《物聯(lián)網(wǎng)智能信息處理》課件第五章異構物聯(lián)網(wǎng)的頻譜共享與效率提升第一節(jié)-修正

目錄123低碳與綠色通信技術0電磁環(huán)境的頻譜分析基于認知無線電的頻譜共享技術5.1基于認知無線電的頻譜共享技術5.1.1

無線資源管理1.頻譜管理概述定義：電磁頻譜管理是國家通過專門機關，運用法律、行政、技術和經(jīng)濟等手段，以實現(xiàn)公平合理、經(jīng)濟有效利用電磁頻譜和衛(wèi)星軌道資源的行為和活動。電磁頻譜管理是國家行為。對象是研究、開發(fā)、使用頻譜資源和衛(wèi)星軌道資源的各種行為。最終目的是維護其有序使用，保證頻譜資源利用的有效性。電磁頻譜管理需要綜合運用法律、行政、技術、經(jīng)濟手段。電磁頻譜管理特點1.2.3.4.15.1.1無線資源管理2.頻譜管理主要內(nèi)容1.頻率規(guī)劃、劃分、分配、指配。2.無線電監(jiān)測3.無線電檢測4.方針政策、技術標準以及行政法規(guī)的制定。5.非無線電設備的電磁輻射管理。6.雙邊以及多邊國際電磁頻譜管理活動。3.頻譜管理的目的—為什么需要進行頻譜管理易受污染性有限性非消耗性多維性共享性頻譜資源的五個屬性25.1.1無線資源管理4.物聯(lián)網(wǎng)中的頻譜需求與規(guī)劃(a)物聯(lián)網(wǎng)的頻譜需求第一階段：機器互聯(lián)階段第三階段：廣域感知階段第二階段：局域感知階段(b)物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術頻譜劃分現(xiàn)狀電磁頻譜劃分圖35.1.1無線資源管理RFID的頻譜規(guī)劃與使用國家RFID業(yè)務頻率范圍（MHz）美國及加拿大902~928歐洲865~868澳大利亞918~926日本950~960韓國908.5~914新加坡866~869，923~925香港865~868，920~925ZigBee頻譜使用情況物理層標準2.4GHz物理層868/915MHz物理層帶寬：0.6MHz帶寬：3MHz傳輸速率：250kb/s傳輸速率：20kb/s

40kb/s適用范圍：全球適用范圍：歐洲美國900MHz頻段RFID業(yè)務的頻率規(guī)劃表45.1.1無線資源管理由人腦的物理化學過程反映出來，人腦是有機物，它是智能的物質基礎。非生物的、人造的，常用符號表示，AI的來源是人的知識精華和傳感器數(shù)據(jù)。8021.11各類標準情況匯總WiFi頻譜使用情況標準號工作頻段傳輸速率說明802.112.4GHz2Mbps原始標準802.11a5GHz54Mbps物理層補充802.11b2.4GHz11Mbps物理層補充802.11c--符合802.1d的MAC橋接標準802.11d--根據(jù)各國無線電規(guī)定所做的調整802.11e--對服務等級QoS的支持802.11f--基站的互連性802.11g2.4GHz54Mbps物理層補充802.11h--與歐洲的HiperLAN2相協(xié)調的修訂標準802.11i--安全和鑒權方面的補充802.11j--為適應日本在5GHz以上應用不同而定制的標準802.11k--無線局域網(wǎng)信道選擇、漫游服務和功率控制標準802.11m--對802.11家族規(guī)范進行維護802.11n-預計達到540Mbps-新的802.11標準引入MIMO技術802.11o

