1、2007-5-92007-5-9基于认知无线电的机会频谱接入技术综述王鹏清华大学无线中心22007-5-92007-5-9内容?概述?OSA的研究方向?研究方向分类综述?小结32007-5-92007-5-9内容?概述?研究动机与系统定义?研究背景?OSA的研究方向?研究方向分类综述?小结42007-5-92007-5-9频谱与频谱资源稀缺?无线通信发展的主要矛盾?有限的频谱资源与增长的无线接入需求?频谱资源稀缺?技术上方便应用的频谱资源几乎划分殆尽?新的无线业务对频谱资源的要求日益旺盛?解决频谱资源稀缺问题?提高给定系统、给定带宽上的频谱利用率?MIMO,OFDM,?52007-5-9200
2、7-5-9资源紧张与资源浪费?规划图：资源紧张?实际利用情况：资源浪费，存在大量频谱空穴(spectrum holes)?利用不充分原因：静态的静态的频谱规划体制与动态的动态的频谱利用方式?历史原因：规划本身不合理，例如无线电视广播频段?通信本身的时间突发特性62007-5-92007-5-9频谱利用率统计结果?3-4GHz利用率仅为0.5%?4-5GHz仅为0.3%?0-3GHz，其平均利用率也仅为5.2%11 M.A.McHenry,“NSF Spectrum occupancy measurements project summary,”Shared spectrum company r
3、eport,August 200572007-5-92007-5-9频谱与频谱资源稀缺?无线通信发展的主要矛盾?有限的频谱资源与增长的无线接入需求?频谱资源稀缺?技术上方便应用的频谱资源几乎划分殆尽?新的无线业务对频谱资源的要求日益旺盛?解决频谱资源稀缺问题?提高某系统、给定带宽上的频谱利用率：微观?利用频谱空穴，提高整个可用频谱上的利用率：宏观82007-5-92007-5-9机会频谱接入(OSA)?机会频谱接入(OSA)的基本思想?维持现有频谱规划框架；引入二级用户(secondary user:SU)系统?允许SU在不干扰授权用户(PU)正常通信的前提下，接入授权频谱?目标：充分利用频谱
4、空穴，提高授权频谱利用率?SU的特点?获取频谱利用状况信息?根据此信息自适应调整工作参数以接入空闲授权频谱92007-5-92007-5-9认知无线电与OSA?认知无线电(CR)Mitola99?基于软件无线电平台?通过对通信环境变化的认识和学习，自适应调整工作参数?作为OSA系统的一种实现平台?OSA也是CR技术首次、最重要的一次应用?基于认知无线电的OSA系统?SU通过频谱检测获取实时频谱利用信息?自适应调整载波频率、带宽等通信参数以接入空闲的授权频谱102007-5-92007-5-9OSA based on CRMan-Machine InterfaceSoftware Control
5、 Processing Engine(Adaptive Control Mechanism)RFDigitalSoftwareControlI/0Software Controlled Radio(SCR)Spectrum informationPolicy requirementsPerformance requirements112007-5-92007-5-9背景：政策演进?FCC开始推动以利用频谱空穴为目标的频谱政策改革，05年修改电波法FCC05?频谱稀缺与频谱资源利用不充分的矛盾?非许可频段带来的技术与业务的飞速发展?软硬件技术的发展使得在技术上而不是政策上实现系统间的干扰规避成为
6、可能?信息产业部“十一五”规划的“十二大重大工程”之一信产部07?加强无线电集中统一管理，适时修订无线电频率划分规定，促进无线电新技术、新业务的发展122007-5-92007-5-9背景：学术动态?学术会议?Dyspan2005，2007(in April)?Crowncom2006，2007(in August)?学术专刊?IEEE JSAC TWC TSP?EUROSIP,IEICE?科研项目?NSF：Programmable Wireless Networking?国内：?”863”认知无线电关键技术研究：成电?2006年度国家自然科学基金132007-5-92007-5-9背景：应用
7、进程?802.22(WRAN)?利用电视频段实现Rural地区的固定无线接入?802.16h?“enable coexistence among license-exempt systems based on 802.16 and to facilitate the coexistence of such systems with PU”?DARPA“xG”?IEEE1900?WG1，2，3:SDR,Co-existence,interference?Study Group A,B?ITU-R:SG1,8142007-5-92007-5-9内容?概述?OSA的研究方向?系统分类?系统需求分析与
