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1、认知无线网络中多用户协作通信关键技术郑宝玉南京邮电大学信号处理与传输研究院2010，11，191. 面临的挑战和发展需求提要:3. 我们的研究成果2. 新兴的无线通信技术1. 面临的挑战和发展需求提要:3. 我们的研究成果2. 新兴的无线通信技术3G的演进(LTE)和发展4G的研究和标准化无线移动通信行业的自主知识产权无线移动通信行业的规模和市场新一代宽带无线移动通信的研究开发现有的电信网络 将来的IP移动网络网络结构扁平化， BTS功能化， 现有的几兆速率 将来的几拾上百兆速率高效调制与编码，信道准确估计的自适应,现有的集中处理 将来的分布处理MIMO技术，Mesh技术，现在的单发业务 将来
2、的多发业务视频业务，游戏业务，多播业务，3G的长期演进-LTE从技术上来说很多方面与LTE没有什么区别，但仔细研究，两者的目标和重点还是不同一个更多从技术考虑，一个更多从应用考虑拓展频谱资源，支持将来上千兆速率需要接纳创新建议，评估将来可用方法和技术关注应用环境，讨论将来信号功率新规范ITU推动的4G研究1. 面临的挑战和发展需求提要:3. 我们的研究成果2. 新兴的无线通信技术 Cognitive wireless network2. 新兴的无线通信与信号处理技术 Cooperative communication Compressive sensing Cognitive wireless
3、 network2. 新兴的无线通信与信号处理技术 Cooperative communication Compressive sensingp 简介p 研究热点p 应用认知无线电 是在软件无线电在适应多频段多制式的技术应用发展过程中，采用频段扫描和信号识别等技术，检测和感知已分配频段的应用状况，从而临时借用空闲频段进行通信的技术，以应对频谱紧缺问题。Cognitive radiol Joseph Mitola：提出RKRL语言、感知循环等术语l FCC：感知能力，识别捕获无线电环境的时空变量； 选择最好的频谱和最合适的操作参数；l Simon Haykin和Thomas：强调可重配置能力(自
4、适应 性)即指无线电根据无线环境变化动态编程的能力；l CR其他代表人物：I.F.Akyildiz, Y.Li认知无线电定义Simon Haykin 提出的认知环 Cognitive Radio Main Objectives: Spectrum Sensing: detecting the unused spectrum and sharing it without harmful interference with other users. detecting primary users is the most efficient way to detect spectrum holes
5、Spectrum sensing techniques can be classified into three categories: Transmitter detection Cooperative detection Interference based detection. Spectrum Management: Capturing the best available spectrum to meet user communication requirements. Spectrum Mobility: is defined as the process when a cogni
6、tive radio user exchanges its frequency of operation Spectrum Sharing: providing the fair spectrum scheduling method 认知无线网络 可在不影响主用户(PU)通信的前提下，利用信号处理方法，智能地利用大量空闲频谱，以满足次用户(SU)即认Cognitive wireless network知用户的可靠通信，从而实现频谱资源共享，提高无线频谱的利用率。Cognitive Radio自适应频谱 分配技术动态信道分配技术 频谱分析技术频谱感知 功率控制关键技术 Cognitive wir
7、eless network2. 新兴的无线通信与信号处理技术 Cooperative communication Compressive sensingp 简介p 研究热点p 应用 协作频谱感知技术1） 频谱感知算法分类2） 基于中继选择的多用户协作感知认知无线网络研究热点 认知无线网络的协作通信技术1）协作分集原理及优点2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率） RMT在认知无线网络中的应用1）RMT简介2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知21 认知无线电最重要的挑战: 如何共享注册频段而不干扰其他注册用户的传输。在动态频谱接入时CR使
8、用时间、空间、频域上未用的频谱。频谱空洞频谱感知算法分类协作频谱感知优点抵消单个认知用户独立检测所可能引起的不 准确因素 提高主用户的检测精度，减少感知时间 协作频谱感知模型 两个阶段：感知（Sensing）和报告（Reporting） 协作频谱感知技术1） 频谱感知算法分类2） 基于中继选择的多用户协作感知认知无线网络研究热点 认知无线网络的协作通信技术1）协作分集原理及优点2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率） RMT在认知无线网络中的应用1）RMT简介2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知26基于中继选择的多用户协作感知(a) 多
