认知无线电技术李景春.ppt

认知无线电技术,李景春 2010年10月,目录,背景 基本概念 实现CR需解决的问题 国外业界研究情况 国内研究进展 应用前景及带来的挑战,背景,我国频率划分图,无线电波传输特性 低频段绕射能力强，传播特性好，传输距离远，但设备器件尤其是天线尺寸较大 高频段以视距传输为主要传播方式，同等传播条件下相对低频段路径损耗更大，天线等设备尺寸较小。 各业务各有其“黄金频段”,背景,1GHz以下频率划分现状 目前我国1GHz以下已经分配殆尽 无线蜂窝移动通信系统：825-835MHz和870-960MHz频段，其余主要分配给对讲机业务和电视广播业务。 无法支持IMT-Advanced系统的高速率的移动业务需求。,背景,背景,现代频谱需求 移动通信宽带化 物联网 感知网 RFID ,3G,1G,2G,AMPS TACS,GSM cdmaOne,WCDMA cdma2000 TD-SCDMA,E3G,LTE AIE/UMB,WLAN,数据速率和带宽需求不断增加,802.11/WiFi,BWA,802.16/WiMAX,3G+,HSDPA HSUPA 1xEV-DO 1xEV-DV,移动性增强,2015,2010,2005,2000,1995,1985,时间,802.16m,IMT-Advanced 4G,背景,移动通信业界关注的重点频段“数字红利频段” 数字红利频段（Digital Dividend Band）：模拟电视转换成数字电视后所空出的470-862MHz频段。 较低频段可实现更佳的覆盖和楼内穿透性，因此，“数字红利”被全球运营商视为“黄金频段”。,470MHz806MHz模拟/数字电视广播频段使用情况 北京某热点地区实际频道占用情况,频谱图,瀑布图,占用度,背景,北京某郊区实际频道占用情况,频谱图,瀑布图,占用度,背景,各类地区按时间占用比率计算的频段占用度情况,背景,背景,我国的频谱分配政策 固定频谱管理方式：即国家将频谱资源分配给不同的无线电部门和相应的无线接入技术。 优点：有利于网络规划、运营、维护、管理，并且能够避免系统间的干扰 缺点：频谱资源的利用呈现出高度的不均衡性。那些利用率较低的频谱资源存在着动态、大小不一、零散等特征, 频谱智能高效利用成为影响未来无线产业发展的关键性课题,如何发展频谱智能高效利用技术来解决未来无线通信频谱需求的瓶颈？ 信号处理技术极大提高了无线系统在接入使用时的频谱利用率；但仍未解决频谱资源未被使用时造成空洞浪费的问题 是否可以考虑在授权频段闲置时允许其他无线业务用户接入？如果可以，需要满足什么条件？,背景,背景,1999年Joseph Mitola 提出了 认知无线电CR（Cognitive Radio）技术 核心：频谱准入政策允许授权频段在闲置时被其他业务用户接入动态频谱分配政策,背景,频率分配政策的发展,六七十年代 分配使用,建国初期 自由使用,目前 监测使用,将来 动态使用,EMC技术,无线电监测技术,认知无线电技术,目录,前言 基本概念 实现CR需解决的问题 国外业界研究情况 国内研究进展 应用前景及带来的挑战,基本概念,认知无线电系统定义（ITU-R SM.2152报告书） “Cognitive radio system (CRS) is a radio system employing technology that allows the system to obtain knowledge of its operational and geographical environment, established policies and its internal state; to dynamically and autonomously adjust its operational parameters and protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined objectives; and to learn from the results obtained.” 允许系统获取周围的工作和地理环境信息、已建立的通信策略及其内部状态；依据获取的信息，动态的和自主的调整工作参数和协议来实现预定的目标；并从获取的结果来自我学习。