8、研究方向?研究方向分类综述?小结152007-5-92007-5-9OSA的分类?根据机会资源特性分类?空域机会频谱接入?图示：SU利用PU2的授权频谱，通过功率控制保证PU2的传输质量?系统例示：WRAN?时域机会频谱接入?图示：SU利用PU1的授权频谱，在PU1空闲时传输?系统例示：WLAN作为SU，蜂窝系统作为PU2RPU TxSU RxPU RxSU Tx1R162007-5-92007-5-9PU1OSA的分类(续)?根据SU的接入模型分类?基本OSA：SU每次在某PU的频谱上检测、传输?窄带OSA：SU每次选择某PU的部分频谱检测、传输?应用举例：SU为无线传感器网络的节点?宽带O
9、SA：SU每次在多个PU的频谱上检测、传输?应用举例：SU有较高带宽要求，WRAN利用多个电视频道PU1PU2PU3授权频谱基本OSA窄带OSA宽带OSAPU1PU1PU2PU3172007-5-92007-5-9基本系统结构实体授权用户(PU)二级用户(SU)资源时域空闲频谱空域空闲频谱提高授权频谱利用率提高SU系统的容量SU的传输满足PU的干扰限制条件SU对PU是透明的SU系统的功能机会频谱的辨识机会频谱的合法，有效利用频谱检测判断信道忙闲外部约束下利用资源182007-5-92007-5-9OSA与传统无线系统对比传统无线通信系统OSA系统功能模块传输机会频谱辨识+传输资源特性给定带宽机
10、会特性：可用资源动态变化约束条件带宽、功率受限PU的干扰限制系统共存问题不突出不同SU系统之间的共存192007-5-92007-5-9OSA系统面临的技术挑战?机会资源的辨识：PU的检测?空域：检测的准确性?时域：检测的准确性、时效性?机会资源的利用：SU的传输?SU的链路层设计与性能分析?PU干扰限制约束的影响?SU的MAC机制?可用资源动态变化：SU的链路维持?检测：融入检测模块的MAC设计?SU系统间的资源共享202007-5-92007-5-9研究方向分类机会频谱的辨识机会频谱的利用SU链路级设计与性能分析SU之间的频谱共享SU的链路维持与MAC机制理论扩展:Cognitive ra
11、dio channel宏观的系统结构PU信号的检测212007-5-92007-5-9内容?概述?OSA的研究方向?研究方向分类综述?PU信号的检测?SU的传输链路设计与性能分析?SU的链路维持与MAC机制?其他相关研究?小结222007-5-92007-5-9PU信号的检测?检测的目的：获取频谱利用状况信息?检测问题描述?时域：与传输密切相关，在后面涉及?空域：微弱信号的检测问题PU的可译码区PU的保护区SU的no-talk zone232007-5-92007-5-9PU信号的检测(续)?检测问题的数学描述?假设检验问题?性能指标：检测概率、虚警概率?检测器的选择及其性能分析 Cabric
12、04ner07?匹配滤波，能量检测器，特征检测器(循环平稳检测器)?检测环境分析Sahai05?信号场强微弱、多径、阴影导致检测性能恶劣?噪声不确定性导致检测失败?多SU协作检测以提高检测性能?协作检测的基本性能分析：Mishra06Sahai07?协作检测协议 Li06?数据融合协议 Sun07242007-5-92007-5-9SU的链路设计与性能分析?SU的链路设计目标?满足PU的干扰限制条件的前提下最大化SU的链路速率?与传统无线链路研究的区别?新的约束条件：PU的干扰限制?最大化链路速率需要首先最大化可获取资源的总量?研究思路?定量描述PU的干扰限制条件，并分析其对SU链路设计的影响
13、?资源“机会”特性对SU链路级设计的影响?引入一个新的性能指标：机会频谱利用率?对空闲频谱的利用效率：即引入SU后，授权频谱利用率究竟提高了多少252007-5-92007-5-9PU的干扰限制约束分析?PU干扰限制的定义Zhao06?保护区域?干扰功率约束?保护区域内任意一点的干扰功率小于PI?碰撞概率约束?碰撞的定义：SU的传输使得PU保护区域内任意点干扰功率大于PI?碰撞概率小于?干扰限制约束参数：(PI,)2RPU TxSU RxPU RxSU Tx1R262007-5-92007-5-9干扰功率约束?问题：接收点功率受限对链路容量的影响?一般情况下该约束条件等同于发射功率约束?基本O
14、SA，窄带OSA?在特定的系统以及网络结构下需要重新考虑系统容量的分析及相关链路设计准则Gastpar07?宽带OSA不同PU有不同的干扰功率限制链路容量研究PU干扰功率约束带宽受限发射功率受限接收点功率受限272007-5-92007-5-9碰撞概率约束?碰撞的原因?辨识错误：I 类碰撞?对检测器性能的要求?PU在SU传输时再次出现：I I 类碰撞(时域)?周期性检测?问题：碰撞概率受限下最大化机会频谱利用率?检测开销与虚警的浪费使得时域空闲资源不能被全部利用?检测器、检测周期、检测周期内检测时间的设计准则I类碰撞II类碰撞282007-5-92007-5-9资源的“机会”特性?一般OSA?