9、用户网络频谱感知的系统模型(b) 协作节点时隙分配图n 基本思想：提出一种基于放大转发最佳协作中继选择的 多用户协作频谱感知方案(MCSS)，其系统模型与协作节点时 隙分配如图所示。代表作：K.B.Letaief etc.Cooperative communications for cognitive radio networksPIEEE 2009 97(5)27不同发射信噪比下MCSS方案的检测性能不同虚警概率下MCSS方案的检测性能 数值结果 协作频谱感知技术1） 频谱感知算法分类2） 基于中继选择的多用户协作感知认知无线网络研究热点 认知无线网络的协作通信技术1）协作分集原理及优点2）
10、性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率） RMT在认知无线网络中的应用1）RMT简介2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知 产生原因：无线信道具有的多径衰落阻碍 了信道容量增加和服务的质量改善。 原理：通过多用户之间共享天线和其他网 络资源的形式构造“虚拟多天线阵列”经分布 式处理产生协作来获得一定的空间分集增 益协作分集协作分集的优点 提升系统容量 增大数据传输速率 有效对抗衰落 降低系统的服务中断概率 提高系统的服务质量和可靠性 协作频谱感知技术1） 频谱感知算法分类2） 基于中继选择的多用户协作感知认知无线网络研究热点 认知无线网络的协
11、作通信技术1）协作分集原理及优点2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率） RMT在认知无线网络中的应用1）RMT的定义2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知协作分集在认知无线网络中的应用 当主用户QoS要求很高时，往往次用户的数据吞吐能 力将明显下降，以致无法满足很多无线业务的通信要 求，因此通过次用户间的协作传输提高通信性能显得 尤为重要。 优势：通过次用户间或主次用户间的相互协作，可以 使整个系统获得空间分集和频率分集。同时提高主次 用户的网络容量和鲁棒性 代表作：- QIan Zhang etc. Cooperative relay
12、 to improve diversity in cognitive radio networks,IEEE CommMag.2010.2协作分集在认知无线网络中的应用应用场景性能分析（有效传输时间）不同发射信噪比下非协作传输方案 和AF_OCT方案的传输时间的比较不同虚警概率下，非协作传输方案和 AF_OCT方案的传输时间增益的比较性能分析（平均误比特率）认知无线网络中，感知用户的BER随虚警概率的变化曲线性能分析（中断概率）认知无线网络中非协作传输和AF_OCT方案， 中断概率随平均信干噪比的变化曲线 协作频谱感知技术1） 频谱感知算法分类2） 基于中继选择的多用户协作感知认知无线网络研究
13、热点 认知无线网络的协作通信技术1）协作分集原理及优点2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率） RMT在认知无线网络中的应用1）RMT简介2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知 以随机变量为元素的矩阵 渐近谱理论（ Asymptotic Spectrum Theory ） 自由概率理论（ Free Probability Theory ） 副本方法（Replica Method）随机矩阵的定义及理论分支39 目前，随机矩阵理论（RMT）已广泛应用于无线通信领域，如：信道容量分析、阵列信号处理、接收机性能分析、通信系统设计等的各个方面，应用
14、前景十分广阔。 我们致力于将RMT 与认知无线网络结合起来，运用RMT最新成果研究认知无线网络中的关键问题协作频谱感知及性能分析。基于RMT渐近谱理论的协作频谱感知 协作频谱感知技术1） 频谱感知算法分类2） 基于中继选择的多用户协作感知认知无线网络研究热点 认知无线网络的协作通信技术1）协作分集原理及优点2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）3） 分布式频谱感知与协作传输 RMT在认知无线网络中的应用1）RMT简介2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知41 算法原理：利用渐近谱理论中随机矩阵渐近特征值分布情况进行判定，当渐近特征值分布
15、超出渐近分布范围，判定信号存在。基于RMT渐近谱理论的协作频谱感知42基于RMT渐近谱理论的协作频谱感知算法判别阈值有效性分析新算法与能量检测算法性能比较n仿真结果： 协作频谱感知技术1） 频谱感知算法分类2） 基于中继选择的多用户协作感知认知无线网络研究热点 认知无线网络的协作通信技术1）协作分集原理及优点2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）3） 分布式频谱感知与协作传输 RMT在认知无线网络中的应用1）RMT简介2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知44基于RMT自由概率理论的协作频谱感知n原理：自由概率理论可以从矩阵和或乘积的特征值中提取出每个矩阵的各自的特征值，反之亦然。这是经典数学做不到的。n方法：利用自由概率理论中自由解卷积从信号噪声混合矩阵的特征值分布中精确提取功率矩阵矩阵特征值分布（信号能量）。若信号功率矩阵极限特征分布矩阵是非零矩阵，判定信号存在。45新测算法与能量检测性能比较达到相同感知正确率时所需功率比较n仿真结果：基于RMT自由概率理论的协作频谱感知46 基于RMT的优点： 感知性能高 收敛速度快 不需要估计噪声方差 易于扩展基于RMT的协作频谱感知 Cognitive wireless
