè)器上考慮如何減小基于能量檢測(cè)的感知時(shí)間?！局锌紤]了檢測(cè)信號(hào)同時(shí)受陰影和多徑衰落影響的情況?！炯杏懻摼哂性肼暫透蓴_的頻譜感知,并從折衷的角度考慮多個(gè)感知用戶之間的協(xié)調(diào)和單個(gè)感知復(fù)雜度之間的關(guān)系:由于噪聲和干擾的不確定性成為影響主用戶魯棒性檢測(cè)中重要的限制,通過(guò)臨近節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)可以減小這種不確定性,提高檢測(cè)率;如果檢測(cè)形式比較簡(jiǎn)單則需要協(xié)調(diào),這種協(xié)調(diào)增加了總的感知花費(fèi)開(kāi)銷,可通過(guò)在協(xié)調(diào)收益和感知復(fù)雜度之間折衷來(lái)獲得良好的檢測(cè)效果。。...循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)、堅(jiān)/.。丁由于調(diào)制中通常將正弦波作為載波,所涉及的脈沖序列、重復(fù)擴(kuò)頻、調(diào)頻序列或者循環(huán)前綴將導(dǎo)致其內(nèi)在的周期性。我們可以利用這種周期性來(lái)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),如載波相位、脈沖定時(shí)或者脈沖到達(dá)等。這種內(nèi)在的周期性稱為循環(huán)平穩(wěn)特性。一方面,循環(huán)平穩(wěn)特性常用于檢測(cè)有背景噪聲或者其他調(diào)制信號(hào)的環(huán)境中某種特定調(diào)制類型的隨機(jī)信號(hào),這種檢測(cè)基于自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度。另一方面,循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)展示了由于周期性造成的頻譜冗余,寬帶的分離頻譜分量之間的相關(guān)性。信號(hào)序列譜相關(guān)的重要參數(shù)是譜相關(guān)密度和譜相關(guān)函數(shù)。函數(shù),的譜相關(guān)函數(shù)定義如下【】南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道?疋廠訇木,廠一詈西%廠血艦恕古一~』/:弘函數(shù)的譜定義為?以,研,譜相關(guān)同樣定義為循環(huán)譜,不像功率譜密度是實(shí)值一維變換,是二維復(fù)值變換,且參數(shù)口叫做循環(huán)頻率。功率譜密度是譜相關(guān)函數(shù)中口的特定情況。首先通過(guò)/變換得到數(shù)字信號(hào),在進(jìn)行點(diǎn)后進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算,并在時(shí)間上求平均,最終得到感知結(jié)果。特征檢測(cè)指的是信號(hào)調(diào)制類型、符號(hào)速率和干擾的檢測(cè)等。本質(zhì)上,由于調(diào)制的信號(hào)具有循環(huán)平穩(wěn)性,而白噪聲的自相關(guān)函數(shù)為零,所以分析其譜自相關(guān)函數(shù)即得信號(hào)特征。這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)是:?優(yōu)點(diǎn):信號(hào)冗余的突出特征使得信號(hào)有了選擇的余地。在域信號(hào)分析中保留了與調(diào)制信號(hào)中的定時(shí)參數(shù)有關(guān)的相位和頻率信息。在中重疊的特征在中是不重疊的,不同的調(diào)制信號(hào)雖有相同的但有不同的,而且平穩(wěn)噪聲和干擾沒(méi)有顯現(xiàn)出譜相關(guān)特性。抗噪聲性能好,不受噪聲功率不確定性因素的影響。從】中可以看出,循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)比能量檢測(cè)有更好的魯棒性。?缺點(diǎn):計(jì)算量大,需要很長(zhǎng)的觀察時(shí)間。..