认知无线电验证平台场景设计.docx
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认知无线电验证平台场景设计
认知无线电
验证平台场景设计
2008-11-14
赵琳陈翼翼
一、系统结构图
图1系统结构图
二、系统基本背景介绍
1.该系统内存在2个主要用户(PU)。
PU编号为PU0~PU1。
2.该系统内存在1个次级用户基站(SUBS),3个次级用户(SU)。
SU编号为SU0~SU2,都具有感知功能,并且均可采用不同的频谱检测方法进行检测。
3.在广播电视频段54~862MHz上选取20MHz。
设定该系统工作在这20MHz的频段内。
将整个频段划分为40个500KHz的子信道(SCH),编号为0~39。
4.采用集中式的结构,1个SUBS管理所有的SU。
SUBS具有绝对管理权,即SUBS控制SU的频谱检测、接入空闲频段等一切操作。
5.SUBS维持一个子信道可用性分类的可见表格。
这个功能表中,将子信道按可用状态分类,比如被占用(如正在传输PU信号)、可用(可被SU用户占用)、禁止使用(不能被使用)等。
6.BS接入核心网(CN)。
SU可以通过SUBS接入CN进行网间通信。
网间通信包括语音、图像、视频等业务。
7.SU之间可以通过SUBS的中转实现网内通信,但SU之间不能直接进行通信。
网内通信包括语音、图像、视频等业务。
8.存在一个静默期,划分为检测期和上报期。
在检测期内,SUBS控制SU进行频谱检测;在上报期内,SU向SUBS上报检测结果。
[猜想]
9.基本场景中,SU采用能量检测法进行频谱检测。
SUBS采用K秩准则进行结果合并。
有关不同检测算法、合并算法的比较均在扩展场景中进行。
三、缩略语说明
英文术语
英文缩写
中文术语解释
PrimaryUser
PU
主要用户
SecondaryUser
SU
次级用户
SecondaryUserBaseStation
SUBS
次级用户基站
Sub-Channel
SCH
子信道
ControlChannel
CCH
控制信道
CoreNetwork
CN
核心网
四、场景案例设计
1.CR001:
全频段内不存在PU时,SU接入核心网
案例编号
CR001
案例名称
全频段内不存在PU时,SU接入CN
演示目的
验证:
在系统工作频段内不存在PU时,SU能够顺利接入CN,实现网间通信的各业务
案例背景
所有40个子信道上都不存在PU
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU0想要接入CN
2)SU0通过选定的空闲控制信道CCH0向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——不存在PU,并更新子信道占用表状态。
选取空闲子信道准备用于分配
6)SUBS将SCH0分配给SU0,并告知SU0。
再次更新子信道占用表的状态
7)SUBS接入CN获取信息,并将接收到的数据包通过SCH0转发给SU0。
从而实现了SU0接入CN进行网间通信
8)结束
预期结果
1)SUBS能够做出正确判决——全频段空闲,允许SU接入
2)SU0能够通过SUBS顺利接入CN实现网间通信各业务
实际演示结果
2.CR002:
全频段内不存在PU时,SU间进行网内通信
案例编号
CR002
案例名称
全频段内不存在PU时,SU间进行网内通信
演示目的
验证:
在系统工作频段内不存在PU时,SU能够顺利实现网内通信的各业务
案例背景
所有40个子信道上都不存在PU
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU1想要与SU2进行网内通信
2)SU1通过选定的空闲控制信道CCH1向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——不存在PU,并更新子信道占用表状态。
选取空闲子信道准备用于分配
6)SUBS将SCH4分配给SU1,将SCH9分配给SU2。
并将此
分配情况告知SUi。
再次更新子信道占用表的状态
7)SU1通过SCH4与SUBS进行业务通信。
SUBS将接收到的信息通过SCH9转发给SU2。
