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未来无线网络的发展 认知无线电网络 专业 信号与信息处理学号 200911041522姓名 李靖 一 无线电技术的概念及发展 传统 硬件 无线电软件无线电 SDR 认知无线电 智能无线电CR 1 1传统无线电 硬件无线电HR 在硬件中执行所有的无线电功能 任何功能变化都要求用物理手段实现 所有无线电都能够进行调谐以选取特定 有限制的 频率范围 而改变这种调谐需要一定时间 传统上 在无线电硬件中定义了这些调谐特性 目的是使这些特性可编程化 1 2软件无线电 SDR 软件无线电 SoftwareDefinedRadio 是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制 它的核心是 将宽带A D和D A变换器尽可能地靠近天线 而电台功能尽可能地采用软件进行定义 软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台 对于无线通信功能尽可能用软件来实现 这样 无线通信系统具有很好的通用性 灵活性 使系统互联和升级变得非常方便 这很可能使软件无线电成为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破 第三代移动通信系统中的软件无线电技术 在第三代移动通信系统所要实现的目标与系统的特点中 最核心的问题是提供不同环境下的多媒体业务及实现包含水 陆 空的全球覆盖 因而它要求实现多种网络的综合 无线网与有线网的综合 移动网与固定网的综合 陆地网与卫星网的综合 对于通信终端而言 它面对的是多种网络的综合系统 因而需要实现多频多模式终端 手机 第三代移动通信系统可支持的速率为室内静止2Mbit s 步行移动384kbit s 车速移动144kbit s 卫星移动9 6kbit s 所以手机要适应宽带多业务的要求 软件无线电为通信系统提供一种新型的结构 那就是利用统一的硬件平台 不同的软件来实现不同的功能 只有软件无线电技术才能解决多频多模式多业务终端问题 具体地讲 软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用体现在以下几个方面 1 为第三代移动通信手机与基站提供了一个开放的 模块化的系统结构 2 智能天线结构的实现 空间特征矢量包括DOA 来波方向估计 的获得 每射频通道权重的计算和天线波束赋形 3 各种信号处理软件的实现 包括各类无线信令规则与处理软件 信号流变换软件 调制解调算法软件 信道纠错编码软件 信源编码软件算法等 3G中的软件无线电应用 1 终端动态选择信道的需求今天 采用同一个无线电 你不能同时利用2 4GHz和5GHz的WLAN信号 除非你实现两个单独的无线路径来处理各自的波形 假设SDR技术将在今后几年内解决这一问题 则下一个技术难点就是找到一个能动态接收或自动发射不同类型波形的SDR解决方案 使它能自适应于本地环境并搜索可用于通信的开放频率 为此 认知 感知 无线电成为学术及研发界的重要课题 CR技术出现背景 2 频谱资源的紧张Staticlicensing MultipleallocationoverallofthebandAcrisisofspectrumavailability Pros EffectivelycontrolsinterferencSimpletodesignhardwareCons Utilizationof0 5 inthe3 4GHzAnd0 3 in4 5GHz Anewapproachtospectrumlicensingisneeded 1 3认知无线电 CR 认知无线电也被称为智能无线电 从广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认知能力 通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测 分析 学习 推理和规划 利用相应结果调整自己的传输参数 使用最适合的无线资源 包括频率 调制方式 发射功率等 完成无线传输 认知无线电能够帮助用户自动选择最好的 最廉价的服务进行无线传输 甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送 CR定义 自1999年 软件无线电之父 JosephMitola博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来 不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义 其中比较有代表性的包括FCC和著名学者SimonHaykin教授的定义 FCC认为 CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电 SimonHaykin则从信号处理的角度出发 认为 CR是一个智能无线通信系统 它能够感知外界环境 并使用人工智能技术从环境中学习 通过实时改变某些操作参数 比如传输功率 载波频率和调制技术等 使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化 以达到以下目的 任何时间任何地点的高度可靠通信 对频谱资源的有效利用 BasicNon CognitiveRadioArchitecture CognitiveRadioarchitecture CR的构造 CR应该具备以下2个主要特征 1 认知能力认知能力包括3个主要的步骤 频谱感知 频谱分析和频谱判决 频谱感知的主要功能是监测可用频段 检测频谱空洞 频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性 频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据 2 重构能力重构能力使得CR设备可以根据无线环境动态编程 从而允许CR设备采用不同的无线传输技术收发数据 可以重构的参数包括 工作频率 调制方式 发射功率和通信协议等 重构的核心思想是在不对频谱授权用户 LU 产生有害干扰的前提下 利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务 一旦该频段被LU使用 CR有2种应对方式 一是切换到其它空闲频段通信 二是继续使用该频段 但改变发射统率或者调制方案避免对LU的有害干扰 CR特征 频谱孔 认知无线电与软件无线电之间的关系为了便于理解CR的基本原理 有必要将CR与软件无线电 SDR 进行区分 根据电子与电气工程师协会 IEEE 的定义 一个无线电设备可以称为SDR的基本前提是 部分或者全部基带或RF信号处理通过使用数字信号处理软件完成 这些软件可以在出厂后修改 因此 SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式 而CR是指无线系统能够感知操作环境的变化 并据此调整系统工作参数 从这个意义上讲 CR是更高层的概念 不仅包括信号处理 还包括根据相应的任务 政策 规则和目标进行推理和规划的高层功能 一般来说认知无线电系统必须具备以下基本功能 1 对无线环境的场景分析 包括空间电磁环境中干扰温度的估计和频谱空穴的检测 2 信道状态估计及其容量预测 主要有信道状态信息的估计 信道容量的预测 3 功率控制和动态频谱管理 当前 认知无线电技术已经得到了各界的关注 很多著名学者和机构都投入到认知无线电相关技术的研究中 启动了很多针对认知无线电的重要研究项目 例如德国高校提出的频谱池系统 美国加州大学Berkeley分校研究组开发的COVUS系统 美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室提出的OCRA项目 美国军方DARPA的XG项目 欧盟的E2R项目等 在这些项目的推动下 在基本理论 频谱感知 数据传输 网络架构和协议等领域取得了一些成果 IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会交流这方面的成果 目前 最引人关注的是IEEE802 22工作组的工作 该工作组正在制订利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准 这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动 