協(xié)作檢測(cè)協(xié)作頻譜感知利用信道的廣播特性和空間分集特性?！恳呀?jīng)研究了系統(tǒng)中使用正交傳輸?shù)膮f(xié)作機(jī)制。研究了各種協(xié)作協(xié)議,包括一種固定中繼協(xié)議,中繼節(jié)點(diǎn)可以是模擬式的放大轉(zhuǎn)發(fā):..或者數(shù)字式的譯碼轉(zhuǎn)發(fā):..。由于多徑和陰影衰落影響了檢測(cè)信號(hào)的接收強(qiáng)度,而協(xié)作頻譜感知可以緩解上述問(wèn)題。協(xié)作感知依賴于不同位置和不同信號(hào)強(qiáng)度的分集。多個(gè)認(rèn)知用戶相互交換信息,比單個(gè)用戶感知能提供更好的主用戶感知效果,即多個(gè)用戶通過(guò)各自的局部觀察,得到微弱的發(fā)射機(jī)信號(hào),共同參與主用戶的檢測(cè)。協(xié)作檢測(cè)可以通過(guò)中心式或分布式兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)團(tuán)】。中心式協(xié)作檢測(cè)中由南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道基站或接入點(diǎn)采集各節(jié)點(diǎn)感知信息,之后融合分析處理,再通過(guò)下行鏈路通知各節(jié)點(diǎn);而分布式協(xié)作檢測(cè),由局部節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)感知信息分析處理,節(jié)點(diǎn)間通過(guò)通用控制信道交換共享環(huán)境感知信息。其優(yōu)缺點(diǎn)是:?優(yōu)點(diǎn):協(xié)作檢測(cè)比單用戶檢測(cè)提高檢測(cè)率,能夠減小陰影和多徑衰落的影響】,效果要更好,更準(zhǔn)確的檢測(cè)主用戶。?缺點(diǎn):增加了工作量,花銷更大,有可能產(chǎn)生擁塞,不能確定主用戶接收方的位置。由于主用戶與認(rèn)知用戶之間缺少信令交互,對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)檢測(cè)的假定是基于主用戶接收機(jī)位置未知的。因此認(rèn)知用戶只能依賴于局部觀察的微弱主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)。協(xié)作感知雖然提高了主用戶的檢測(cè)率,但它仍然是針對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)的檢測(cè),由于缺乏主用戶接收機(jī)信息所以不能完全避免干擾,而且發(fā)射機(jī)檢測(cè)模型不能避免隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題,因此還是未能解決主用戶接收機(jī)檢測(cè)的問(wèn)題,也就無(wú)法完全避免對(duì)主用戶的干擾。..基于干擾溫度的檢測(cè)年為了控制頻譜接入,提出了一個(gè)新的度量:干擾溫度【】。不同于前面的方法,從主用戶接收機(jī)檢測(cè)的角度出發(fā),可以通過(guò)干擾溫度【】實(shí)現(xiàn)對(duì)主用戶接收機(jī)的干擾的控制。干擾溫度在文獻(xiàn)】中被定義為主用戶被用戶干擾的部分。當(dāng)前無(wú)線環(huán)境是以發(fā)射機(jī)為中心的,距離發(fā)射機(jī)一定距離的信號(hào)功率在設(shè)計(jì)中要求達(dá)到一個(gè)噪聲底限,以降低可能的干擾。但是,由于新的不可預(yù)料干擾源的出現(xiàn),射頻噪聲底限可能升高,因而引起信號(hào)覆蓋范圍減小。為防止這種可能性,推薦了一種對(duì)干擾的評(píng)價(jià)方法,也就是從單純的接收機(jī)對(duì)干擾進(jìn)行測(cè)量【】,向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間自適應(yīng)實(shí)時(shí)交互測(cè)量的方向轉(zhuǎn)變,這種變化導(dǎo)致對(duì)干擾給出了一個(gè)新的度量,叫做干擾溫度,如圖.