实现SU1与SU2的网内通信
8)结束
预期结果
1)SUBS能够做出正确判决——全频段空闲,允许SU接入
2)SU1与SU2间能够通过SUBS分配的空闲子信道实现网内通信
实际演示结果
3.CR003:
仅某几个子信道存在PU时,SU接入核心网
案例编号
CR003
案例名称
仅某几个子信道存在PU时,SU接入CN
演示目的
验证:
在系统工作频段内仅某几个子信道存在PU时,SU能够顺利接入CN,实现网间通信的各业务
案例背景
PU0占用SCH0~4
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU0想要接入CN
2)SU0通过选定的空闲控制信道CCH0向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——SCH0~4上存在PU,并更新子信道占用表状态。
选取空闲子信道准备用于分配
6)SUBS将SCH9分配给SU0,并告知SU0。
再次更新子信道占用表的状态
7)SUBS接入CN获取信息,并将接收到的数据包通过SCH9转发给SU0。
从而实现了SU0接入CN进行网间通信
8)结束
预期结果
1)SUBS能够做出正确判决——存在频谱空穴,允许SU接入
2)SU0能够通过SUBS顺利接入CN实现网间通信各业务
实际演示结果
4.CR004:
仅某几个子信道存在PU时,SU间进行网内通信
案例编号
CR004
案例名称
仅某几个子信道存在PU时,SU间进行网内通信
演示目的
验证:
在系统工作频段内仅某几个子信道存在PU时,SU能够顺利实现网内通信的各业务
案例背景
PU0占用SCH0~4
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU1想要与SU2进行网内通信
2)SU1通过选定的空闲控制信道CCH1向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——SCH0~4上存在PU,并更新子信道占用表状态。
选取空闲子信道准备用于分配
6)SUBS将SCH10分配给SU1,将SCH15分配给SU2。
并将此分配情况告知SUi。
再次更新子信道占用表的状态
7)SU1通过SCH10与SUBS进行业务通信。
SUBS将接收到的信息通过SCH15转发给SU2。
实现SU1与SU2的网内通信
8)结束
预期结果
1)SUBS能够做出正确判决——存在频谱空穴,允许SU接入
2)SU1与SU2间能够通过SUBS分配的空闲子信道实现网内通信
实际演示结果
5.CR005:
全频段内存在PU时,SU不能进行通信
案例编号
CR005
案例名称
全频段内存在PU时,SU不能进行通信
演示目的
验证:
在系统工作全频段内都存在PU时,SU不能进行通信
案例背景
PU0、PU1占用全频段
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU0想要发起通信
2)SU0通过选定的空闲控制信道CCH0向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——全频段上都存在PU,并更新子信道占用表状态
6)SUBS通过空闲的控制信道告知SU0此时无空闲子信道,不能进行通信
7)结束
预期结果
1)SUBS能够做出正确判决——全频段上都存在PU,SU
禁止接入
2)SU0不能进行通信
实际演示结果
6.CR006:
全频段内不存在PU时,某SU伪装成PU占用某几个子信道
案例编号
CR006
案例名称
全频段内不存在PU时,某SU伪装成PU占用子信道
演示目的
说明CR系统安全性管理的重要性
案例背景
所有40个子信道上都不存在PU,但SU0伪装成PU0占用子信道SCH0~4
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU1想要发起通信
2)SU1通过选定的空闲控制信道CCH1向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——SCH0~4上存在PU,并更新子信道占用表状态。
选取空闲子信道准备用于分配
6)若SU1此次是想接入CN实现网间通信业务,则SUBS将