15、在资源总量动态变化的背景下，为了在一定程度上保证QoS，如何进行资源管理与分配，是MAC层需要考虑的问题?链路级的窄带OSA?检测信道的选择策略?目标：给定时间内获得最多的资源?数学模型：部分可观察的马尔科夫决策问题(POMDP)?SU只能获取部分当前频谱利用状态信息窄带OSA中的信道选择问题检测信道选择检测传输频率时间检测信道选择检测传输SU的接入模型PU的授权频谱Black:busyWhite:Idle12341234292007-5-92007-5-9研究现状综述?极限机会频谱利用率的相关研究?空域极限机会频谱利用率的研究?Maryland Univ.Clancy?时域极限机会频谱利用率
16、及相关链路设计的研究?Ghasemi07,I2R?我们的一些初步成果简介Wang07?干扰功率约束下SU系统的资源分配与调度?Shu06 Letaief07Gapstar07?我们的一些初步成果简介Wang07?窄带OSA中最大化SU吞吐量的信道选择策略研究?UC Davis Zhao；Cornell Univ.Tong302007-5-92007-5-9初步成果-1：问题描述?研究对象：基本OSA系统?某段频谱授权给PU但PU不总占用?SU接入PU授权频谱的空闲时段?主要研究目标?极限机会频谱利用率?满足碰撞概率约束下，最大化机会频谱利用率的接入技术?检测器的设计?检测周期长度设计?检测时间
17、与传输时间的折衷PU TxSU RxPU RxSU Tx基本时域OSA系统SU基本工作模型312007-5-92007-5-9问题建模?系统模型简化?检测周期给定且远小于信道的每次空闲时间与占用时间的平均值?近似?暂不考虑II类碰撞?碰撞概率约束转化为对检测器的漏报概率（或检测概率）的约束:FANnP一个检测周期内的时隙数一个检测周期内用于检测的时隙数检测器的虚警概率?机会频谱利用率322007-5-92007-5-9优化问题建模?优化问题建模?优化问题求解?最优检测器设计?固定检测时间，通过求解给定检测概率下最小化虚警概率的检测器，得到虚警概率与检测时间的函数关系?最优检测器：NP检测器?最
18、优检测时间设计：整数最优化问题检测概率下限约束检测器的漏报概率:DMPP332007-5-92007-5-9典型检测场景下的解?一个典型检测场景?检测样本独立，SU仅知道PU信号在SU处统计信噪比?两个不同方差白色复高斯矢量信号间的判决：NP检测器为能量检测器?极限机会频谱利用率与最优检测时间求解?求解?数值方法求解整数最优化问题(穷举法)2n2s2n2sSUPU:=SNR功率检测器出的高斯白噪声：信号在检测器处的功率342007-5-92007-5-9数值结果0.80.820.840.860.880.90.920.940.960.9810.250.30.350.40.450.50.550.6
19、0.650.70.75detection probability constraintachievable efficiencySNR Vs 极限频谱利用率，P_D=0.99,N=50检测概率约束 Vs 极限频谱利用率，SNR=0 dB,N=50-4-3-2-101234560.10.20.30.40.50.60.70.80.9X:2Y:0.6083SNR(dB)achievable channel efficiency352007-5-92007-5-9数值结果(续)0510152025303540455000.10.20.30.40.50.60.70.80.9 X:22Y:0.56numb
20、er of detection symbolschannel efficiencyX:13Y:0.6791X:22Y:0.4266SNR=-3dBSNR=0dBSNR=3dBSNR=6dB?示例：?0dB 最优检测样本数为22，3dB时需要降至13?最大化机会频谱利用率的接入策略：?检测器为NP检测器?NP检测器取决于检测问题的假设检验模型?根据统计信噪比自适应调整：?检测周期内检测时间的长度?检测器的判决门限不同统计信噪比下检测样本数 Vs 机会频谱利用率362007-5-92007-5-9初步成果-2：问题描述?基于OFDM的宽带OSA中的功率分配问题?问题模型?SU?工作带宽覆盖多个PU
21、系统的授权频段?每个PU的授权频段对应于SU的一个子带?PU的干扰功率约束?不同子带具有不同的发射功率约束1122.FGFG12Nsubchannel Msubchannel jmjsubchannel 1 subchannel 2 Lj.ii:PU:PUiiFG所在子带的总功率的干扰功率约束1RPU1SU2RPU2372007-5-92007-5-9数学模型?传统OFDM链路中的最优子载波功率分配算法?凸优化问题的求解?功率分配算法：根据信道增益在子载波间注水?宽带OSA中SU链路容量与功率分配算法?新的凸优化问题求解个子信道的总功率约束第个子信道的总功率第总功率约束子信道数子载波数个子载波
22、的信道增益第个子载波的功率第jGjFPMNihiPjjtotalii:wSubcarriers1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15iP1/ih382007-5-92007-5-9问题求解?基于凸优化理论，我们证明了最优解满足的充要条件；提出了一种迭代分块注水算法(iterative partitioned water-filling)；并证明了这种算法是最优的。w4w2wiP1/ih最优功率分配满足：每个子带内为传统注水结果所得子带功率严格小于子带功率约束的子带：“公共水位”（子信道13）所得子带功率等于子带功率约束的子带：“特有水位”（子信道24）“特有水位