所示。乃五,:駕粵其中為波爾茲曼常數(shù),等于.×./,為相應(yīng)帶寬,.是中心頻率,另,為干擾功率由內(nèi)部噪聲源和外部射頻能量累加產(chǎn)生,用于量化和管理無(wú)線環(huán)境的干擾源,而且干擾溫度界限提供了特定頻段和特定地理位置射頻環(huán)第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文境的最惡多情形的描述。在干擾溫度界限內(nèi),接收機(jī)期望能滿意地工作。給定任意一個(gè)頻帶,只要不超出干擾溫度,則該頻帶就可以被用戶使用,干擾溫度限將作為該頻帶功率的上限。旨%∞、科刪輻\\既?‘~~歹\鼽‘鼻.,、觸。叼℃≯呻一.:∑對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電,接收機(jī)提供可靠的干擾溫度的譜估計(jì)非常重要,可以使用多窗方法來(lái)估計(jì)干擾溫度的功率譜,多窗譜估計(jì)聯(lián)合奇異值分解【】為估計(jì)射頻環(huán)境中噪聲底限的功率譜提供了有效的方法?；诟蓴_溫度的檢測(cè)即基于主用戶接收機(jī)的檢測(cè),允許系統(tǒng)有干擾,但只要干擾在被允許的范圍之內(nèi)就可以。類似于的擴(kuò)頻思想,發(fā)射功率極小則可被認(rèn)為是噪聲,但前提必須知道主用戶接收機(jī)的相對(duì)位置。其優(yōu)缺點(diǎn)是:優(yōu)點(diǎn):可以完全控制對(duì)主用戶的干擾。缺點(diǎn):必須提前知道主用戶接收機(jī)的相對(duì)位置;沒(méi)有考慮多個(gè)用戶同時(shí)傳輸引起的累加干擾的影響。文獻(xiàn)】中提出一個(gè)直接的接收機(jī)檢測(cè)方法,通過(guò)利用主接收機(jī)前端的本地振蕩器的泄漏功率來(lái)檢測(cè)主接收機(jī),判定信道是否被占用。在】中分析干擾溫度模型的可用性并且發(fā)展了一個(gè)基于干擾溫度的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議。用戶在通信之前先測(cè)量該頻段當(dāng)前的干擾溫度,可達(dá)到一個(gè)期望容量而不干擾主用戶即不超出干擾溫度界限。最終一個(gè)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)被提出、分析并仿真。對(duì)于一個(gè)確定的地區(qū),應(yīng)該設(shè)定一個(gè)干擾溫度門限值乃,這個(gè)值是此地區(qū)某頻段上授權(quán)用戶接收機(jī)容忍的最大干擾。使用此頻段的所有未授權(quán)用戶,它南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道本身產(chǎn)生的干擾加上原有干擾必須保證小于授權(quán)用戶接收機(jī)處的干擾溫度門限值互。根據(jù)對(duì)和是接收機(jī)還是收發(fā)機(jī)的參數(shù),干擾溫度模型可以分成兩類:理想模型在干擾溫度理想模型中,信號(hào)的中心頻率是,帶寬是。假設(shè)用戶的平均發(fā)射功率是,【正一/,/】頻段內(nèi)重疊個(gè)授權(quán)信號(hào),每個(gè)信號(hào)的中心頻率和帶寬分別是和,,,..?挖。干擾溫度理想模型保證為礎(chǔ)四警矧肌.代表發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的信道由于衰落和路徑損耗所產(chǎn)生乘性衰減系數(shù)。這就保證了所有的用戶對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生的干擾溫度都小于門限值。廣義模型廣義干擾溫度模型是假設(shè)對(duì)無(wú)線射頻環(huán)境沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí),因此也就無(wú)法知道授權(quán)用戶的中心頻率和帶寬,也不能把授權(quán)用戶信號(hào)從干擾和噪聲中區(qū)分出來(lái)。如果在【/,/】?jī)?nèi)檢測(cè)到主用戶信號(hào),只要保證下面一個(gè)不等式成立乃,瓦萬(wàn)≤瓦丘。