认知无线电与协同通信.ppt
认知无线电与协同通信,概述,无线电认知网络的由来动态频谱接入分类网络各层技术问题,无线通信,多种网络共存信号相互干扰频段分配,无线信号干扰问题,同频段信号相互干扰不同频段互不干扰静态频谱分配,f1 f2 f3 f4 f5 f6,静态频谱分配,频段静态分配给授权用户频段资源枯竭,频段资源枯竭？,所有频段并不是同时被使用的同一频段也不一定一直被使用的,频谱空洞,频率：所有频段并不是同时被使用Opportunity in frequency domain时间：同一频段也不一定一直被使用Opportunity in specific band in time功率：？,功率与地理位置,地理位置：经度、纬度、海拔，与主要用户的距离Opportunity in geographical space,编码,主要（授权）用户：spreading code,time hopping,frequency hopping次要用户：正交编码(与主要用户互不影响)opportunity in coding domain,发射角度,智能天线（smart antenna)发射角度：主要用户位置和天线发射方向Spectrum opportunity in angle dimension,主要、次要用户共存,主要用户和次要用户同时传输数据信号分离技术（编码）正交编码Superposition coding+dirty paper coding干扰消除（位置、功率）协作通信（调度）,概述,无线电认知网络的由来动态频谱接入分类网络各层技术问题,动态频谱接入分类,三种动态频谱接入模型,排他使用模型,保持原有方案的基本结构：频段排他使用引入频谱分配和使用的灵活性,排他使用模型分类,频谱产权模型,频谱租赁:允许租售和交易频段（拍卖、交换）由市场决定最优频谱使用方案,频谱产权模型,频谱产权时间、地域、频段与传统的实物产权不同技术难度清楚地定义频谱的权利作为实物予以执行防止非法侵入频谱没有明显的边界,D.Hatfield and P.Weiser,DySpan 2005,动态频谱分配模型,指定时间指定地域把频段分配给某一无线接入网（排他使用）可动态调整缺点:不适用突发性的频谱空洞,动态频谱分配模型,通信业务在时域和空域上的统计特性共存的无线业务实现时间相关和空间相关的频谱共享第三代移动通信（UMTS）和数字视频广播（DVB-T）,开放共享模型,频谱公用模型：向所有用户开放频谱使其共享实例：unlicensed ISM bands的成功,分层接入模型,排他使用（主要用户）结合开放共享（次要用户）前提：不对主要用户产生任何有害干扰,分层接入模型的分类,频谱衬垫（Spectrum Underlay）：发射功率的限制单位频谱上的功率必须要低于主要用户的噪声基底实例：UWB（超宽带宽、低功率）频谱覆盖（Spectrum Overlay）：传输时间、地点的限制,频谱衬垫 VS频谱覆盖,PSD:功率频谱密度,频谱衬垫,扩展的衬垫式技术次要用户在整个频谱上扩展其传输功率次要用户不感知周围环境的变化干扰主要用户适用于主要用户占用的频段足够窄或功率足够高的情形带干扰避免的衬垫式技术次要用户在整个频谱上扩展其传输功率，但要避开授权用户使用的频段次要用户需要感知主要用户的使用频段,频谱覆盖,机会式频谱接入次要用户检测频谱空洞发现可用频谱（即频谱机会）便立刻接入三个模块频谱机会识别准确检测和智能地跟踪在时域、空域、地域、编码域等动态变化的频谱机会频谱机会利用机会识别的结果来决定是否以及怎样使次要用户接入频谱管理政策提供频谱使用的规则以确保和传统无线通信系统的兼容性,认知无线电,软件定义的无线电(Software Defined Radio)1991年由Mitola提出多频段的无线电通过软件支持多空中接口(air interface)和可重构认知无线电(Cognitive Radio)1998年由Mitola提出基于软件定义的无线电平台具备情景感知(context-aware)和自动可重构能力学习和适应环境,认知无线电：物理平台,概述,无线电认知网络的由来动态频谱接入分类网络各层技术问题,网络各层技术问题,物理层机会感知干扰聚集MAC层机会追踪和学习不完美感知情形下的机会挖掘机会共享网络层功率控制和路由,物理层：频谱感知和机会识别,感知模型和检测问题感知采用的方法,信道感知模型：时隙的主要用户,N个独立信道，每个有Bi带宽次要用户独立寻找频谱接入机会,物理层的频谱感知,误报和漏报的相关性误报和漏报的折中漏报率的选择,物理层的感知对MAC层性能的影响,MAC层的性能成功率（吞吐量）冲突率性能目标给定冲突率的阈值最大化成功率,物理层：感知频谱接入机会MAC层：基于物理层感知结果，决定是否接入？,信道感知模型：非时隙的主要用户,时隙的次要用户：感知，传输，ACK三阶段问题：感知时的检测结果在传输时可能有变化如何降低出错的可能性？,物理层：频谱感知和机会识别,感知模型和检测问题感知采用的方法,感知采用的方法,能量检测循环检测滤波匹配接收方泄漏信号相关性快速衰减多天线小波分析协作感知,能量检测,优点：容易实现、所需已知信息最少适合于噪声方差未知的情形缺点：抗干扰能力差、性能受信道衰减影响大干扰：噪声、其他次要用户小的噪声功率估计错误导致很大的性能损失动态检测噪声变化,w(n):高斯噪声s(n):待检测信号：阈值取决于采样数和噪声估计,阈值的估计？,循环检测,利用信号或统计信息的周期性统计信息：均值、自相关性,协作感知,协作感知能很好的克服影响感知的四大因素：noise,path loss,multi-path fading,shadowing,shadowing,协作感知模型,有/无公共接收方,0/1,汇报数据类型,比特流,模拟信号,CR感知结果,软汇聚 VS 硬汇聚 硬汇聚：多数法则 软汇聚：不同CR，不同权重证据理论（evidence theory)检测理论（detection theory),协作感知优缺点,几种主要方法的比较,感知和吞吐量的折衷,感知时间 VS 传输时间现有研究主要基于能量检测方法基于其他方法的分析？,频谱机会：定义？,频谱机会：定义？,频谱机会：定义？,频谱机会：性质,主要用户接收方的检测,从信号检测到机会检测,漏检不一定导致冲突,漏检有可能导致成功,新的频谱接入机会,场景：地面无线电视信号+极少用户接收频谱接入机会：无主要用户接收方难点感知主要用户接收方消除无线电视信号的干扰干扰消除（Interference cancellation）能不能不基于unit disk graph?还有多少机会（频谱接入）？,正确识别的机会也可能不成功,频谱协作共享,v1:f5,f6;v2:f1,f2;v3:f1,f2,f5,f6多跳？路由认知网络：特殊DTN网络,Evolving Graph,延迟容忍网络(Delay Tolerant Networks),适用于频段周期性比较强的网络（电视，广播）1）如何把可用频段信息考虑进去？2）如何兼容一定的主要用户频段突发使用的情形？,绿色无线电,对环境造成的污染：消耗能量产生CO2对人的污染：电磁辐射性能 VS 环保功率增加 VS 功率降低环保：增加一个约束条件？,绿色无线电,协作通信有线 VS 无线,博弈论,每一无线电认知设备作为一博弈方频谱感知博弈频谱共享博弈频谱拍卖博弈常常导致效率低下的纳什均衡考虑电磁辐射因素会不会对提高效率有帮助？,协作认知无线电,
