软件无线电原理与应用第3版 课件 【ch09】软件无线电的新发展-认知无线电

软件无线电原理与应用（第三版）软件无线电的新发展——认知无线电第九章高等学校电子信息类精品教材01认知无线电基本概念认知无线电基本概念01认知无线电的提出背景随着无线通信的快速发展，人们越来越清楚地认识到无线电频谱是一种有限而又宝贵的自然资源，甚至是一种重要的战略资源。它应该在无线通信领域得到合理、有效、经济的利用，发挥其最大价值。认知无线电基本概念01认知无线电的定义及特点不同研究人员对认知无线电的定义会有所不同。认知无线电概念的提出者J.Mitola对认知无线电的定义是“认知无线电是一种采用基于模型的推理来达到无线电相关域中特定级别的能力的无线电"。认知无线电基本概念01认知无线电的定义及特点认知无线电系统是一个由分布式认知无线电节点组成的网络，组网可以促进认知节点之间的交互，通过多点感知提供对环境更深刻、更全面的认识，实现在时、频、空三维空间对无线电频谱更为精确的感知。认知无线电基本概念01认知无线电关键技术(1)准确、快速的频谱感知技术认知无线电必须有检测非协同信号的能力，通过在整个可利用频段不断进行频谱检测，动态地发现和利用空闲频谱资源。(2)多频段、可重构的认知无线电通用平台认知无线电要能工作于多个频段，能适合各种无线信道，能根据无线信道特征，对信号参数、波形等实现自适应配置。认知无线电基本概念01认知无线电关键技术(3)辐射功率小、抗干扰能力强的信号形式为防止认知无线电发射的信号对其他用户产生干扰，在保证可靠通信的前提下，尽量发射较小的功率。目前大家认为超宽带(UWB)或OFDM是一种比较合适的认知通信波形。(4)认知无线电的认知协议收发双方由于所在的位置不同，其所处的电磁环境也不一样，空闲信道可能不尽相同；即使空闲信道存在，可能同时有多个。02认知无线电的认知循环过程认知无线电的认知循环过程02频谱感知频谱感知为认知无线网络提供环境信息和决策依据，是提高频谱利用效率、改善无线信道传输条件、网络智能化、消除各种干扰(包括有意干扰、无意干扰)、有效进行频谱资源管理的基础。认知无线电的认知循环过程02频谱分析通过网络化的频谱感知，可以发现在某个时段存在的“频谱空穴”,这些可用“频谱空穴”分布在授权频段和非授权频段上较宽的频率范围内，其频率、带宽、底部噪声、使用时刻等各不相同。认知无线电频谱分析主要完成对“频谱空穴”特征的分析，如“空穴”所占的带宽、“空穴”的干扰或噪声电平、“空穴”的时间分布特性等。认知无线电的认知循环过程02频谱决策频谱决策在频谱分析基础上，选择一组合适的“频谱空穴”,确定通信体制和通信参数，以适应无线环境需求、监管政策要求、用户服务质量(QoS)需求以及认知无线电平台自身硬件条件。认知无线电的认知循环过程02频谱会聚频谱会聚是指所确定的通信参数，建立发射机与接收机之间的通信链路，完成发射机与接收机的初始握手。目前较为典型的频谱会聚方法依赖于一条可用的公共控制信道，该信道对所有认知节点均为可用，控制信息在该信道上交互。IEEE802.22采用的就是这种方法。认知无线电的认知循环过程02频谱监视频谱监视即带内感知，是指建立通信后，对通信信道进行的“在线”检测。频谱监视是保证认知无线电的通信不对主用户造成有害干扰的重要过程，也是保证认知无线电在通信过程中不经受其他干扰的重要措施。认知无线电的认知循环过程02频谱切换当带内感知到主用户信号时，认知无线电必须改变其工作频率，寻找另一个“频谱空穴”继续通信，此过程即为频谱切换。03频谱感知技术频谱感知技术03接收机检测频谱感知检测频谱空穴最有效的方法就是检测在认知无线电通信范围以内是否有主用户在接收数据。一种接收机检测方法是利用接收机的本地振荡器泄露来直接检测主接收机。另一种接收机检测方法是检测主用户接收机处的干扰温度。频谱感知技术03发射机检测频谱感知1.匹配滤波法当认知用户知道授权用户信号的先验信息(调制类型、脉冲整形、帧格式等)时，检测的最优选择是匹配滤波器，它能使得信噪比最大化。频谱感知技术03发射机检测频谱感知2.基于波形的检测方法为便于同步或其他目的，无线系统通常会使用一些已知的模式。频谱感知技术03发射机检测频谱感知3.能量检测方法当认知用户不知道主用户信号信息的时候，能量检测方法比较适合。频谱感知技术03发射机检测频谱感知4.循环平稳特征检测方法经过调制的定频信号一般都是对正弦载波信号进行幅度、相位、频率的调制，对周期脉冲信号进行脉幅、脉宽、脉位调制，跳频信号有跳频频率集、跳频序列，扩频信号有伪码，OFDM信号有循环前缀等，这些特征的存在使得这些信号有内在的周期性。频谱感知技术03协作频谱感知单个认知无线电的感知能力(接收灵敏度、作用距离、检测带宽等)有限，在对主用户信号进行探测时，由于存在遮挡、衰落等原因，势必会出现“隐藏终端”问题，因此需要利用其他受阴影和衰落影响较小的认知节点的感知结果，从而提高检测性能。而且认知无线电通信双方、多方由于地理环境等原因，所处的电磁环境并不尽相同，需要通过多个认知无线电台的协同工作，才能实现较宽频率范围、较大作用距离、较高效率的感知。频谱感知技术03多维频谱感知目前"频谱空穴"仅考虑了频谱空间的频率、时间和空间三个维度。频谱感知技术03多维频谱感知04IEEE802.22标准IEEE802.22标准04物理层接口在IEEE802.22协议中，物理层的上下链路都采用OFDMA调制体制。由于用户端距离基站的距离各不相同，因此，信噪比也不尽相同，基站为了提高系统效率，能对每个用户端设备的带宽、调制方式和编码方式等进行调整。IEEE802.22标准04MAC层接口为能对无线电环境作出及时反应，MAC层需要具有高度的动态性能。除了能提供媒体接入控制、鲁棒数据传输等传统的MAC服务之外，还要能提供一整套全新的机制来保证系统在TV频段内有效工作，比如，分布式频谱感知、频谱资源共享等。IEEE802.22