和是用戶的中心頻率和帶寬。干擾溫度可以規(guī)定為帶寬函數(shù):乃,去,.一去篇耽一口,其中,代表當(dāng)前無(wú)線射頻環(huán)境的功率譜密度。干擾溫度與發(fā)射概率和帶寬有關(guān),根據(jù)兩種模型的約束約束條件,可以計(jì)算出相應(yīng)的帶寬和功率的約束條件。下面假設(shè)帶寬已知,分析兩種模型功率的限制條件。對(duì)于理想模型,式子?可以直接轉(zhuǎn)化為第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文尸≤魯瓦∽一:乃,鯽,≤≤刀假設(shè)在帶寬為的頻段上有個(gè)中心頻率為廠帶寬為乓的授權(quán)用戶信號(hào)。若則尸≤已雙,即發(fā)射功率小于無(wú)線電的最大發(fā)射功率。若,則功率應(yīng)滿足咫卸,。魯枷柚對(duì)于廣義模型,由式子?直接得到功率的限制條件:≤等姒一面?;;/.認(rèn)知無(wú)線電的頻譜共享動(dòng)態(tài)頻譜接入和動(dòng)態(tài)頻譜管理、動(dòng)態(tài)頻譜分配、機(jī)會(huì)頻譜接入等是類似的概念。其主要目的是有效利用空閑頻譜,實(shí)現(xiàn)頻譜共享。頻譜共享技術(shù)可分為三類【】:網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、頻譜分配方式和頻譜接入方式。按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分,頻譜共享技術(shù)可分為中心式和分布式;按照頻譜分配方式分,可分為合作式和非合作式;按照接入方式分,可以分為覆蓋式和平鋪式。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的頻譜共享必須考慮三方面的問(wèn)題:一是認(rèn)知無(wú)線電用戶對(duì)主用戶的干擾問(wèn)題,二是認(rèn)知無(wú)線電用戶之間的干擾問(wèn)題,三是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的效益和用戶間的公平性問(wèn)題.認(rèn)知無(wú)線電用戶的頻譜感知信息是不斷變化的,次用戶要根據(jù)自己的要求選擇最合適的頻譜,因此要對(duì)頻譜感知信息進(jìn)行分析和決策。頻譜分析就是對(duì)頻譜空穴進(jìn)行描述,不但要考慮它的時(shí)變特性,還要描述它所對(duì)應(yīng)的主用戶的活動(dòng)性和這個(gè)頻段的信息,如信道容量、路徑損耗、延遲和保持時(shí)間等。要求除容量、延遲、保持時(shí)間、無(wú)線鏈路差錯(cuò)【之外,還包括規(guī)則禮儀比如公平性、代價(jià)和規(guī)費(fèi)等、主從退讓次數(shù)【】【等。頻譜決策就是根據(jù)次用戶的要求,確定它的傳輸模式、時(shí)延和帶寬等,選擇符合某種規(guī)則的最佳頻譜。文章】假設(shè)每個(gè)信道的容量是相同的,提出了五種規(guī)則,并在復(fù)雜度和通信開(kāi)銷以及系統(tǒng)性能之間進(jìn)行折衷,推導(dǎo)出基于這些規(guī)則的每個(gè)用戶頻譜分配的更低界。次用戶使用的當(dāng)前頻譜信道變壞或者主用戶出現(xiàn),就產(chǎn)生頻譜移動(dòng)性問(wèn)題。南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道此時(shí)次用戶還要進(jìn)行頻譜切換。頻譜共享的算法設(shè)計(jì)如下:通過(guò)無(wú)線場(chǎng)景感知建立頻譜空穴檢測(cè),根據(jù)感知結(jié)果調(diào)節(jié)各個(gè)發(fā)射機(jī)功率輸出,以適當(dāng)?shù)恼{(diào)制編碼策略選擇最合適的頻段進(jìn)行可靠的通信,自適應(yīng)時(shí)變的無(wú)線射頻環(huán)境,實(shí)現(xiàn)與主用戶之間以及與間的頻譜共享【。從協(xié)議層面,頻譜共享可以看作是媒體接入控制的問(wèn)題。