SCH9分配给SU1,并告知SU1。
再次更新子信道占用表的状态。
SUBS接入CN获取信息,并将接收到的数据包通过SCH9转发给SU1。
从而实现了SU1接入CN进行网间通信
7)若SU1此次是想与SU2实现网内通信业务,则SUBS将
SCH10分配给SU1,将SCH15分配给SU2。
并将此分配情况告知SUi。
再次更新子信道占用表的状态。
SU1通过SCH10与SUBS进行业务通信。
SUBS将接收到的信息通过SCH15转发给SU2。
实现SU1与SU2的网内通信
8)SU0继续占用SCH0~4
9)结束
预期结果
1)SUBS做出了错误判决——SCH0~4存在PU
2)SU1仅能够利用SCH5~39进行通信(网间或网内通信)
3)SU0继续独自占用SCH0~4
实际演示结果
7.CR007:
全频段内不存在PU时,某SU伪装成PU占用全频段
案例编号
CR007
案例名称
全频段内不存在PU时,某SU伪装成PU占用全频段
演示目的
说明CR系统安全性管理的重要性
案例背景
所有40个子信道上都不存在PU,但SU0伪装成PU占用
全频段
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU1想要发起通信
2)SU1通过选定的空闲控制信道CCH1向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——全频段上都存在PU,并更新子信道占用表状态
6)SUBS通过空闲的控制信道告知SU1此时无空闲子信道,不能进行通信
7)SU0继续占用全频段
8)结束
预期结果
1)SUBS做出了错误判决——全频段上都存在PU,SU禁止
接入
2)SU1不能进行通信
3)SU0继续独自占用全频段
实际演示结果
8.CR008:
仅某几个子信道存在PU时,系统未检出,但SUBS执行的信道分配策略不会对通信造成干扰
案例编号
CR008
案例名称
仅某几个子信道存在PU时,系统未检出[原因可能是因为环境信噪比小或判决门限设定有误],但不会对通信造成干扰
演示目的
说明检测准确性对系统运行的影响
案例背景
PU0占用SCH0~4
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU0想要发起通信
2)SU0通过选定的空闲控制信道CCH0向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——全频段上不存在PU,并更新子信道占用表状态。
选取空闲子信道准备用于分配
6)在信道分配过程中,SUBS恰巧没有将实际存在PU的
SCH0~4分配给SUi:
若SU0此次是想接入CN实现网间通信业务,则SUBS将
SCH9分配给SU0,并告知SU0。
再次更新子信道占用表的状态。
SUBS接入CN获取信息,并将接收到的数据包通过SCH9转发给SU0。
从而实现了SU0接入CN进行网间通信;
若SU0此次是想与SU1实现网内通信业务,则SUBS将
SCH10分配给SU0,将SCH15分配给SU1。
并将此分配情况告知SUi。
再次更新子信道占用表的状态。
SU0通过SCH10与SUBS进行业务通信。
SUBS将接收到的信息通过SCH15转发给SU1。
实现SU0与SU1的网内通信
7)结束
预期结果
1)SUBS做出了错误判决——全频段空闲,允许SU接入
2)SU0能够进行通信(网间或网内通信),且不会对PU的通信造成干扰
实际演示结果
9.CR009:
仅某几个子信道存在PU时,系统未检出,且SUBS执行的信道分配策略会对通信造成干扰
案例编号
CR009
案例名称
仅某几个子信道存在PU时,系统未检出[原因可能是因为环境信噪比小或判决门限设定有误],且会对通信造成严重干扰
演示目的
说明检测准确性对系统运行的影响
案例背景
PU0占用SCH0~9
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)某时刻SU0想要发起通信
2)SU0通过选定的空闲控制信道CCH0向SUBS发通信请求
3)SUBS收到请求。
为SUi指定空闲控制信道CCHi。
在下一个静默期到来时控制SU0~SU2进行频谱检测
