认识无线电及其关键技术.ppt

专业讲座（一）认知无线电及其关键技术 重庆大学通信工程学院 冯文江 Email: fengwj@cqu.edu.cn 认知无线电概念（Concept of Cognitive Radio） 背景 随着无线通信业务的快速增长，频谱需求和资源有限之间的矛盾越来越突出——“频谱危机” 解决途径之一：寻求更高效的传输方式（MIMO、高阶调制、AMC等）——提高频谱效率 频谱使用政策：授权（固定）、很少ISM（Industry Science Medicine） 频谱浪费严重：3GHz以下频段，平均利用率不到10％ 解决途径之二：认知无线电技术——提高频谱利用率 认知无线电概念（Concept of Cognitive Radio） 2007年至今，围绕认知无线电的研究如火如荼 学术界：找到了无线通信技术新的发展方向和热点研究内容 监管部门：调整了频谱使用规则，引导其商用 标准化组织：纷纷制定和发布新的通信标准 企业界：找到了新的、巨大的、潜在的商机 运营商：用较少的投入提供通信服务，获得更大的收益 认知无线电定义（Definition of Cognitive Radio） 认知无线电： CR是一种智能的频谱共享技术，依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应的改变系统工作参数（频点、功率、调制、编码），动态的检测和有效的利用空闲频谱。 理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的频谱复用和共享。 认知无线电定义（Definition of Cognitive Radio） 美国FCC认为： CR是一种通过与通信环境交互获取无线电背景知识，继而调整传输参数，最终实现无线传输的无线电设备，主体是SDR（software defined radio），但认知无线电设备不一定必须具有软件或现场可编程能力。FCC关注认知无线电如何提高频谱利用率——认知终端 Rieser教授认为： CR采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和媒体接入控制层（PHY+MAC）的演进过程建模——认知引擎 认知无线电定义（Definition of Cognitive Radio） Haykin教授认为： CR是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并利用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变传输参数，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计特性的变化——信号处理 IEEE认为： CR是能感知外部环境的智能无线通信技术，能从环境中学习，并根据环境变化动态调整其内部状态，以获得预期目的，其认知功能可以采用人工智能或简单控制机制实现——智能控制 认知无线电基本原理(Principle of CR) 通过分析外部环境提供的激励认识通信任务的内容；通过接收和发送内容的分析选择解决方式 一种目标驱动的框架结构 观察-思考-行动：循环感知模型 认知无线电网络定义（Definition of CRN） 认知无线电网络（cognitive radio network, CRN）：基于认知无线电技术构建的无线通信网络 CRN的用户节点和接入点在物理层、媒体访问控制层、网络层及应用层都具有认知功能：认知能力+学习能力+重构能力 CRN能感知网络的现存状态，根据端到端目标，利用学习机制实时调整网络配置，利用感知到的网络状态信息形成规划、决策和行动 CRN是一种能够感知当前网络状态，并据此进行规划、调整和采取适当行动的网络 认知无线电网络架构(Network Architecture of CRN) 认知无线电网络架构：三要素（网络组件、频谱异质、网络异构） 网络组件：主用户网络+认知用户网络 认知无线电网络架构 （Network Architecture of CRN） 频谱异质：认知用户通过频谱共享接入主用户网络拥有的部分授权频段（干扰容忍、干扰避免）和免授权频段，其操作类型分为授权频段操作和免授权频段操作 网络异构：认知用户接入网络有两种方式 认知用户网络接入：利用可用授权频段或免授权频段，接入归属认知基站 主用户网络接入：利用可用授权频段或免授权频段，接入覆盖区域内的主用户基站（需要协议支持、提供漫游服务） 关键技术之一：频谱感知（Spectrum Sensing） 频谱感知：包括频谱检测、频谱分析和频谱判决，是认知无线电实现频谱共享、频谱管理的前提 感知：周期性检测主用户占用频谱的状态和特点，获得“频谱空穴”，并伺机接入空闲频谱 频谱感知方法 能量检测法（Energy Detection） 非相干检测，直接对时域信号采样求模、平方运算获得检测统计量 在AWGN信道环境中，检测概率和虚警概率分别为： 和