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1、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
2、：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 Superpositio
3、n 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 200
4、5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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、四大因素： noise, path loss, multi-path fading, shadowingshadowing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
10、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