針對VoiceoverWLAN而制訂802.11p5.9GHz6Mbps/1000英尺針對汽車通信的特殊環(huán)境而出爐的標準802.11q--支持VLAN機制802.11r--著眼于減少漫游時認證所需的時間，802.11s--制訂與實現(xiàn)目前最先進的MESH網(wǎng)路802.11t--提供提高無線電廣播鏈路特征評估和衡量標準的一致性方法標準802.11u--與其他網(wǎng)絡的交互性802.11v--無線網(wǎng)絡管理802.11b+2.4GHz22Mbps非公開標準,德州儀器的一項產(chǎn)權私有的技術55.1.1無線資源管理LTE頻譜使用情況Band33上行1900MHz–1920MHz下行1900MHz–1920MHzTDD342010MHz–2025MHz2010MHz–2025MHzTDD351850MHz-1910MHz1850MHz-1910MHzTDD361930MHz-1990MHz1930MHz-1990MHzTDD371910MHz-1930MHz1910MHz-1930MHzTDD382570MHz-2620MHz2570MHz-2620MHzTDD391880MHz-1920MHz1880MHz-1920MHzTDD402300MHz-2400MHz2300MHz-2400MHzTDDTD-LTE的頻率規(guī)劃表WiMAX頻譜使用情況IEEE802.16系列寬頻無線標準802.16a2G-11GHz固定接入802.16e2G-6GHz移動接入802.16d2G-66GHz固定接入65.1.1無線資源管理5.物聯(lián)網(wǎng)中頻譜劃分面臨的問題及解決方法頻譜資源供需矛盾日益突出提高頻譜利用率挖掘有限頻譜資源的承載能力。尋求有效的頻譜利用方式，打破現(xiàn)有的固定頻譜分配方式。多種無線傳輸技術共存帶來的兼容性問題空閑信道評估(ClearChannelAssessment，CCA)技術動態(tài)信道選擇技術選擇信道算法技術75.1.2傳統(tǒng)頻譜效率提升技術1.多址接入技術同一個基站同時對多個用戶提供服務時對基站內(nèi)不同用戶的和基站自身發(fā)出的信號加以區(qū)別，使用戶能識別自己的信號，基站能區(qū)分不同用戶的信號，的方法稱為多址技術。頻分多址(FDMA)時分多址

(TDMA)碼分多址（CDMA）85.1.2傳統(tǒng)頻譜效率提升技術空分多址（SDMA）正交頻分多址（OFDMA）…信道編碼/交織/加擾QAM調制（QPSK/16QAM/64QAM）串/并變換子載波映射IFFT加CP…頻域時域OFDM調制1.多址接入技術OFDMA系統(tǒng)下行多址方式95.1.2傳統(tǒng)頻譜效率提升技術2.調制與編碼技術(a)調制與解調模擬調制幅度調制：AM、DSB、SSB、VSB頻率調制：FM相位調制：PM數(shù)字調制振幅鍵控：ASK；頻率鍵控：FSK；相位鍵控：PSK；正交振幅調制：QAM。調制就是對消息源信息進行編碼的過程，其目的就是使攜帶信息的信號與信道特性相匹配以及有效地利用信道。105.1.2傳統(tǒng)頻譜效率提升技術(b)信道編碼技術檢錯碼（如CRC碼、ARQ等）糾錯碼（如BCH碼、RS碼、卷積碼、級聯(lián)碼Turbo碼等）既檢錯又糾錯（如HARQ）。(c)自適應調制編碼技術系統(tǒng)原理框圖自適應調制與編碼信道編碼的目的是試圖以最小的監(jiān)督碼元為代價，以換取最大可靠性115.1.2傳統(tǒng)頻譜效率提升技術(d)寬帶信道中的多天線MIMO系統(tǒng)優(yōu)點：利用多副天線實現(xiàn)多發(fā)多收，充分利用空間資源，不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率。MIMO技術分層空時碼的BLAST系統(tǒng)：利用空間復用增益成倍提高信道容量空時分組碼的MIMO系統(tǒng)：利用空間分集增益提高信道傳輸可靠性，降低誤碼率。125.1.3認識無線電概述1.認知無線電的產(chǎn)生無線通信技術飛速發(fā)展，如何合理解決頻譜資源緊缺的狀況？我國400MHz～2700MHz掃頻測試結果135.1.3認識無線電概述1.認知無線電的產(chǎn)生一方面人們通過研究諸如自適應編碼、多天線、多載波等技術來提高頻譜效率另一方面，人們開始關注靈活的頻譜共享技術14瑞典皇家技術學院的JosephMitola博士提出認知無線電(CR)

提高頻段的利用率動態(tài)的頻譜分配策略5.1.3認識無線電概述2.認知無線電的定義15Mitola認為認知無線電作為SDR的一種，它結合了應用軟件、界面和認知等功能。FCC認為CR是一種基于與操作環(huán)境的交互動態(tài)改變發(fā)射機參數(shù)的無線電，其主體可能是SDR。SimonHaykin認為CR是建立在SDR基礎上的智能無線通信系統(tǒng)。5.1.3認識無線電概述2.認知無線電的定義16認知循環(huán)認知循環(huán)——JosephMitola基本認知循環(huán)——SimonHaykin5.1.4認識無線電研究內(nèi)容1.頻譜感知17頻譜感知是認知無線電的基礎和前提，是認知無線電的首要任務。發(fā)射頻譜空洞檢測頻譜感知基本功能為：一是感知頻譜空洞，充分利用所有頻譜機會；二是檢測授權用戶的出現(xiàn)，避免對授權用戶造成干擾。5.1.4認識無線電研究內(nèi)容2.頻譜分析18中心頻率帶寬干擾等級路徑損耗鏈路層時延信道誤

