《物联网智能信息处理》课件第五章异构物联网的频谱共享与效率提升第一节-修正.pptx

1、目录123低碳与绿色通信技术低碳与绿色通信技术0 电磁环境的频谱分析电磁环境的频谱分析基于认知无线电的频谱共享技术基于认知无线电的频谱共享技术5.1基于认知无线电的频谱共享技术基于认知无线电的频谱共享技术 5.1.1 无线资源管理1.频谱管理概述定义：电磁频谱管理电磁频谱管理是国家通过专门机关，运用法律、行政、技术和经济等手段，以实现公平合理、经济有效利用电磁频谱和卫星轨道资源的行为和活动。电磁频谱管理是国家行为。对象是研究、开发、使用频谱资源和卫星轨道资源的各种行为。最终目的是维护其有序使用，保证频谱资源利用的有效性。电磁频谱管理需要综合运用法律、行政、技术、经济手段。电磁频谱管理特点电磁频

2、谱管理特点1.2.3.4.1 5.1.1 无线资源管理2.频谱管理主要内容1.频率频率规划、规划、划分、分配、划分、分配、指指配配。2.无线电无线电监测监测3.无线电无线电检测检测4.方针政策方针政策、技、技术标准以及行政术标准以及行政法规的制定法规的制定。5.非无线电设非无线电设备的电磁辐射备的电磁辐射管理。管理。6.双边以及多双边以及多边国际电磁频边国际电磁频谱管理活动。谱管理活动。3.频谱管理的目的为什么需要进行频谱管理为什么需要进行频谱管理易受污染性易受污染性有限性有限性非消耗性非消耗性多维性多维性共享性共享性频谱资源的频谱资源的五个属性五个属性2 5.1.1 无线资源管理4.物联网中

3、的频谱需求与规划(a)物联网的频谱需求第一阶段：第一阶段：机器互联阶段机器互联阶段第三阶段：第三阶段：广广域感知阶段域感知阶段第二阶段：第二阶段：局局域感知阶段域感知阶段(b)物联网无线传输技术频谱划分现状电磁频谱划分图3 5.1.1 无线资源管理l RFID的频谱规划与使用国家国家RFID业务频率范围（业务频率范围（MHz）美国及加拿大美国及加拿大902928欧洲欧洲865868澳大利亚澳大利亚918926日本日本950960韩国韩国908.5914新加坡新加坡866869，923925香港香港865868，920925l ZigBee频谱使用情况物理层标准物理层标准2.4GHz物理层868

4、/915MHz物理层带宽：0.6MHz带宽：3MHz传输速率：250kb/s传输速率：20kb/s 40kb/s适用范围：全球适用范围：欧洲 美国900MHz频段RFID业务的频率规划表4 5.1.1 无线资源管理由人脑的物理化学过程反映出来，人脑是有机物，它是智能的物质基础。非生物的、人造的，常用符号表示，AI的来源是人的知识精华和传感器数据。8021.11各类标准情况汇总l WiFi频谱使用情况标准号标准号工作频段工作频段传输速率传输速率说明说明802.112.4GHz2Mbps原始标准802.11a5GHz54Mbps物理层补充802.11b2.4GHz11Mbps物理层补充802.11

5、c-符合802.1d的MAC桥接标准802.11d-根据各国无线电规定所做的调整802.11e-对服务等级QoS的支持802.11f-基站的互连性802.11g2.4GHz54Mbps物理层补充802.11h-与欧洲的HiperLAN2相协调的修订标准802.11i-安全和鉴权方面的补充802.11j-为适应日本在5GHz以上应用不同而定制的标准802.11k-无线局域网信道选择、漫游服务和功率控制标准802.11m-对802.11家族规范进行维护802.11n-预计达到540Mbps-新的802.11标准引入MIMO 技术802.11o 针对Voice over WLAN而制订802.11p

6、5.9GHz6Mbps/1000英尺针对汽车通信的特殊环境而出炉的标准802.11q-支持VLAN机制802.11r-着眼于减少漫游时认证所需的时间，802.11s-制订与实现目前最先进的MESH网路802.11t-提供提高无线电广播链路特征评估和衡量标准的一致性方法标准802.11u-与其他网络的交互性802.11v-无线网络管理802.11b+2.4GHz22Mbps非公开标准,德州仪器的一项产权私有的技术5 5.1.1 无线资源管理l LTE频谱使用情况Band 33上行上行1900MHz 1920MHz下行下行1900MHz 1920MHzTDD342010MHz 2025MHz201