4)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)SUBS合并检测结果并做出判决——全频段上不存在PU,并更新子信道占用表状态。
选取空闲子信道准备用于分配
6)在信道分配过程中,SUBS恰巧将实际存在PU的
SCH0~9分配给SUi。
例如,SUBS将SCH4分配给SU0进
行通信(网间或网内通信),并告知SU0。
再次更新子信道占用表的状态。
7)SU0接入SCH4,却发现存在PU。
SU0对PU的通信造成了严重干扰
8)SU0通过CCH0向SUBS发出紧急通知:
该SCH存在PU
9)SUBS通过CCH0命令SU0迅速停止通信,退出此SCH。
并更新子信道占用表的状态
10)结束
预期结果
1)SUBS做出了错误判决——全频段空闲,允许SU接入
2)SU0不能进行通信,并且对PU的通信造成了严重干扰
实际演示结果
10.CR010:
SU占用某几个信道时,PU强行接入
案例编号
CR010
案例名称
SU占用子信道时,PU强行接入
演示目的
研究当PU想要重新接入授权频段时系统的运行流程
案例背景
SU0占用SCH5~9。
一般情况下,PU0工作在SCH5~9频段范围内。
PU0想要重新接入这个频段
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)之前某时刻SU0已经SUBS允许,占用了SCH5~9
2)在非静默期内,SU0对占用的子信道及其相邻子信道进行周期性地扫描,即SU0不停地对SCH3~11等9个子信道进行扫描,以防PU出现
3)某时刻PU0强行接入子信道SCH5~9
4)SU0发现PU0接入
5)SU0通过CCH0向SUBS发出紧急通知:
PU接入该SCH
6)SUBS通过CCH0命令SU0迅速停止通信,退出此SCH。
并更新子信道占用表的状态
7)结束
预期结果
1)SU0能够发现PU0接入
2)SU0迅速退出占用的子信道
实际演示结果
11.CR011:
SU占用某几个信道时,PU退避接入
案例编号
CR011
案例名称
SU占用子信道时,PU退避接入
演示目的
研究当PU想要重新接入授权频段时系统的运行流程
案例背景
SU0占用SCH5~9。
一般情况下,PU0工作在SCH5~9频段范围内。
PU0想要重新接入这个频段。
PU0具有感知功能
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)之前某时刻SU0已经SUBS允许,占用了SCH5~9
2)在非静默期内,SU0对占用的子信道及其相邻子信道进行周期性地扫描,即SU0不停地对SCH3~11等9个子信道进行扫描,以防PU出现
3)某时刻PU0想要重新接入频段SCH5~9。
PU0先在这个频段范围内进行扫描。
发现频段被占用。
PU0退避
4)PU0从SCH0开始扫描,重新寻找能满足自己通信的带宽为2.5MHz的频段
5)PU0发现SCH0~4频段空闲,接入
6)经过下一个静默期的检测后,SUBS检测到SCH0~4存在PU。
更新子信道占用表的状态
7)结束
预期结果
1)PU0检测到自身正常工作频段SCH5~9被占用
2)PU0重新找到可以接入的空闲频段并顺利接入进行通信
实际演示结果
12.CR012:
比较不同检测方法
案例编号
CR012
案例名称
比较不同本地检测方法
演示目的
研究SU采用不同检测方法对系统检测精度的影响
案例背景
PU0占用SCH0~4,PU1占用SCH20~24
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)静默期开始
2)检测期开始。
SUBS控制SU0~SU2开始检测
3)SU0采用能量检测法进行检测,SU1采用周期平稳特征检测法进行检测,SU2采用增强型能量检测法[能够区分主要用户,详见附录1]
4)上报期开始。
SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
5)在SUBS处可以观察到不同SU的检测结果不同
6)结束
预期结果
1)在环境信噪比大、门限设置适当的情况下,SU0检测到SCH0~4、20~24存在PU;环境信噪比很小或门限设置有误的情况下,SU0可能无法完全检测到PU