CR当前的发展与标准 2004年10月 IEEE正式成立IEEE802 22工作组 IEEE802 22别名称为 WirelessRegionalAreaNetwork WRAN 无线区域网络 该工作组的目的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF UHF频带 北美为54MHz 862MHz 的频率用作宽带访问线路 这是继2002年实现民用的 UWB 之后又一全新的无线频率应用技术 IEEE802 22将要制定的是无线通信的物理层与MAC层规格 所设想的数据通信频率为数Mbit 秒 数十Mbit 秒 电视转播所用的频率由于是比过去的无线LAN更低的频带 因此基站设备可覆盖的范围很大 半径超过40km 如果此目标得以实现 总计300MHz 400MHz的频带将可用于室外宽带通信 认知无线电是建立在软件无线电平台之上的一个智能无线通信系统 它能够感知外部环境 使用边了解边累积的方法对外部环境进行学习 并根据外部环境提供的激励 对运行参数 如传输功率 载波频率 调制方式等 进行相应的修改 从而达到内部状态的自适应调整 其主要目的就是提高无线通信的可靠性和提高无线频谱资源的使用效率 认知循环 认知无线电系统感知学习循环的完整过程如图所示 图中 外部世界提供激励 认知无线电对这些激励进行处理和分析 从而提取有益于提高其系统性能的相关信息 比如 它可以通过分析全球定位系统参数 或者加上亮度以及温度决定通信环境是在室内还是室外等等 这种处理发生在认知循环的观察阶段 对引入和发出的信息进行分析来获得容量情况 包括分配给用户或是用户所需要提供的容量 有时候这需要必要的前后相关信息来推测通信的突发性以及相关的内在通信任务 基于上述信息 认知无线电系统进行通信资源的规划分配 做出决策 启动接入控制过程 开始通信 并基于信息和学习规则调整通信系统状态以达到最优性能 然后再开始下一轮感知 观察 这是一个循环过程 认知无线电礼仪认知无线电能进行有序地工作是因为它有一整套来规范行为的无线电礼仪规则 这是一组由射频频段 空中接口 协议 空时模型以及为缓解频谱使用紧张而制订的高层协商规则所组成的规范模式 频谱租用程序 用户优先级策略和无线电知识描述语言等都为频谱的统筹规范使用提供了保障 为实现认知无线电的频谱共享提供规范 认知无线电礼仪协议在频谱有效和混乱之间进行权衡 使得所有的应急服务 政府 个人和商业用户可以主动或被动地共享该协议的成果 二 认知无线电网络 CRN 无线认知网络随着认知无线电的发展和深入研究 Motorola及VirginiaTech等一些公司提出了无线认知网络 认知无线电网络 的概念 他们认为无线认知网络是一种具有认知能力的网络 能够感知网络当前的状况 并根据当前的状况来计划 决定并行动 也就是说可以自我配置来响应和动态自适应操作和环境的改变 自我配置的主要功能组成是自我意识和自动学习 通过具有网络意识的中间件和网络各组成部分分布式交叉来实现 无线认知网络能最大化操作者的能力 认知无线电作为节点构成智能的认知无线网络 是网络的核心 采用认知无线电技术的认知无线电网络 由于其独特的频谱复用性和巨大的覆盖范围 呈现出一些不同于以往传统网络的特点 1 在多系统共存条件下 分配无线资源 2 系统应该具有多信道支持能力 3 中心控制器在需要情况下应该能够将多个邻近频道进行聚合处理以改善系统性能 支持更多的用户使用并占据更广的覆盖面 4 系统面临共存问题 2 1特点 2 2目前提出的具有代表性的CRN体系结构 认知无线电是一个智能无线通信系统 它能够感知外界环境 并使用人工智能技术从环境中学习 通过实时改变某些操作参数 使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化 基于CR技术的认知无线电网络具有动态 灵活 智能地使用频谱资源 提高频谱利用率的特点 其网络结构和协议体系的设计是实现上述网络功能的关键 现有基于认知无线电技术的网络架构主要有美国的CORVUS系统 基于IEEE802 22的无线区域网 WRAN 和支持多信道多接口的无线Mesh网络 协议体系有CORVUS协议体系 军用的XG系统协议及WRAN协议等 1 