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认知无线电技术 汪小叶2011 3 28 1 目录 背景基本原理关键技术应用前景研究现状未来发展方向 2 背景 传统上 由于固定的频谱分配政策 大多数有用频谱已分配给授权用户 下面是美国国家电信与信息管理局 NTIA 的频谱分配图 图1NTIA频谱分配图 3 1GHz以下频率划分现状目前全球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 无线电通信频谱资源是一种宝贵的自然资源 由于无线通信业务需求的快速增长 可分配的频谱资源变得越来越稀缺 背景 4 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 E3G WLAN 数据速率和带宽需求不断增加 BWA 3G 移动性增强 2015 2010 2005 2000 1995 1985 时间 4G 5 背景 在频谱资源紧张的情况下 美国FCC对频谱资源使用情况进行了调查 发现一些授权频段在时间和空间上存在不同程度的闲置 频谱的利用情况极不平衡 图2频谱使用情况 6 背景 由于大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用 且相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低 如何提高频谱的多维度利用率 即在不同地区的不同时间段里有效地利用不同的空闲频谱 成为无线通信领域非常关注的技术问题 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 7 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 8 背景 1999年JosephMitola提出了认知无线电CR CognitiveRadio 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 9 目录 背景基本原理关键技术应用前景研究现状未来发展方向 10 什么是CR 认知无线电技术定义 ITU R Cognitiveradio CR isaradiosystememployingtechnologythatallowsthesystemtoobtainknowledgeofitsoperationalandgeographicalenvironment establishedpoliciesanditsinternalstate todynamicallyandautonomouslyadjustitsoperationalparametersandprotocolsaccordingtoitsobtainedknowledgeinordertoachievepredefinedobjectives andtolearnfromtheresultsobtained 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 11 CR的基本特征 从概念上 CR应该具备以下2个主要特征 1 认知能力2 重构能力 12 1 认知能力 认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息 从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源 也称为频谱空洞 并选择最适当的频谱和工作参数 这一过程用认知环来表示如下 图3认知环 13 认知能力 包括3个主要的步骤 频谱感知 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 14 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 核心思想 在不对频谱授权用户 PU 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 15 重构能力 一旦该频段被PU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PU的有害干扰 16 与软件无线电的关系 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 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 SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式 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 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 17 目录 背景基本概念关键技术应用前景研究现状未来发展方向 18 关键技术 频谱感知动态频谱管理功率控制等 19 1 频谱感知技术 频谱感知技术是CR应用的基础和前提 功能 识别频谱空洞 检测授权用户出现 分类 单节点感知和协作感知 单节点感知 单个CR节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性标识 协作感知 通过数据融合 基于多个节点的感知结果将进行综合判决 20 1 单节点感知 单节点感知技术分为3种 图4单节点感知技术分类 21 1 单节点感知 这些方法各有优缺点 三者之间的比较如下表 表1单节点频谱感知技术的比较 22 2 协作感知 协作感知 多个认知用户相互合作而执行的感知 优点 1 降低对单个检测节点的要求 降低单个节点的负担 2 可以有效的消除阴影效应的影响 图5协作频谱感知图 23 2 协作感知 协作感知分2种方式 集中式和分布式 集中式协同感知 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 图6集中式协作检测模型 24 2 协作感知 分布式协同感知 指个节点间相互交换感知信息 各个节点独自决策 图6分布式协作检测模型 25 2 动态频谱管理 认知无线电通过频谱感知功能检测到了可以使用的频段 这些频段包括授权频段和非授权频段 如何快速有效的利用这些频段是一个函待解决的问题 也就有了频谱管理技术 一般来讲 频谱管理可以分为1 频谱分析2 频谱分配两部分 26 1 频谱分析 认知无线电系统是一种 机会性 的占用频段的技术 因此 认知用户没有使用频段的优先权 在得到感知结果后 需要及时的分析可用频谱 频谱分析应当包括以下几个方面 l 干扰的分析 2 信道状况的估计 3 信道容量的估计 4 信道占用时间的估计 27 2 频谱分配 由于认知无线电系统本身的特性决定了它必须采用动态频谱分配的策略 目前频谱分配的方法可以从网络结构 频谱分配行为和频谱接入策略进行归纳分类 图7频谱分配策略的分类 28 3 功率控制 为避免对授权用户造成干扰 需要采用功率控制技术来控制认知用户的发射功率 多用户的认知系统中 发送功率控制必须考虑两种网络资源限制 给定的干扰温度限 存在的可用频谱空穴数量 29 3 功率控制 目前 对认知无线电系统的功率控制方面的研究主要就存在基于博弈论和注水两种解决方案 这两种方案主要侧重在不同的方面 基于博弈论 主要是为了去解决认知用户在共同使用相互冲突的频段时的功率控制问题 基于注水 主要是用来解决正交的资源上分配功率的问题 30 目录 背景基本概念关键技术应用前景研究现状未来发展方向 31 应用前景 认知无线电技术具有广阔的应用前景 按照行业性质分为以下3个方面 军事领域 公共安全 应急通信领域 商业领域和ISM 个人通信 医疗 科学 频段内的应用 32 1 军事领域 由于认知无线电技术能自适应选择频谱 在干扰环境下进行可靠的宽带通信的特点 所以在军事上也有极高的应用价值 下图是美国国防部 DARPA 资助了所谓XG计划 即下一代通信计划 33 2 公共安全 应急通信领域 应急通信时 需要大量无线频谱资源进行应急通信 如果为此分配专门的频谱资源 那么在平时 这些频谱资源的利用率将非常低下 认知无线电技术可在紧急情况下利用未充分利用的授权用户的频谱资源 可靠保障应急通信的需要 IAN Incidenceareanetwork 34 3 商业领域和ISM内的应用 商业应用 通过CR技术出租频谱 可以在不影响授权用户的通信质量的情况下 增加频谱拥有者的收益 ISM频段应用 通过CR技术 可以避免与周边通信的干扰 提高频谱利用率 35 目录 背景基本概念关键技术应用前景研究现状未来发展方向 36 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 国外 研究现状 37 国外 研究现状 美国研究 1 美国加州大学伯克利分校的CORVUS ACognitiveRadioApproachforUsageofVirtualUnlicensedSpectrum 系统 通过协调的方式检测和使用频谱 2 美国DARPAXG项目 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 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 38 国外 研究现状 欧洲研究 1 欧洲的DRiVE overDRiVE项目目标 通过公共协调信道在异构网络间实现动态频谱共享 2 欧盟的端到端可重配置 End to EndReconfigurability E2R 项目目标 研究通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来 为用户 服务提供商 管理者提供更多可选服务的系统 目前处于技术研究阶段 39 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 研究现状 40 目录 前言基本概念关键技术应用前景研究现状未来发展方向 41 未来发展方向 当前 认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注 也进行了大量的研究 但还远未成熟 结合上述认知无线电技术的现状 预计认知无线电未来会沿着以下几个方面发展 基本理论和相关应用的研究 为大规模应用奠定坚实的基础 比较重要的包括 认知无线电的信息论基础和认知无线电网络相关技术 例如 频谱资源的管理 跨层联合优化等等 试验验证系统开发 目前 已经有多个试验验证系统正在开发中 这些系统的开发成功 将为验证认知无线电的基本理论 关键技术提供测试床 推动其大规模应用