7、0MHz 2025MHzTDD351850MHz-1910MHz1850MHz-1910MHzTDD361930MHz-1990MHz1930MHz-1990MHzTDD371910MHz-1930MHz1910MHz-1930MHzTDD382570MHz-2620MHz2570MHz-2620MHzTDD391880MHz-1920MHz1880MHz-1920MHzTDD402300MHz-2400MHz2300MHz-2400MHzTDDTD-LTE的频率规划表l WiMAX频谱使用情况IEEE 802.16系列宽频无线标准802.16a802.16a2G-11GHz固定接入802.1

8、6e802.16e2G-6GHz移动接入802.16d802.16d2G-66GHz固定接入6 5.1.1 无线资源管理5.物联网中频谱划分面临的问题及解决方法频谱资源供需频谱资源供需矛盾矛盾日益日益突出突出提高频谱利用率挖掘有限频谱资源的承载能力。寻求有效的频谱利用方式，打破现有的固定频谱分配方式。多种无线传输技术共多种无线传输技术共存带来的兼容性问题存带来的兼容性问题空闲信道评估(Clear Channel Assessment，CCA)技术动态信道选择技术选择信道算法技术7 5.1.2传统频谱效率提升技术1.多址接入技术同一个基站同时对多个用户提供服务时对基站内不同用户的和基站自身发出的

9、信号加以区别，使用户能识别自己的信号，基站能区分不同用户的信号，的方法称为多址技术。频分多址 (FDMA)时分多址 (TDMA)码分多址 （CDMA）8 5.1.2传统频谱效率提升技术空分多址（SDMA）正交频分多址（OFDMA）信道编码/交织/加扰QAM调制（QPSK/16QAM/64QAM）串/并变换子载波映射IFFT加CP频域时域OFDM调制1.多址接入技术OFDMA系统下行多址方式9 5.1.2传统频谱效率提升技术2.调制与编码技术(a)调制与解调模拟调制模拟调制幅度调制：AM、DSB、SSB、VSB频率调制：FM相位调制：PM数字调制数字调制振幅键控：ASK；频率键控：FSK；相位键

10、控：PSK；正交振幅调制：QAM。调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效地利用信道。10 5.1.2传统频谱效率提升技术(b)信道编码技术 检错码（如CRC码、ARQ等）纠错码（如BCH码、RS码、卷积码、级联码Turbo码等）既检错又纠错（如HARQ）。(c)自适应调制编码技术系统原理框图自适应调制与编码信道编码的目的是试图以最小的监督码元为代价，以换取最大可靠性11 5.1.2传统频谱效率提升技术(d)宽带信道中的多天线MIMO系统优点：利用多副天线实现多发多收，充分利用空间资源，不需要增加频谱资源和天线发送功率。MIMO技术分层空时码的BL

11、AST系统：利用空间复用增益成倍提高信道容量空时分组码的MIMO系统：利用空间分集增益提高信道传输可靠性，降低误码率。12 5.1.3 认识无线电概述1.认知无线电的产生无线通信技术飞速发展，如何合理解决频谱资源紧缺的状况？我国400MHz2700MHz扫频测试结果13 5.1.3 认识无线电概述1.认知无线电的产生一方面人们通过研究诸如自适应编码、多天线、多载波等技术来提高频谱效率另一方面，人们开始关注灵活的频谱共享技术14瑞典皇家技术学院的Joseph Mitola博士提出认知无线电(CR)提高频段的利用率动态的频谱分配策略 5.1.3 认识无线电概述2.认知无线电的定义15Mitola

12、认为认知无线电作为SDR的一种，它结合了应用软件、界面和认知等功能。FCC认为CR是一种基于与操作环境的交互动态改变发射机参数的无线电，其主体可能是SDR。Simon Haykin 认为CR是建立在SDR基础上的智能无线通信系统。5.1.3 认识无线电概述2.认知无线电的定义16p 认知循环认知循环Joseph Mitola基本认知循环Simon Haykin 5.1.4 认识无线电研究内容1.频谱感知17频谱感知是认知无线电的基础和前提，是认知无线电的首要任务。发射频谱空洞检测频谱感知基本功能为：一是感知频谱空洞，充分利用所有频谱机会；二是检测授权用户的出现，避免对授权用户造成干扰。5.1.

