認(rèn)知無線電技術(shù)CognitiveRadioCR課件

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,*,認(rèn)知無線電技術(shù)（Cognitive Radio,CR）,隨著無線通信需求的不斷增長,當(dāng)前固定的頻譜分配政策已不能滿足人們的需求,頻譜資源變得越來越緊張,。而且，,無線系統(tǒng)的頻譜資源在時間和空間上存在不同程度的空閑，造成頻譜資源的浪費(fèi)，,因此人們提出了,認(rèn)知無線電技術(shù),可以從時間和空間上充分利用那些空閑的頻譜資源,從而有效解決了頻譜資源的不足,提高頻譜利用率。,認(rèn)知無線電技術(shù)（Cognitive Radio,CR）,1,認(rèn)知無線電旨在不影響,主用戶（PU）正常通信,的前提下，由次用戶（SU）通過動態(tài)頻譜接入的方式共享和使用空閑頻譜，解決頻譜稀缺問題。,頻譜感知,是認(rèn)知無線電的一項關(guān)鍵技術(shù)，能夠快速、可靠地檢測出未被主用戶占用的,頻譜空穴,供次用戶接入使用。,次用戶接入后不斷監(jiān)聽信道，當(dāng)主用戶出現(xiàn)時，快速讓出頻譜，以達(dá)到充分利用頻譜資源并且盡量保護(hù)主用戶的目的。,認(rèn)知無線電旨在不影響主用戶（PU）正常通信的前提下,2,頻譜感知技術(shù),頻譜感知技術(shù),有兩大任務(wù)：第一，判斷某一頻段是否存在主用戶信號，是否空閑可用；第二，為不對主用戶造成不良影響，次用戶在接入后要堅持監(jiān)聽，力求在第一時間感知到主用戶的接入并退出信道，接入其他空閑信道。,只有快速準(zhǔn)確的頻譜感知才能保證非授權(quán)用戶在合理利用空閑頻譜資源的同時不干擾正常通信中的授權(quán)用戶。,頻譜感知技術(shù) 頻譜感知技術(shù)有兩大任務(wù)：第一，判斷某,3,頻譜感知技術(shù)可歸納為,單用戶,頻譜感知和,合作,頻譜感知兩大類，其中單用戶頻譜感知又分為主用戶發(fā)射機(jī)檢測和主用戶接收機(jī)檢測；合作頻譜感知又分為基于軟融合的檢測和基于硬判決融合的檢測。,噪聲不確定性、信道衰落、多徑效應(yīng)等不良因素都制約了單用戶頻譜檢測器的性能。,現(xiàn)有的頻譜感知算法大多是通過對主用戶發(fā)射機(jī)所發(fā)送的信號進(jìn)行檢測，因而容易產(chǎn)生“隱蔽終端”現(xiàn)象。,假如 CR 用戶與主用戶發(fā)射機(jī)之間有障礙物的遮擋，那么該 CR 用戶很可能會受到陰影效應(yīng)的影響而檢測不到主用戶發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號。,頻譜感知技術(shù)可歸納為單用戶頻譜感知和合作頻譜感知,4,PU1 和 PU2 之間正在進(jìn)行通信，由于 CR 用戶 CR1和 CR2 均處于主用戶發(fā)射機(jī)的信號覆蓋范圍之外，它們都檢測不到主用戶信號的存在，因此兩個 CR 用戶很可能使用相同的頻帶進(jìn)行通信，于是它們便,對,PU1 產(chǎn)生了干擾，此時 PU1 便是“隱蔽終端”。,PU1 和 PU2 之間正在進(jìn)行通信，CR1 雖然處于主用戶發(fā)射機(jī)信號的覆蓋范圍內(nèi)，但由于障礙物的存在，CR1受陰影效應(yīng)的影響檢測不到主用戶信號，當(dāng) CR1 與 CR2 使用相同頻帶進(jìn)行通信時就會干擾PU1 的正常通信。,PU1 和 PU2 之間正在進(jìn)行通信，由于 CR 用戶 CR,5,認(rèn)知無線電技術(shù)CognitiveRadioCR課件,6,認(rèn)知無線電技術(shù)CognitiveRadioCR課件,7,多用戶協(xié)同檢測,可以,削弱多徑衰落與陰影效應(yīng)帶來的影響、提高頻譜檢測能力。,認(rèn)知無線電技術(shù)CognitiveRadioCR課件,8,合作頻譜感知技術(shù),合作頻譜感知技術(shù)是在單用戶頻譜感知技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。