,认知无线电（CR） 频谱感知（无线电监测） “获取周围的工作和地理环境信息已建立的通信策略及其内部状态” 动态频谱管理 分配和选择合适的工作参数和协议 软件无线电（SDR） “动态的和自主的调整工作参数和协议来实现预定的目标” 无线电信号的四域特性：时、空、频、码 ，认知无线电同时从四域感知频谱空洞，并动态的和自主的调节自身参数。 SDR具有相当的灵活性，但与CR相比缺乏一定的智能 CR的实现不一定需要SDR支持，但如果借助于SDR，则CR会具有更多潜在的优势,基本概念,目录,前言 基本概念 实现CR需解决的问题 国外业界研究情况 国内研究进展 应用前景及带来的挑战,实现CR需解决的问题,频谱感知 动态频谱管理 接入及退让机制 ,（1）频谱感知,功能：识别频谱空洞、检测授权用户出现（无线电监测） 单节点检测 授权用户发射端检测 能量检测：先设置一个门限，然后将设置的能量计算值与设置的门限相比较，超过判决门限，就认为该频段内有授权用户的存在。 优点：不需要知道信号的先验知识 缺点：判决门限比较难确定，局限性大，只能计算信号的能量，不能分区出调制信号、噪声和干扰。 匹配滤波器检测：当认知无线电获悉了第一用户的信号后，此时对信号进行探测的最佳探测器就是匹配滤波器。 优点：在段时间内获得高处理增益。 缺点：必须知道被检测用户的先验知识。,循环平稳特征检测：利用调制信号的循环平稳特性来进行检测。 优点：有较高的信号辨识能力 缺点：只是对傅立叶频谱的补充，计算量很大，约为DFT的两倍。 授权用户接收端检测 协作检测多个感知用户相互合作而执行的检测,（1）频谱感知,（2）动态频谱管理,功能：为认知无线电网络用户(也可包括授权用户网络)提供公平有效的频谱共享 频谱判决根据频谱空洞和业务需求，为当前的传输选择合适的工作频段和自适应调整传输参数。 对所有可用频谱空洞的干扰情况进行分析 进而分析不同频谱空洞的路径传播损耗，链路错误，链路延迟等信道质量参数 根据授权用户的业务类型估计授权用户对频带的占用时间和规律。 根据分析结果和当前应用的QoS需求选择出最合适的频谱空洞和传输参数，从而满足不同的业务需求，并充分利用频谱资源。,频谱共享多个认知用户或网络之间公平的，协调的共享频谱机制，以提高频谱的利用效率。 感知用户之间的频谱共享，感知用户和授权用户之间，以及不同感知网络之间的频谱共享等问题 目的：实现对频谱的无冲突使用，并最大化频谱的利用效率。 由于空闲频谱资源的时变性，因此频谱共享必须考虑到空闲频谱的变化来动态协调对空闲频谱的共享。 频谱移动性管理当认知系统的工作频谱信道质量变差或者用户位置移动时都有可能导致频谱切换。 无线电用户在当前信道性能下降或者授权用户出现的时候改变工作信道时的切换问题. 在频谱切换时，不同层的协议应该很快的适应新的工作频段的参数，尽量保持业务的连续性。,（2）动态频谱管理,接入机制： 退让机制：次要及未授权用户主动避让主要用户和授权用户,（3）接入和退让机制,目录,前言 基本概念 实现CR需解决的问题 国外业界研究情况 国内研究进展 应用前景及带来的挑战,标准化工作 国际电联ITU-R工作组于2006年3月建议开展CR研究工作 IEEE:2004年11月成立802.22工作组，制定了第一个CR技术的标准;后又陆续建立P1900.4和P1900.6工作组研究利用CR技术解决未来无线异构网络融合问题 研究成果 ITU-R SM.2152 - Definitions of Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio System (CRS) ITU-R LMS.CRS - Cognitive radio systems in the land mobile service (PDNR) ITU-R M.IMT.CRS Cognitive radio systems specific for IMT systems (DNR) /22/ ,国外业界研究情况,美国研究情况 美国联邦通信委员会(FCC)2002年发布频谱政策特别工作组(SPTF)报告，设定了认知无线电工作组，标志着认知无线电技术正式起步。 