新一代移动通信技术9-4-认知无线电第二章.

=1=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2013年7月认知无线电技术与应用=2=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS一、概述内容提纲二、主用户发射端检测三、主用户接收端检测四、协作检测五、感知检测技术比较六、其他几种算法及有待于解决的问题=3=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS1.概念频谱检测：感知用户对外界无线环境的感知，确定“频谱空洞(spectrumhole)”待查频段分为三种情况：黑空：主用户占用程度高，干扰大，不能被感知用户使用灰空：被授权用户部分占用，存在一定程度的功率干扰，基本不被感知用户使用白空：未被授权用户占用，仅存在环境噪声，可以被感知用户非授权的使用一、概述=4=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS图1频谱空洞示意图一、概述=5=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.检测周期检测某感兴趣的频段是否存在主用户信号，判断该频段是否处于空闲状态，从而决定该频段是否可用。周期性的检测外部无线环境变化。一、概述信道监控数据传输信道监控寻找空闲信道数据传输信道监控检测到主用户找到新的空闲信道PTmonitorTdataTsearchT图2-2检测和利用空闲频谱示意图图2检测和利用空闲频谱示意图=6=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS3.频谱检测算法分类一、概述主用户发射端检测空闲频谱检测主用户接收端检测能量检测循环平稳特征检测基于干扰温度检测匹配滤波器检测协作检测本地频谱检测本地振荡器功率泄漏检测图3主要检测方法的分类=7=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS4.检测性能的重要参数高的虚警概率会导致低的频谱利用率高的漏检概率会导致检测不到正处于工作状态的主用户一、概述LFPLDPLMPGFPGDPGMP图4检测性能参数本地检测中虚警概率本地检测中检测概率本地检测中漏检概率协作检测中虚警概率协作检测中检测概率协作检测中漏检概率LFPLDPLMPGFPGDPGMPLDPLFPLMPGFPGDPGMP=8=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS主用户发射端检测是感知用户通过分析侦听到的信号中是否存在主用户信号来判断主用户发射机的工作状态进而判断感兴趣的频谱处于占用状态还是空闲状态，它是一种假设主用户接收端位置未知情况下的检测。二、主用户发射端检测01()(){()()HntytHhxtnt感知用户接收到的信号主用户信号加性高斯白噪声h信道幅度增益ytxtnt=9=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS1.匹配滤波器检测最佳使用情况：感知用户知道主用户信号的先验信息（如调制类型、脉冲整形、帧格式等）二、主用户发射端检测y(t)N个抽样求和检测统计量YA/Dx(n)判决图5匹配滤波器检测框图=10=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS1.匹配滤波器检测优点最大化信噪比同时达到较高的处理增益所需时间比较少缺点检测方法的性能受获得的主用户信号的先验信息影响较大相干检测，对相位同步要求很高计算量较大二、主用户发射端检测=11=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.能量检测在大多数情况下，匹配滤波器检测方法要求的信号先验信息以及严格要求的同步都不能满足，此时可以考虑适用于任何信号且实施简单的能量检测算法。二、主用户发射端检测图6传统能量检测算法框图=12=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.能量检测传统能量检测对于给定的信号带宽B，需要与信号带宽相匹配的前滤波，不能够很容易的进行改变，特别是在窄带信号和正弦波信号中。周期图能量检测方法：通过选择相应的频率子载波，任意带宽的信号都可以使用该方法进行处理，是经典的功率谱估计方法，计算效率高但频谱分辨率低。二、主用户发射端检测=13=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.能量检测二、主用户发射端检测y(t)A/DK点FFTN个抽样平均检测统计量Y2判决或0H1H图7应用周期图的能量检测算法框图=14=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.能量检测为一般的MarcumQ函数衰落情况下信噪比的概率分布函数二、主用户发射端检测2,dAVmxPQfxdx信道幅度增益h是随阴影或衰落变化的，此时平均检测概率：Qfx=15=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.能量检测对数正态阴影衰落二、主用户发射端检测=0.1ln10dB漏检概率与虚警概率的关系对应图阴影的存在使得频谱检测变得困难越大，能量检测的性能越不好dB图8不同对检测性能的影响dB=16=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.能量检测瑞利信道二、主用户发射端检测漏检概率与虚警概率的关系对应图瑞利信道下能量检测的性能明显劣于AWGN下的检测性能图9AWGN与Rayleigh信道下检测性能对比=17=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.