這個(gè)領(lǐng)域目前研究主要集中在基于馬爾科夫鏈以及半馬爾科夫鏈、隱馬爾科夫鏈等數(shù)學(xué)模型的接入性能分析上,另外基于感知信息的/機(jī)制也是頻譜共享和頻譜接入研究的熱點(diǎn)。一般而言,由于主用戶的優(yōu)先級(jí)比用戶高,當(dāng)主用戶出現(xiàn)時(shí),需要進(jìn)行頻譜的切換。頻譜的切換來(lái)自于兩個(gè)原因:主用戶出現(xiàn)時(shí)用戶退避讓出信道,選擇其他的信道來(lái)傳輸,以保證主用戶正常的通信,維持用戶的通信;信道狀況變差或者有更好的信道出現(xiàn)時(shí),也要進(jìn)行用戶的切換。此時(shí)切換或者退避的目的是平滑傳輸,最小化更改信道引起的性能損失,改善用戶通信質(zhì)量。切換會(huì)產(chǎn)生傳輸延遲,這可能會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成影響,因此,切換后傳輸參數(shù)將由舊的參數(shù)轉(zhuǎn)向新參數(shù),需要快速地執(zhí)行切換。另外,對(duì)于數(shù)據(jù)通信,切換時(shí)存在丟包可能,所以需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包,這可以采用堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)【。切換問(wèn)題也是未來(lái)研究的重點(diǎn)?！渴状翁岬搅送吮軝C(jī)制即切換算法,他簡(jiǎn)單地從頻譜環(huán)境的短期統(tǒng)計(jì)和長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)來(lái)區(qū)分主用戶出現(xiàn)和信道狀況變差這兩種情況。而文【則考慮一旦切換所引起上層協(xié)議變更時(shí),以及切換所面臨的挑戰(zhàn)發(fā)生在保留頻帶中,如何選擇最佳的接入,如何減小切換帶來(lái)的延遲和損失,如何保證時(shí)域中的頻譜特性最合適的頻段也在不斷變化中不受移動(dòng)性干擾,保證要求等。.無(wú)線衰落信道無(wú)線信道是決定無(wú)線通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素。不同于有線通信信道的穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)性,無(wú)線信道是不斷變化的。移動(dòng)通信中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的移動(dòng)速度,它們之間的地形,以及天氣等等原因都會(huì)影響信道質(zhì)量【】。南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道..散射函數(shù)和相關(guān)的信道參數(shù)衰落多徑信道通常被描述成時(shí)變線性系統(tǒng),它的沖擊響應(yīng);或者頻率響應(yīng);是時(shí)間的寬平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。信道沖擊響應(yīng)或者頻率響應(yīng)的時(shí)變性導(dǎo)致經(jīng)過(guò)信道傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展。多徑傳輸導(dǎo)致傳送的信號(hào)在時(shí)間上擴(kuò)展。衰落多徑信道可以描述為在時(shí)間和頻率上都擴(kuò)展的信道。假設(shè)通過(guò)多徑傳輸信道,不同時(shí)延的的信號(hào)是不相關(guān)的,可以使用散射函數(shù),力描述這種雙擴(kuò)信道。,兄提供了信道平均功率輸出的度量,是延時(shí)和頻偏兄的函數(shù)。,兄在頻偏見(jiàn)上進(jìn)行積分得到信道延遲功率譜為?;旯矽力疋五;兄渺≮值不等于零,此時(shí)的范圍叫做信道多徑擴(kuò)展乙。同理,磚五的值不等于零,此時(shí)兄的范圍叫做信道多普勒擴(kuò)展吃。多普勒擴(kuò)展飭反映了信道沖擊響應(yīng)在時(shí)間上的變化快慢。島越大,信道沖擊響應(yīng)變化越快。信道相干時(shí)間。