合作頻譜感知又稱協(xié)作檢測，它實際上是一個將處于不同地理位置上的各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立檢測結(jié)果按照一定的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并做出最終判決的過程。合作頻譜感知利用空間的宏分集彌補(bǔ)了單用戶頻譜感知過程中可能遭遇到的“隱蔽終端”、深度衰落等容易造成檢測錯誤的問題。,合作頻譜感知技術(shù)合作頻譜感知技術(shù)是在單用戶頻譜感知技術(shù)基礎(chǔ)上,9,合作頻譜感知通常包括本地感知、感知信息傳,和,感知,信息,融合,三,個階段,合作頻譜感知通常包括本地感知、感知信息傳和感知信息融合三個階,10,感知信息的融合是合作頻譜感知技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)融合算法性能的優(yōu)劣對最終的判決結(jié)果影響重大。,目前研究比較成熟且常用的數(shù)據(jù)融合算法有四種，它們分別是 AND 準(zhǔn)則、OR 準(zhǔn)則、K秩準(zhǔn)則，以及基于對數(shù)似然比的 Chair-Varshney 準(zhǔn)則。,感知信息的融合是合作頻譜感知技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)融合算法性能,11,能量檢測,能量檢測算法又是基于功率的檢測算法，通過測量一段觀測空間內(nèi)的接收信號總能量來判決是否有授權(quán)用戶信號出現(xiàn)。,能量檢測中天線接收到的射頻信號經(jīng)射頻放大、濾波后，雨本振信號進(jìn)行混頻處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行FFT變換后，對其平方求和，判決統(tǒng)計量為：,能量檢測能量檢測算法又是基于功率的檢測算法，通過測量一段觀測,12,傳統(tǒng)的頻譜感知方法中，認(rèn)知用戶以,奈奎斯特采樣速率,對接收到的信號進(jìn)行處理，然而需要感知的頻譜寬度可能高達(dá)GHz，這樣，需要處理的數(shù)據(jù)量非常大，無論從技術(shù)或是從成本上都是難以實現(xiàn)的。,近年來出現(xiàn)的新理論,壓縮感知理論,，信號的采樣和壓縮同時以低速率進(jìn)行，使采樣和計算成本大大降低。,傳統(tǒng)的頻譜感知方法中，認(rèn)知用戶以奈奎斯特采,13,壓縮感知理論框架（CS）,壓縮感知理論是一個充分利用信號稀疏性或可壓縮性的全新信號采集,編解碼理論。,傳統(tǒng)的信息獲取與處理過程,采樣,壓縮編碼,傳輸,存儲,信號重構(gòu),信號,X,恢復(fù)信號,量化,壓縮感知理論框架（CS）壓縮感知理論是一個充分利用信號稀疏性,14,CS理論是在采樣的同時進(jìn)行壓縮，利用信號的稀疏性，以遠(yuǎn)低于Nyquist采樣率的速率對信號進(jìn)行非自適應(yīng)的測量編碼。,CS理論框架,壓縮感知理論主要包括信號的,稀疏表示,、,編碼測量,和,信號重構(gòu),等三方面。,稀疏變換,信號重構(gòu),恢復(fù)信號,Y,可壓縮信號,投影到測量值,傳輸,存儲,CS理論是在采樣的同時進(jìn)行壓縮，利用信號的稀疏性，以遠(yuǎn)低于N,15,信號的稀疏表示,CS理論的前提條件是信號具有稀疏性或可壓縮性?？紤]長度為N的離散是信號 ，記為 ，n=1,2,N。,由信號理論可知，X可用一組標(biāo)準(zhǔn)正交基,的線性組合表示，則,：,式中，為稀疏系數(shù)。,為,稀疏基,。,信號的稀疏表示CS理論的前提條件是信號具有稀疏性或可壓縮性。,16,將信號 投影到一組測量向量 上，得到測量值 ，矩陣形式為：,式中，是 矩陣，是 矩陣，是 的測量矩陣。,則有：,式中：是 矩陣，稱為傳感矩陣。