美国军方DARPA的XG项目将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享。 2009年3月19日起，允许非授权设备使用TV White Space进行宽带数据通信。 目前CR的实际部署依然较少，且较多依赖于台站数据库的先验信息。,国外业界研究情况,欧洲研究情况 欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute, ETSI )于2008年1月成立可重配置无线电系统(Reconfigurable Radio Systems, RRS)委员会(Technical Committee) 目前处于技术研究阶段。,国外业界研究情况,目录,前言 基本概念 实现CR需解决的问题 国外业界研究情况 国内研究进展 应用前景及带来的挑战,我国实行积极稳健的频谱管理政策，积极寻求解决目前频谱资源稀缺的问题；又要有序支持目前无线电行业发展 从科学研究出发，国家自然基金委、科技部863、973计划、国家重大专项都设立了一系列认知基础理论与关键技术研究项目群，旨在提高频谱利用效率，为频谱管理政策提供理论参考依据 国内CCSA标准化机构也积极组织认知技术标准化工作,国内研究进展,SRMC参与情况CCSA,2008年12月，CCSA在TC5 WG8第27次会议上确定了WRC12 1.19议题的研究立项，并计划于2010年12月完成两份子报告 WRC12 1.19议题研究报告 关注ITU-R WP1B、5A等工作组及其他区域性组织关于该议题的研究进展和主要观点等，最后对我国管理机构给出相应的建议。 认知无线电关键技术和频谱相关问题研究报告 认知无线电技术分析 研究进展综述 认知无线电对频谱管理政策影响的分析和建议,“新一代宽带无线移动通信网”国家重大专项课题：“面向WRC11的频谱有效利用关键技术研究及验证”(2009.1-2010.12) 由国家无线电监测中心牵头 对一系列关键技术进行了研究 尝试在TD-LTE中加入认知功能，以实现同频段雷达的共存 基于TD-LTE帧结构，创造性提出上行时隙检测方案（已申请专利） 针对雷达信号特征，采用能量检测和基于循环平稳的检测方法 已建立支持异构融合与动态频谱共享利用的验证演示平台，采用认知相关的关键技术后，频谱利用率提高30%以上。 对认知无线电相关的管理政策进行了研究,SRMC参与情况相关专项课题,国家高技术研究发展计划（863）重点项目“频谱资源共享无线通信系统”课题：“动态频谱资源共享技术标准与应用研究”（2009.1-2010.12） 对应WRC-11 相关议题，进行共存、兼容性研究，提出动态频谱资源共享技术所需的频谱管理策略，为我国2011年参与国际上有关频段共享标准化研究提供技术支撑。 已完成UHF频段动态频谱资源共享干扰共存分析。 正在开发体积小、灵敏度高的检测终端，与整个测试平台一起实现认知功能。,SRMC参与情况相关专项课题,目录,前言 基本概念 实现CR需解决的问题 国外业界研究情况 国内研究进展 应用前景及带来的挑战,应用前景,按照行业性质 军事领域 公共安全、应急通信领域 商业领域 CR应首先应用于电子战，破坏敌方通信，并保护自方通信。随后逐步向民用领域扩展。,频谱管理的四种手段：行政、经济、法律、技术 目前亟需从行政和技术两方面考虑引入CR后的变化和应对措施。,认知无线电带来的挑战分析,频谱政策：考虑定义长期演进的频谱管理战略，以逐步开放的方式，制定不同阶段适合对认知技术开放的频段，即何种情况下符合什么条件的频段适合开放？ 政策法规：原则上在个别频段可以考虑改变目前的固定频谱分配政策，采取开放、灵活的动态频谱分配政策思路 设备认证管理：需要对具有认知功能的无线电设备制定新的管理办法，进行监督、认证与核查,（1）行政管理挑战,技术标准：固定频谱分配政策下的许多技术标准需要被改变，以及新的频谱使用相关属性需要被定义。如频谱可用性的度量，是否要在原有频率基础上，添加时域和空域的考虑 工作方法： 如何处理已分配频谱？ 对频谱使用政策的改变会引入许多使用无线频谱资源的部门单位改变其频谱操作行为，需要制定有效办法对部门间进行协调处理无线电管理相关事宜,（1）行政管理挑战,（2）监测技术挑战,实时监测电台发射参数的改变 快速信号分析识别技术 判断信号归