无线区域网基于IEEE802 22标准的无线区域网 WRAN 使用未使用的电视广播信道 在对电视信道不产生干扰的前提下 为农村地区 边远地区和低人口密度且通信服务质量差的市场提供类似于在城区或郊区使用的宽带接入技术的通信性能 在WRAN的系统中 基站和用户预定设备是主要实体 转发器是可选的实体 采用集中式的网络结构 在下行方向上 WRAN采用固定的点对多点星型结构 其信息传播方式为广播方式 在上行方向上 WRAN向用户提供有效的多址接入 采取按需多址 DAMA 和时分多地 TDMA 即各用户场地设备 CPE 以传输需求为基础 根据DAMA和TDMA机制共享上行信道 用户通过与基站 BS 的空中接口接入核心网络 一个CPE可支持多个传输数据 语音和视频的用户网络的接入 通过BS可接入到多个核心网络 在CPE与BS之间 系统可通过转发器进行转发 在任何情况下 BS提供集中式的控制 包括功率管理 频率管理和调度控制 WRAN的协议体系WRAN的IEEE802 22标准包括物理层和MAC的协议 与IEEE802 16系列中的结构 管理和互联等要求保持一致性 IEEE802 22协议中提出的参考结构模型如图3 即由一个频谱管理模块和多个MAC 物理层模块构成 而CPE仅由一个MAC 物理层模块构成 其中频谱管理模块使得系统能够使用不连续的信道 并同时保持了MAC协议的简单性和可扩展性 该模块负责观察整个目标频段 并将可用的空闲信道根据一定标准 如每个模块连接的终端数 通信要求 传输距离等 分配给各个MAC 物理层模块 此外 频谱管理模块还应能够处理不同模块的请求 如因信道质量发生变化导致切换信道 因而需获得可用信道信息的请求 2 支持多信道多接口的无线Mesh网络支持多信道多接口的无线Mesh网络按Adhoc方式或者混合网络方式布置 如果网络中节点具有一个或多个无线电接口 如网卡 可同时接入一个或多个无线信道 节点具有感知无线环境的功能 可以判断信道的使用情况 选择相应的信道接入 正是因为节点的这一特点 使得这类网络结构设计和布置与传统网络有很大不同 混合结构无线Mesh网络 CRN协议体系结构设计思想 如何保证所设计的协议体系结构能够保证正确可靠的数据交换 如何保证所设计的协议体系结构在实现时能够保证与协议标准的一致性 以及如何实现与其他协议标准之间的数据交换 这都是认知无线电协议体系结构设计中必须考虑的问题 由于认知无线电技术具有动态 灵活 智能的特点 因而对网络协议的要求也比较高 要求协议具有异步 实时的特点 必须能自适应于因终端变动 无线环境变动而带来的可用频谱资源的动态变化 网络拓扑结构的改变 因此在设计认知无线电网络协议时 将遵循以下原则 1 协议设计应充分反映认知无线电技术的特征 常用通信协议体系结构都采用分层结构 在对认知无线电网络进行设计时 将主要考虑物理层 媒体接入控制 MAC 层以及网络层 在具体设计过程中 将借鉴已有物理层 MAC层与网络层的协议层次 在此基础上 加入具有认知无线电特性的功能模块 2 协议架构设计应结合算法与网络结构设计的成果进行系统性地考虑 由于认知无线电网络协议的设计与采用的网络结构密切相关 而算法又与所采用的网络结构密切相关 三者之间 相辅相成 互相影响 因此在网络协议设计过程中 应建立一个初步的框架 然后结合算法设计以及网络结构设计的成果不断修订 最终完成网络协议的设计 3 协议架构设计应尽可能考虑相容性 即考虑与其他系统之间的共存问题 由于目前的通信格局是多系统共存 因此在认知无线电协议架构设计时 应充分考虑与其它系统之间的共存问题 现有认知无线电系统的一些协议体系都是以分层协议栈为基础进行研究的 这种分层和模块化的设计在将新技术融入现有网络技术时具有一定优势 2 3CRN网络结构及动态接入 CRN网络动态接入 为达到在不干扰授权用户的条件下有效地实现机会式频谱利用 认知无线电网络的媒体接入控制 mac 层不仅需要提供传统的服务 还要求能支持一套全新的功能 主要有 1 频谱检测管理通过对检测模式的选取 检测周期及检测时长的设置 检测信道的选取和检测静默期的设置等实现检测策略和参数的选取及优化 2 接入控制主要采用与授权用户协调接入和透明接入两种方式避免与授权用户的接入产生碰撞 3 动态频谱分配针对二进制干扰模型和累积干扰模型进行不确定频谱资源的优化分配 