,將信號 投影到一組測量向量,17,由于測量值維數(shù) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號維數(shù) ，求解式(2)的逆問題是一個病態(tài)問題，所以無法直接從 的 個測量值中解出信號 。而式（3）中 是稀疏的，即僅有K個非零系數(shù)，且 ，則利用信號稀疏分解算法，可以通過求解（3）的逆問題得到稀疏系數(shù) ，代入（1）式得到信號 。,求逆,代入（1）,由于測量值維數(shù) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號維數(shù) ，求解式(2)的逆,18,受限等距特性,（RIP）,為保證算法收斂性，使得K個系數(shù)能由M個測量值準(zhǔn)確地恢復(fù)，則矩陣 必須滿足受限等距特性準(zhǔn)則，即對任意具有嚴(yán)格K稀疏的矢量 ，矩陣 都能保證下式成立：,測量矩陣 和稀疏矩陣 不相關(guān),。,受限等距特性（RIP）為保證算法收斂性，使得K個系數(shù)能由M個,19,信號的重構(gòu),假設(shè)在稀疏基 下，信號 是K-稀疏的，則可通過求解最小 范數(shù)的問題從 中恢復(fù)出 。,從而得到稀疏系數(shù)的估計。,信號的重構(gòu)假設(shè)在稀疏基 下，信號 是K-稀疏的，則,20,壓縮感知實現(xiàn)的關(guān)鍵,（1）如何選取稀疏矩陣 稀疏表示信號；,（2）如何選取隨機(jī)觀測中的觀測向量 使得其與稀疏矩陣 不相關(guān)，以滿足 RIP 條件；,（3）如何選擇重建算法，使得重建過程耗時短且重建效果好。,壓縮感知實現(xiàn)的關(guān)鍵（1）如何選取稀疏矩陣 稀疏表示信號,21,基于壓縮感知的合作頻譜感知,在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，授權(quán)用戶占用的頻譜利用狀況具有,稀,疏性，,利用這一性質(zhì)，可以用壓縮感知技術(shù)對頻譜進(jìn)行觀測采樣，并根據(jù)這,些少量的采樣點(diǎn)進(jìn)行重建與頻譜占用率分析。,基于壓縮感知的合作頻譜感知算法的核心思想是：各 CR 用戶獨(dú)立地完成壓縮感知、信號重建和局部判決過程，并將局部判決結(jié)果傳送到控制中心，由控制中心運(yùn)用數(shù)據(jù)融合算法對所接收到的全部局部判決結(jié)果進(jìn)行融合，最終給出全局判決結(jié)果，并將該全局判決結(jié)果廣播給各 CR 用戶，有通信需求的 CR 用戶根據(jù)該判決結(jié)果進(jìn)行伺機(jī)接入。,基于壓縮感知的合作頻譜感知在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，授權(quán)用戶占用的,22,認(rèn)知無線電技術(shù)CognitiveRadioCR課件,23,該算法之所以具有可行性，在于它利用了寬帶信號在頻域的稀疏性（某一寬帶范圍內(nèi)，在某一地點(diǎn)或某一時間只有少數(shù)頻帶被占用，而大部分頻帶處于空閑狀態(tài)）。先利用感知矩陣對信號進(jìn)行欠采樣，然后利用壓縮感知重構(gòu)算法恢復(fù)出相應(yīng)的信號，最后利用頻譜感知算法對頻域信號進(jìn)行檢測，也就完成了寬帶頻譜感知的任務(wù)。,該算法之所以具有可行性，在于它利用了寬帶信號在頻域的稀疏性（,24,基于分布式壓縮感知的合作頻譜感知,基于分布式壓縮感知的合作頻譜感知,25,各 CR 用戶并不對壓縮采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行,重,構(gòu)，也不對全局信道做出判決，而是直接將壓縮采樣數(shù)據(jù)傳送給控制中心，由控制中心進(jìn)行聯(lián)合重構(gòu)，進(jìn)而對重構(gòu)信號集合進(jìn)行全局判決,。,各 CR 用戶并不對壓縮采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，也不對全局信道做出,26,