2)SU1检测到SCH0~4、20~24存在PU
3)在环境信噪比大、门限设置适当的情况下,SU2检测到SCH0~4存在PU0、SCH20~24存在PU1;环境信噪比很小或门限设置有误的情况下,SU2可能无法完全检测到PU
或无法区分不同PU
实际演示结果
13.CR013:
比较不同合并算法
案例编号
CR013_A,CR013_B,CR013_C,CR013_D
案例名称
比较SUBS不同合并算法[详见附录2]
演示目的
研究SUBS采用不同合并算法对SUBS判决结果的影响
案例背景
PU0占用SCH0~4
系统配置
1)一台笔记本用做SUBS,三台笔记本用做SU
2)USRP
3)……
系统运行步骤
1)静默期开始
2)检测期开始。
SUBS控制SU0~SU2开始检测
3)SUi通过CCHi向SUBS传递检测结果
4)A.SUBS采用AND准则合并检测结果
B.SUBS采用OR准则合并检测结果
C.SUBS采用KOUTOFN准则合并检测结果
D.SUBS采用OptimalDataFusion准则合并检测结果
5)SUBS根据合并准则做出判决
6)结束
预期结果
1)若SU0~2均检测到PU存在,则根据A~D准则SUBS均判决PU存在
2)若仅有两个SU检测到PU存在,则:
根据A准则判定——PU不存在;
根据B、C准则判定——PU存在;
根据D准则判定——视各SU的误检和虚警概率而定
3)若仅有一个SU检测到PU存在,则:
根据A、C准则判定——PU不存在;
根据B准则判定——PU存在;
根据D准则判定——视各SU的误检和虚警概率而定
4)若SU0~2均检测到PU不存在,则根据A~D准则SUBS均判决PU不存在
实际演示结果
五、附录
1.利用峰均功率比的增强型能量检测法
基本的能量检测法最明显的缺点就是只能判定是否存在PU,不能区别不同PU的类型。
增强型能量检测法可以区别带内PU的类别。
将常规的能量检测法作为中间步骤,用以有效检测是否存在PU。
接着利用增强型能量检测算法将噪声和不同的PU分类。
结构如下:
图2增强型能量检测结构图
总体流程:
首先进行基本能量检测。
如果估计能量小于阈值,则声明PU不存在,开始准备进入下一个检测周期。
如果估计能量大于阈值,则利用增强型能量检测算法来区别不同的PU。
增强型能量检测依据:
噪声和不同PU在带内具有不同的峰均功率比值。
增强型能量检测算法流程如下:
图3增强型能量检测算法流程图
2.合并算法介绍
2.1结果合并模型的背景介绍
将频谱检测结果看做是一个二元假设检验问题:
:
不存在PU,
:
存在PU。
两个假设先验概率分别为
、
。
假设有
个检测器(SU)。
每个检测器的观测结果为
且是独立的,条件概率为
。
每个检测器进行本地检测、判决,利用判决规则
做出决策:
本地检测器的虚警概率
,误检概率
。
本地检测判决结束后,每个SU将检测结果
传递给SUBS,即DataFusionCenter。
DataFusionCenter根据每个SU的
做出判决,判决函数:
示意图如下:
图4SUBS合并结果示意图
2.2不同的结果合并模型
AND模型:
OR模型:
KOUTOFN模型:
OptimalDataFusion模型:
由于:
因此:
利用Bayes公式展开,可得:
所以有:
====》》》
给出定理:
其中
表示所有判决
的SU,
表示所有判决
的SU。
证明:
同理有:
证毕。
由此给出OptimalDataFusion模型:
每个SU的合并权数如下:
;
;
。
示意图如下:
图5OptimalDataFusion合并算法示意图
2.3模型比较及优缺点分析
1.AND、OR模型最简单,但精确度较低。
二者侧重点也有所不同。
AND模型侧重保护SU,OR模型侧重保护PU。
2.KOUTOFN模型精确度稍高,但K的设定存在一定主观性。
3.OptimalDataFusion模型精确度高,但算法较复杂,且需知道假设的先验概率,SU传递给BS的信息除包含自己的判决结果外,还需传递自己的虚警概率和误检概率。
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- 关 键 词:
- 认知 无线电 验证 平台 场景 设计