23、”不高于“公共水位”392007-5-92007-5-9SU的链路维持?“机会”特性与链路维持?可用的资源动态变化，为了在一定程度上保证SU的QoS，需要加入链路维持的控制单元?链路维持策略?预先选择?估计各个可用信道的剩余空闲时间，并结合SU的业务要求进行信道选择Jones05?信道释放与跳转?信道切换策略?宽带OSA中载频的“越区切换”Weiss04402007-5-92007-5-9OSA的MAC机制?考虑的因素?检测模块?检测与传输?协作检测协议?链路维持所需要的控制单元?系统中可用资源总量动态变化对资源管理分配的影响?不同系统结构的需求?有中心与无中心?有无信令信道?SU的接入模型：
24、基本、窄带、宽带412007-5-92007-5-9其他相关研究?SU系统之间的资源共享?SU系统间空域机会频谱资源的分配?UCSB：Zheng Haitao?基于博弈论的系统共存问题研究?OSA的理论扩展?信息论层次上Cognitive radio channel容量及编码的研究Tarokh04Viswanath06422007-5-92007-5-9空域机会频谱的分配?系统模型?多个信道对应多个PU系统；多个SU系统?由于地理位置不同，不同SU处可用的频谱资源不同?SU系统之间存在干扰?问题描述?如何在SU系统间分配资源以提高系统性能432007-5-92007-5-9空域机会频谱的分配?
25、难点?需要分布式处理?由于可用资源动态变化，分配算法易于更新?研究成果?最优解是NP-hard问题?建模为图论中的“color sensitive coloring”问题，求得静态拓扑有中心和分布式情形下的次优解?最优解随拓扑变化更新的算法442007-5-92007-5-9OSA的理论扩展?竞争：interference channelY2X1X2Z2Z1Y2Y1a12a21-用户间不协作-普通情况下的容量域未知-仍限于80年代初的研究水平452007-5-92007-5-9OSA的理论扩展(续)?合作:MIMO broadcast channelX1X2Y2Y1a12a21Z2Z1-用户间
26、可以完全协作-协作的基础是互相知道对方的发送信号，并基于此联合编码-容量域2004年求得462007-5-92007-5-9OSA的理论扩展(续)?将OSA中最本质的半合作模式引入到信息论研究的层次上?PU与SU不是通过正交复用共享信道?Cognitive radio channel?用户之间信息的不对称性?X2利用已知X1的信息进行编码，达到两个目的?抵消X1的干扰：DPC?协助X1的传输：RelayX1X2Z2Z1Y2Y1a12a21472007-5-92007-5-9OSA的理论扩展(续)?已有的可达速率域?Green:cooperative?Blue:cognitive?Black:c
27、ompetitive482007-5-92007-5-9小结?研究背景与基本概念?OSA面临的挑战与研究方向分类?研究方向分类综述?重点介绍SU链路级设计与性能分析方面的内容2007-5-92007-5-9谢谢！502007-5-92007-5-9参考文献?Mitola99 J.Mitola,Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications,In Proc.IEEE Int.Workshop on Mobile Multimedia Communications,pp.3-10,1999?FCC05 FCC,“Repor
28、t and Order”ET Docket 05-57,March,2005?信产部07信产部，信息产业“十一五”规划?cabric04 D.Cabric,S.M.Mishra,and R.W.Brodersen,“Implementation issues in spectrum sensing for cognitive radios,”in Proc.the 38th.Asilomar Conference on Signals,Systems,and Computers,pp.772 776,2004.?Oner07 M.ner,F.Jondral,”Extracting the ch
29、annel allocation information in a spectrum pooling system exploiting cyclostationarity”,in Proc IEEE PIMRC 2004,Volume1,Sept.2004,pp:551 555,?Sahai05 A.Sahai,N.Hoven,R.Tandra,“Some fundamental limits in cognitive radio”,Allerton Conf.on Commun.,Control and Computing 2004,October 2004.?Mishra05 S.M.M
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