能量检测能量检测中若存在噪声不确定性，对感知用户来说有可能发生不可检测的现象。即对于给定的噪声不确定量xdB，可以计算出一个信噪比的门限值，当环境中的信噪比的值低于该门限值时，无论抽样的个数为多少，能量检测算法都不能判断出是否存在主用户信号。二、主用户发射端检测图10噪声不确定性=18=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.能量检测优点：能量检测算法相对简单、易实施是一种非相干检测，对相位同步要求不高，是一种次优的检测器限制噪声不确定性的影响检测门限值的设定易受到未知的或变化的噪声的影响不能分辨出有用信号、噪声和干扰适用于扩频信号、直接序列信号以及跳频信号二、主用户发射端检测=19=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS3.循环平稳特征检测循环平稳特征检测：利用主用户信号的频谱相关特性，通过分析信号谱相关函数中循环频率的特性来确定主用户信号是否存在。在二元假设模型中，应用循环平稳特征检测，容易得到如下所示的关系式：二、主用户发射端检测0020010*10000022nSnxsSfHHfSfSfHSfHHfHfSfH信道冲击相应的傅立叶变换循环频率为零不存在主用户信号时的功率谱密度要检测的信号的循环功率谱密度信号的循环频率Hf0nSfSSf(0,1,2)nTn=20=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS3.循环平稳特征检测优点：能够将噪声的能量和主用户信号的能量区分开来可以完全摆脱背景噪声的影响，在信噪比比较低的情况下也能够有很好的检测性能缺点：计算的复杂度高所要求的观测时间较长二、主用户发射端检测=21=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS3.循环平稳特征检测循环特征检测算法不仅仅可以用来检测主用户信号的有无，而且还可以跟其他技术结合通过循环谱分析将每种信号类型独特的特征提取出来，来对信号进行辨识以提高检测的性能和效率。利用CDP（cyclefrequencydomainprofile）来检测信号的有无，然后再通过隐含马尔可夫模型（hiddenmarkovmodel,HMM）来对信号进行进一步的辨识。二、主用户发射端检测=22=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS3.循环平稳特征检测二、主用户发射端检测图11循环隐含马尔可夫链辨识框图=23=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS1.本振泄漏功率检测本振泄露功率检测是根据主用户接收机射频前端是否存在本地振荡器泄漏功率进行判断的。目前无线电接收机基本上都是超外差式接收机，结构如图所示，为了将RF信号下变频到中频（IF）信号，需要本地振荡器。将本振调谐到一特定频率并于输入的RF信号混合，则此RF频段可下变频到IF频段。三、主用户接收端检测图12超外差接收机结构=24=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS1.本振泄漏功率检测当主用户接收机工作时，天线接收的高频信号经过接收机内的本地振荡器后会产生特定频率的信号，一些信号不可避免的从天线泄露出去，该方法就是通过检测该泄露信号的有无来判断接收机是否在工作。实际的应用中，直接让感知用户来检测本振泄漏功率有点不切实际，原因有以下两个方面：对认知无线电的接收机而言，远距离的检测本振泄漏是有困难的本振泄漏功率是变化的，依赖于接受模型和时间，若认知用户利用变化的功率来近似估计主用户接收机的话，误差会很大三、主用户接收端检测=25=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS1.本振泄漏功率检测将小的、低成本的传感器安置在接收端，当传感器检测到本振泄漏功率时，会以特定的功率通过一个特殊的控制信道（比如可使用420MHZ-450MHZ的未授权频段）通知利用该区域信道的感知用户，以保证不对主用户产生干扰。三、主用户接收端检测图13传感器节点通知感知设备示意图=26=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.基于干扰温度的检测干扰温度包含原始的噪声基底和感知用户产生的干扰，计算公式为：三、主用户接收端检测,,IcIcPfBTfBkB为在带宽为B的频带内，处的平均干扰功率k为波兹曼常数干扰温度的单位为开尔文,IcPfB=27=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.基于干扰温度的检测当主用户系统允许感知用户接入时，感知用户会对主用户系统增加新的干扰。但是，只要干扰温度小于主用户所能容忍的干扰温度的最大限（即干扰温度限），就不会对主用户系统造成不适当的干扰，感知用户就可以借用想使用的频谱进行通信。三、主用户接收端检测图14干扰温度模型=28=CHONGQINGUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONS2.基于干扰温度的检测干扰温度机制的实施存在的问题：感知用户在目前工作效率已经很高的主用户系统中以共享频谱的方式接入工作的有效性并不高感知用户可以共享工作的机会很小感知用户设备的引入将会导致主用户系统噪声水平增加，减小系统的覆盖范围、容量和服务质量共享情况下，干扰温度的检测在很多情况下存在困难自我检测：对授权用户产生干扰或降低频谱资源的利用率间接检测：受到检测相关性和检测机安装位置的限制，在很多场合下无法工作直接检测：主用户系统要有测量干扰温度值的能力三、主用户接收端检测=29