《認(rèn)知無線電技術(shù)CognitiveRadioCR課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《認(rèn)知無線電技術(shù)CognitiveRadioCR課件（26頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、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(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,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(zhǎng),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(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)頻

2、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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，能夠快速、可靠地檢測(cè)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(shí)，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(hào)，是否空閑可用；第二，為不對(duì)主用戶造成不良影響，次用戶在接入后要堅(jiān)持監(jiān)聽，力求在第一時(shí)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

3、同時(shí)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(cè)和主用戶接收機(jī)檢測(cè)；合作頻譜感知又分為基于軟融合的檢測(cè)和基于硬判決融合的檢測(cè)。,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(cè)器的性能。,現(xiàn)有的頻譜感知算法大多是通過對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)所發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，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(huì)受到陰影效應(yīng)的影響而檢測(cè)不到主用戶發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)。,頻譜感知技術(shù)可歸納為單用

4、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(hào)覆蓋范圍之外，它們都檢測(cè)不到主用戶信號(hào)的存在，因此兩個(gè) CR 用戶很可能使用相同的頻帶進(jìn)行通信，于是它們便,對(duì),PU1 產(chǎn)生了干擾，此時(shí) 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(hào)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(cè)不到主用戶信號(hào)，當(dāng) CR1 與 CR2 使用相同頻帶進(jìn)行通信時(shí)就會(huì)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)Co

5、gnitiveRadioCR課件,6,認(rèn)知無線電技術(shù)CognitiveRadioCR課件,7,多用戶協(xié)同檢測(cè),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(cè)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(cè)，它實(shí)際上是一個(gè)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(cè)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(cè)錯(cuò)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

6、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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(cè),能量檢測(cè)算法又是基于功率的檢測(cè)算法，通過測(cè)量一段觀測(cè)空間內(nèi)的接收信號(hào)總能量來判決是否有授權(quán)用戶信號(hào)出現(xiàn)。,能量檢測(cè)中

7、天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)射頻放大、濾波后，雨本振信號(hào)進(jìn)行混頻處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行FFT變換后，對(duì)其平方求和，判決統(tǒng)計(jì)量為：,能量檢測(cè)能量檢測(cè)算法又是基于功率的檢測(cè)算法，通過測(cè)量一段觀測(cè),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(duì)接收到的信號(hào)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(shí)現(xiàn)的。,近年來出現(xiàn)的新理論,壓縮感知理論,，信號(hào)的采樣和壓縮同時(shí)以低速率進(jìn)行，使采樣和計(jì)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(gè)充分利用信號(hào)稀疏性或可壓縮性

8、的全新信號(hào)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(chǔ),信號(hào)重構(gòu),信號(hào),X,恢復(fù)信號(hào),量化,壓縮感知理論框架（CS）壓縮感知理論是一個(gè)充分利用信號(hào)稀疏性,14,CS理論是在采樣的同時(shí)進(jìn)行壓縮，利用信號(hào)的稀疏性，以遠(yuǎn)低于Nyquist采樣率的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行非自適應(yīng)的測(cè)量編碼。,CS理論框架,壓縮感知理論主要包括信號(hào)的,稀疏表示,、,編碼測(cè)量,和,信號(hào)重構(gòu),等三方面。,稀疏變換,信號(hào)重構(gòu),恢復(fù)信號(hào),Y,可壓縮信號(hào),投影到測(cè)量值,傳輸,存儲(chǔ),CS理論是在采樣的同時(shí)進(jìn)行壓縮，利用信號(hào)的稀疏性，以遠(yuǎn)低于N,15,信號(hào)的稀疏表示,CS理論的前提條件是信號(hào)具有稀疏性或可壓縮性。考

9、慮長(zhǎng)度為N的離散是信號(hào) ，記為 ，n=1,2,N。,由信號(hào)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(hào)的稀疏表示CS理論的前提條件是信號(hào)具有稀疏性或可壓縮性。,16,將信號(hào) 投影到一組測(cè)量向量 上，得到測(cè)量值 ，矩陣形式為：,式中，是 矩陣，是 矩陣，是 的測(cè)量矩陣。,則有：,式中：是 矩陣，稱為傳感矩陣。,將信號(hào) 投影到一組測(cè)量向量,17,由于測(cè)量值維數(shù) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)維數(shù) ，求解式(2)的逆問題是一個(gè)病態(tài)問題，所以無法直接從 的 個(gè)測(cè)量值中解出信號(hào) 。而式（3）中 是稀疏的，即僅有K個(gè)非零系數(shù)，且 ，則利用信號(hào)稀疏分解算法，可以通過求解（3

10、）的逆問題得到稀疏系數(shù) ，代入（1）式得到信號(hào) 。,求逆,代入（1）,由于測(cè)量值維數(shù) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)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(gè)系數(shù)能由M個(gè)測(cè)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(duì)任意具有嚴(yán)格K稀疏的矢量 ，矩陣 都能保證下式成立：,測(cè)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(gè)系數(shù)能由M個(gè),19,信號(hào)的重構(gòu),假設(shè)在稀疏基 下，信號(hào) 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(jì)。,信號(hào)的重構(gòu)假設(shè)在稀疏基 下，信號(hào) 是K-稀疏的，則,20,壓縮感知實(shí)現(xiàn)的

11、關(guān)鍵,（1）如何選取稀疏矩陣 稀疏表示信號(hào)；,（2）如何選取隨機(jī)觀測(cè)中的觀測(cè)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(shí)短且重建效果好。,壓縮感知實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵（1）如何選取稀疏矩陣 稀疏表示信號(hào),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(duì)頻譜進(jìn)行觀測(cè)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(hào)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)

12、融合算法對(duì)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(hào)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(shí)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(duì)信號(hào)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(hào)，最后利用頻譜感知算法對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，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(hào)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(duì)壓縮采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行,重,構(gòu)，也不對(duì)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(duì)重構(gòu)信號(hào)集合進(jìn)行全局判決,。,各 CR 用戶并不對(duì)壓縮采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，也不對(duì)全局信道做出,26,