4 安全机制通过增加mac帧的认证和保密以防御mac层的安全攻击 5 跨层设计结合物理层和网络层 传输层等上层信息设计和实现全局优化的mac层技术 1 宽带射频前端技术为了提供宽带频谱感知能力 CR的射频前端必需能够调谐到大频谱范围内的任意频带 通用的宽带射频前端结构如图3所示 接收的信号通过放大 混频和A D转换等步骤后送入基带处理 进行频谱感知或数据检测 其中 射频滤波器通过通带滤波选择所需要的频段的接收信号 低噪放大器 LNA 在放大所需信号的同时最小化噪声 锁相环 PLL 压控振荡器 VCO 和混频器联合控制 将所需要的接收信号转换到基带或者中频处理 信道选择滤波器用于选择所需的信道并抑制邻道干扰 自动增益控制 AGC 维持很宽的动态范围内的输入信号经放大器的输出功率恒定 CRN中PHY层中的关键技术 2 频谱感知技术 频谱感知技术是CR应用的基础和前提 现有的频谱感知技术可分类为 单节点感知 是指单个CR节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性标识 单节点感知技术包括匹配滤波 能量检测和周期特性检测3种 由于这些方法各有优缺点 实际应用时通常结合使用 协同感知 则是通过数据融合 基于多个节点的感知结果将进行综合判决 协同频谱感知的另一个优点是可以有效的消除阴影效应的影响 协同感知可以采用集中或者分布式的方式进行 集中式协同感知是指各个感知节点将本地感知结果送到基站 BS 或接入点 AP 统一进行数据融合 做出决策 分布式协同感知则是指个节点间相互交换感知信息 各个节点独自决策 干扰温度感知 随着FCC引入干扰温度模型来测量干扰 也有人提出通过测量干扰温度进行频谱感知 但这种方法通常要求CR节点知道授权用户的位置 目前尚面临很多问题 3 数据传输技术 数据传输技术对于CR实现利用空闲频谱进行通信 从而整体上提高频谱利用率的主要目标非常关键 由于CR可用频谱可能位于很宽的频带范围 并且不连续 因此CR数据传输技术必需能够适应可用频谱的这一特性 目前 实现频谱自适应CR数据传输有2个基本途径 采用多载波技术或采用基带信号发射波形设计 在多载波传输技术中 正交频分复用 OFDM 是最佳候选技术 其基本思想是将可用整个频带划分成OFDM子载波 只利用没有被授权用户占用的子载波传输数据 构成所谓的非连续OFDM NC OFDM 子载波的分配则通过频谱感知和判决的结果 以分配矢量的方式实现 例如 在进行OFDM调制时 可以将已被授权用户占用的子载波置零 从而避免对授权用户产生干扰 同时 考虑到频谱渗漏的问题 还有必要留出足够的保护子载波 同时 由于很多子载波并没有使用 可以通过一些快速傅立叶变换 FFT 修剪算法降低系统实现的复杂度 OFDM技术的重要优点是实现灵活 但也面临同步 信道估计以及高峰平比的问题 为实现CR用户利用频谱空穴的同时避免对授权用户造成有害干扰 要求CR网络的媒体接入控制 MAC 层不仅提供传统的服务 如媒体接入控制和健壮的数据传输 还能支持一套全新的功能 即在不干扰授权用户的条件下有效地实现机会式频谱利用 这些新的功能体现在MAC层的频谱检测管理 接入控制 动态频谱分配 安全机制及跨层设计等各个方面 CRN中MAC层中的关键技术 1 MAC层频谱检测管理 频谱检测管理通过对检测模式的选取 检测周期及检测时长的设置 检测信道的选取和检测静默期的设置等实现检测策略和参数的选取及优化 MAC层频谱检测管理主要用于控制物理层频谱检测算法的执行 如决定检测哪些信道 何时检测等 目前MAC层频谱检测管理的研究主要关注检测策略和检测参数的选取及优化 包括检测模式的选取 检测周期及检测时长的设置 检测信道的选取和检测静默期的设置等 根据CR用户检测时机的不同 检测模式可分为周期检测和按需检测 周期检测是指CR用户按一定的周期检测信道 而不仅是有数据发送时才进行检测 这种方式可周期性地收集信道的状态信息 利于估计信道状态 快速定位频谱空穴 2 MAC层接入控制 MAC层接入控制的功能是确定CR用户是否可以接入网络及采用何种策略接入 是实现优化频谱分配的基本前提 由于授权用户接入信道具有绝对优先权 授权用户和CR用户是主从式动态接入信道的 这种关系体现于 当授权用户未占用信道时 CR用户机会接入空闲