定義為乙瓦因此,慢衰落信道的相干時(shí)間大,快衰落信道的相干時(shí)日。從信道相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜嚴(yán)格推導(dǎo)出了上式的關(guān)系。同樣的方法,信道相關(guān)帶寬%定義為%%表示受到信道沖擊影響的帶寬,也就是在這個(gè)帶寬上,衰落是高度相關(guān)的。乙吃的乘積是信道的擴(kuò)展因子。如果:,,島,信道是欠擴(kuò)展的;相反是過(guò)擴(kuò)展南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道的。一般的,如果乙島《,信道沖擊響應(yīng)很容易測(cè)量,測(cè)量結(jié)果可以運(yùn)用到接收信號(hào)的解調(diào),或者發(fā)射機(jī)用來(lái)優(yōu)化發(fā)射信號(hào)。當(dāng)乙易時(shí),信道沖擊響應(yīng)的測(cè)量是非常困難和不可靠的。..頻率非選擇性信道:乘性信道模型信道上傳輸?shù)牡刃У屯ㄐ盘?hào)是,門是其頻域變換。接收信號(hào)等效低通表達(dá)式是?;?,日;廠Ⅸ;廠Ⅸ一Ⅲ假設(shè)門的帶寬‖遠(yuǎn)比信道的相干帶寬小,即《%。因此通過(guò)信道傳輸?shù)男盘?hào)所有頻率成分經(jīng)歷了相同的衰減和相移。這就意味著在信號(hào)的帶寬形內(nèi),信道的時(shí)變轉(zhuǎn)移函數(shù);廠在頻域內(nèi)是一個(gè)常量。這樣的信道是頻率非選擇性或者慢衰落信道。當(dāng)信道是頻率非選擇性時(shí),接收的等效低通信號(hào)變成刎棚;’口‘’?其中,;似¨,表示包絡(luò),秒表示等效低通信道沖擊的相位。由此可以看出來(lái),頻率非選擇性信道對(duì)傳輸信號(hào)有乘性干擾。由于信號(hào)帶寬《%/,信道的多徑成分是不可分辨的。圖?解釋了乘性信道模型。;廣?:南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道
.廠、,丫叩圖乘性信道模型如果傳輸信號(hào)的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于信道的相干時(shí)間,即瓦《,頻率非選擇性信道也叫慢衰落信道。也就是五《擊或者飭《專。一般化,信號(hào)帶寬《/,在慢衰落,頻率非選擇性信道是欠擴(kuò)展的。如果≥乙成立,這樣的信道是快衰落信道。..頻率選擇性信道:抽頭延時(shí)線信道模型如果信號(hào)門的帶寬比信道的相干帶寬%大,廠信號(hào)中大于%的頻率成分的增益和相移就會(huì)不同。這樣的信道是頻率選擇性信道。由于;的時(shí)變性導(dǎo)致額外的失真。當(dāng)≥%,信道沖擊響應(yīng)延遲分開(kāi)至少/‖的多徑成分是可分辨的。接收的可分辨信號(hào)成分可以使用取樣定理表示。這樣時(shí)變信道沖擊響應(yīng)可表示為
?,;∑./相應(yīng)的時(shí)變轉(zhuǎn)移函數(shù)是工;廠%咖”向礦其中,是第個(gè)多徑成分的復(fù)值信道增益,三是可分辨路徑分量的數(shù)量。多南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道徑擴(kuò)展是乙,多徑的時(shí)間分辨率是/氣二可表示為三帆沖擊響應(yīng)為;∑./的信道可以表示為抽頭延遲線,有三個(gè)抽頭,復(fù)值時(shí)變的抽頭系數(shù)是。,。圖?是適合頻率選擇性信道的抽頭延遲線信道模型。隨機(jī)時(shí)變抽頭增益也可以表示為,,....,工巳%胞‘¨,?%,代表幅度,皖表示相應(yīng)的相位。通常,時(shí)變抽頭增益厶,是一個(gè)不自相關(guān)的復(fù)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,自相關(guān)函數(shù)為九【三巳】,刀,,?.,三多普勒功率譜為?最五