13、4 认识无线电研究内容2.频谱分析18中心中心频率频率带宽带宽干扰干扰等级等级路径路径损耗损耗链路链路层层 时延时延信道误信道误 码率码率 频谱分析在频谱感知的基础上，需要对各种特征参数进行频谱分析，为频谱决策等无线资源管理算法提供必要依据。频谱频谱特征特征信息信息 5.1.4 认识无线电研究内容3.频谱决策与频谱共享19根据物理层获得的感知信息和更高层如应用层对具体性能参数的要求进行参数分析最终决定选择一组合适的频带提供给认知用户。频谱决策频谱决策频谱共享频谱共享机会式频谱利用的核心就是频谱共享，主要包括动态频动态频谱分配谱分配和动态频谱接入动态频谱接入。频谱共享既包括认知用户与授权用户的频

14、谱共享，也包括认知用户间的频谱共享。5.1.4 认识无线电研究内容4.频谱移动性管理20一个一个CR用户使用的频谱发生改变叫做用户使用的频谱发生改变叫做频谱移动频谱移动性性。触发频谱移 动的原因授权用户的出现信道质量的恶化 用户移动且频谱 不一致错误感知 5.1.4 认识无线电研究内容4.频谱移动性管理21切换判决主要用于决策是否进行频谱切换，现有的切换执行机制主要有以下三种1.信道预留机制；2.切换请求排队机制；3.感知并切换到其他可用频谱空洞。授权用户出现引起的频谱移动 5.1.5 认识无线电研究现状1.研究现状22标准化组织标准化组织和行业联盟和行业联盟国外大学国外大学科研科研机构机构国

15、内国内研究现状研究现状IEEE 系列工作组国际电信联盟ITUETSI TCRRS软件无线电论坛SDRF无线世界研究论坛WWRF美国国防部维吉尼亚无线通信技术中心美国新泽西州大学英国的移动电信欧洲通信协会国家863计划基金国家自然科学基金委员会国家重点基础研究发展计划微软亚洲研究院电子36所华为技术公司中兴通信公司 5.1.5 认识无线电研究现状2.认知无线电网络23频谱池频谱池CORVUS频谱池的中心思想是将授权系统未充分利用的频谱资源集中起来构建一个频谱池，作为备用资源，由中心控制器统一管理资源的分配。频谱池系统属于集中式频谱管理和控制，其缺陷是过于依赖中心控制单元。CORVUS系统采用两级

16、管理方式，减轻了对中心单位的依赖程度。5.1.5 认识无线电研究现状2.认知无线电网络24WRANXG网络网络WRAN使用空闲的电视广播信道，灵活、自适应地选择空闲的信道进行数据传输。WRAN采用集中式网络架构。XG网络较为灵活，可以是集中式的也可以是分布式的。XG网络既能工作在授权频带，也能工作在非授权频带，这两种情况下XG网络的工作重点不同 5.1.6 基于CR的频谱共享25频谱共享，即允许部分认知用户在不影响主用户的前提下动态共享部分频谱，从而实现对频谱资源的再利用，有效解决频谱资源稀缺的问题。频谱共享过程1.频谱共享26 5.1.6 基于CR的频谱共享2.频谱共享系统架构26 5.1.

17、6 基于CR的频谱共享273.频谱共享原则认知无线电的频谱共享技术相比于传统的频谱共享主要有三个特点:认知用户与主用户共存;认知用户需要处理的频潜非常宽;共享算法必须同时考虑公平性和高效性两个方面保证主用户的正常通信满足认知用户通信系统质量的要求保证灵活性123三个基本原则 5.1.6 基于CR的频谱共享28由一个由一个中心实中心实体控制体控制频谱分频谱分配配和接和接入入过程过程基于本基于本地策略地策略分配频分配频谱和接谱和接入频谱入频谱网络构架网络构架集中式集中式分布式分布式集中式频谱共享网络架构3.频谱共享技术分类 5.1.6 基于CR的频谱共享29频谱分配行为频谱分配行为协作协作非协作非

18、协作协作式频谱共享方案考虑节点通信对其他节点产生的影响，在节点间共享干扰信息，因为每个节点的感知能力有限，协作行为可以为它们提供必要的信息以解决全局性的问题。非协作式方案仅考虑节点自己的行为，因而这种方案也被称作是“自私”的，频谱分配和接人基于本地的规则执行，因此能大大减少通信的开销，但会导致频谱利用率下降。3.频谱共享技术分类 5.1.6基于CR的频谱共享30频谱频谱接入方式接入方式UnderlayOverlayOverlay频谱共享资源配置Underlay频谱共享资源配置Underlay频谱共享使用扩频技术，认知用户占用系统的整个带宽Overlay频谱共享本质上是一种基于认知无线电的窄带通信技术3.频谱共享技术分类 5.1.6 基于CR的频谱共享31干扰对主用户通信质量的威胁问题 干扰的存在,严重威胁到频谱共享的成功 功率控制会影响认知用户的频谱使用质量认知用户频谱使用的受限问题 传输功率受限 传输时间受限频谱共享灵活性的问题 被动地调整自身传输状态或参数 避免影响主用户的正常通信4.主要问题及挑战