碼率

頻譜分析在頻譜感知的基礎上，需要對各種特征參數(shù)進行頻譜分析，為頻譜決策等無線資源管理算法提供必要依據(jù)。頻譜特征信息5.1.4認識無線電研究內(nèi)容3.頻譜決策與頻譜共享19根據(jù)物理層獲得的感知信息和更高層如應用層對具體性能參數(shù)的要求進行參數(shù)分析最終決定選擇一組合適的頻帶提供給認知用戶。頻譜決策頻譜共享機會式頻譜利用的核心就是頻譜共享，主要包括動態(tài)頻譜分配和動態(tài)頻譜接入。頻譜共享既包括認知用戶與授權用戶的頻譜共享，也包括認知用戶間的頻譜共享。5.1.4認識無線電研究內(nèi)容4.頻譜移動性管理20一個CR用戶使用的頻譜發(fā)生改變叫做頻譜移動性。觸發(fā)頻譜移

動的原因授權用戶的出現(xiàn)信道質量的惡化

用戶移動且頻譜

不一致錯誤感知5.1.4認識無線電研究內(nèi)容4.頻譜移動性管理21切換判決主要用于決策是否進行頻譜切換，現(xiàn)有的切換執(zhí)行機制主要有以下三種 1.信道預留機制； 2.切換請求排隊機制； 3.感知并切換到其他可用頻譜空洞。授權用戶出現(xiàn)引起的頻譜移動5.1.5認識無線電研究現(xiàn)狀1.研究現(xiàn)狀22標準化組織和行業(yè)聯(lián)盟國外大學科研機構國內(nèi)研究現(xiàn)狀IEEE系列工作組國際電信聯(lián)盟ITUETSITCRRS軟件無線電論壇SDRF無線世界研究論壇WWRF美國國防部維吉尼亞無線通信技術中心美國新澤西州大學英國的移動電信歐洲通信協(xié)會國家863計劃基金國家自然科學基金委員會國家重點基礎研究發(fā)展計劃微軟亞洲研究院電子36所華為技術公司中興通信公司5.1.5認識無線電研究現(xiàn)狀2.認知無線電網(wǎng)絡23頻譜池CORVUS頻譜池的中心思想是將授權系統(tǒng)未充分利用的頻譜資源集中起來構建一個頻譜池，作為備用資源，由中心控制器統(tǒng)一管理資源的分配。頻譜池系統(tǒng)屬于集中式頻譜管理和控制，其缺陷是過于依賴中心控制單元。CORVUS系統(tǒng)采用兩級管理方式，減輕了對中心單位的依賴程度。5.1.5認識無線電研究現(xiàn)狀2.認知無線電網(wǎng)絡24WRANXG網(wǎng)絡WRAN使用空閑的電視廣播信道，靈活、自適應地選擇空閑的信道進行數(shù)據(jù)傳輸。WRAN采用集中式網(wǎng)絡架構。XG網(wǎng)絡較為靈活，可以是集中式的也可以是分布式的。XG網(wǎng)絡既能工作在授權頻帶，也能工作在非授權頻帶，這兩種情況下XG網(wǎng)絡的工作重點不同5.1.6基于CR的頻譜共享25頻譜共享，即允許部分認知用戶在不影響主用戶的前提下動態(tài)共享部分頻譜，從而實現(xiàn)對頻譜資源的再利用，有效解決頻譜資源稀缺的問題。頻譜共享過程1.頻譜共享265.1.6基于CR的頻譜共享2.頻譜共享系統(tǒng)架構265.1.6基于CR的頻譜共享273.頻譜共享原則認知無線電的頻譜共享技術相比于傳統(tǒng)的頻譜共享主要有三個特點:認知用戶與主用戶共存;認知用戶需要處理的頻潛非常寬;共享算法必須同時考慮公平性和高效性兩個方面保證主用戶的正常通信滿足認知用戶通信系統(tǒng)質量的要求保證靈活性123三個基本原則5.1.6基于CR的頻譜共享28由一個中心實