吮..甌而習(xí)匕劃圖抽頭延遲線信道模型南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道..衰落信道的統(tǒng)計(jì)模型有幾種概率分布可運(yùn)用到衰落信道統(tǒng)計(jì)特性的模型。通過(guò)信道傳送到接收機(jī)的信號(hào)的散射分量數(shù)目很大,如電離層和對(duì)流層的信號(hào)傳播,使用中心極限定理可以得到信道沖擊響應(yīng)的高斯過(guò)程模型。若該過(guò)程是零均值的,那么信道響應(yīng)的包絡(luò)具有瑞利分布,相位是在,上均勻分布的。即包絡(luò);的概率密度函數(shù)是一,加,廠≥,.百其中,瑞利分布完全由參數(shù)唯一確定。對(duì)于頻率非選擇性信道,包絡(luò)簡(jiǎn)化為信道乘性增益的幅度口,?對(duì)于頻率選擇性衰落信道,每個(gè)抽頭增益的幅度是服從瑞利衰落的。描述信道沖擊包絡(luò)另一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型是納卡伽米?分布。分布的是滬高≯”?~。?分布由參數(shù)和衰落因子共同確定,且朋????,么一、朋:箬而,/一】?分布對(duì)觀測(cè)信號(hào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匹配更加靈活和精確。?分布能用來(lái)對(duì)比瑞利衰落更加苛刻的衰落信道進(jìn)行建模,瑞利分布是它的一種特殊情況:。?分布最適合用于郊區(qū)無(wú)線多徑信道接收的數(shù)據(jù)信號(hào)【。分布也是用來(lái)描述衰落多徑信道傳輸信號(hào)的兩參數(shù)分布模型,該分布適合建模高斯衰落信道,信道沖擊響應(yīng)由非零均值分量。分布戶砑是縱,手厶》其中,表示非衰落信號(hào)分量中的功率,盯是相應(yīng)零均值高斯分量的方差。當(dāng)時(shí),分布簡(jiǎn)化為盯/的分布。分布非常適合視距?南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道通信模型,一個(gè)直達(dá)信號(hào)分量加上其它延遲不同的二次反射多徑信號(hào)分量。,和?分布是衰落多徑信道最常用的統(tǒng)計(jì)模型。..信道容量符號(hào)薯出現(xiàn)的概率為薯,信息熵日定義為?一∑薯:‘假設(shè)信道輸入輸出符號(hào)集分別是和】,。,】,的互信息定義為?,,;,善一,乃,。;暑等量;毫:與,,,,、一,,,\一,,信道容量是指信道能傳送的最大信息量。..定義了時(shí)不變信道的容量【【】為,;功?找到某種概率分布,使得互信息最大,該最大值就是信道所能傳送的最大信息量,即信道容量。高斯信道容量是【爭(zhēng)對(duì)于衰落信道,由于信道是不斷變化的,因此信道容量是不確定的。如圖?所示的衰落信道,假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均知道信道狀態(tài)信息?！?’.址...圖時(shí)變信道框圖南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章認(rèn)知無(wú)線電和衰落信道..分集接收技術(shù)由于存在多徑效應(yīng)與時(shí)變性,無(wú)線衰落信道中的信號(hào)很容易受到嚴(yán)重的衰減,使得傳輸性能變得很差。在信道中,要把誤碼率從‘降到。,信噪比可能僅需增至個(gè)就可以了,而在無(wú)線衰落信道中要付出大約的代價(jià)【陽(yáng)】。這種衰減使得接收端不可能正確地判斷發(fā)送信號(hào),除非有其它衰減程度較小的信號(hào)副本提供給接收機(jī),這種方法稱為分集。分集技術(shù)根據(jù)獲得獨(dú)立路徑信號(hào)的方法可分為時(shí)間分集、頻率分集和空間分集等。時(shí)間分集通過(guò)采用時(shí)間交織與信道編碼,在時(shí)間域內(nèi)提供信號(hào)的副本;頻率分集通過(guò)在不同的載波頻率上發(fā)送符號(hào),在頻率域內(nèi)提供信號(hào)的副本;空間分集是利用多個(gè)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為獲得好的分集效果,時(shí)間分集要求發(fā)送冗余信號(hào)的若干時(shí)隙之間相互獨(dú)立,頻率分集要求幾個(gè)載波頻率之間相互獨(dú)立,而空間分集為保證多個(gè)發(fā)送或多個(gè)接收信號(hào)之間的獨(dú)立性,要求各個(gè)天線之間的距離要足夠大。只要被分集的幾個(gè)信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的,那么經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜⒑缶湍苁瓜到y(tǒng)性能大為改善。分集接收合并技術(shù)有:最大比合并,等增益合并和選擇性合并。.本章小節(jié)本章首先介紹了當(dāng)前認(rèn)知無(wú)線電的研究狀況,包括認(rèn)知無(wú)線電架構(gòu)和認(rèn)知網(wǎng)。然后重點(diǎn)介紹了頻譜感知,從信號(hào)處理方面闡述了發(fā)射機(jī)檢測(cè)、協(xié)作檢測(cè)、主用戶接收機(jī)檢測(cè)。簡(jiǎn)單介紹了認(rèn)知無(wú)線電的頻譜共享,頻譜共享階段,次用戶利用感知信息和本身傳輸要求,選擇合適的中心頻率和帶寬進(jìn)行通信。本章最后簡(jiǎn)單的介紹了無(wú)線信道模型和統(tǒng)計(jì)特性,信道容量以及抗衰落分集技術(shù),為后面.的研究打下理論基礎(chǔ)。南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章認(rèn)知無(wú)線電中的分集與協(xié)作頻譜感知第三章認(rèn)知無(wú)線電中的分集與協(xié)作頻譜感知.引言根據(jù)的報(bào)告,固定授權(quán)分配頻譜利用率大概只有%%。因此頻譜資源并不絕對(duì)短缺,而是使用效率不高。因此,解決頻譜短缺的有效辦法是機(jī)會(huì)地利用未被使用的頻譜。認(rèn)知無(wú)線電是解決頻譜短缺問(wèn)題的有效方案。認(rèn)知無(wú)線電是一智能無(wú)線通信系統(tǒng),能感知學(xué)習(xí)外在的環(huán)境,動(dòng)態(tài)改變通信參數(shù)如傳輸功率、載波頻率、調(diào)制方式等,在不影響主用戶的前提下通過(guò)頻譜感知,機(jī)會(huì)利用頻譜。認(rèn)知無(wú)線電的首要任務(wù)是頻譜感知。頻譜感知就是監(jiān)測(cè)可獲得的頻譜段,檢測(cè)頻譜空穴。在認(rèn)知無(wú)線電中,對(duì)主用戶的可靠感知是至關(guān)重要的。一方面,它保證次用戶對(duì)主用戶造成最小的干擾;另一方面,能增加次用戶的容量。頻譜感知可以對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)進(jìn)行檢測(cè),也可以對(duì)其接收機(jī)進(jìn)行檢測(cè)【】。目前研究方向大部分是對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。主要方法有循環(huán)平穩(wěn)特征值檢測(cè)】,匹配濾波器檢測(cè)【,能量檢測(cè)【】【】,相關(guān)檢測(cè)【,小波變換方法【】等。每種檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)主用戶的信號(hào)對(duì)次用戶是己知的時(shí)候,匹配濾波器是最佳的,它最大化接收輸出的信噪比,但是要預(yù)先知道主用戶信號(hào)。能量檢測(cè)實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單,但是能量檢測(cè)器易受到噪聲不確定因素的影響。循環(huán)譜檢測(cè)可以區(qū)分信號(hào)和噪聲,因?yàn)樵肼暿菍捚椒€(wěn)的,譜相關(guān)函數(shù)為零,但其計(jì)算量大且需要更長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間。頻譜感知方法的性能會(huì)受到接收信號(hào)強(qiáng)度的限制,因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過(guò)傳輸有時(shí)會(huì)受到多徑、陰影、衰落等影響,導(dǎo)致次用戶接收到的信號(hào)非常微弱。在這種情況下,協(xié)作頻譜感知能夠提高頻譜檢測(cè)率,減少