Техники и технологий по направлению «Радиотехника»

Стр 1 из 9Следующая ⇒

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ВЫПУСКНОЙ РАБОТЕ

на академическую степень МАГИСТР

Техники и технологий по направлению «Радиотехника»

на тему: «Алгоритмы построения когнитивной сети беспроводного доступа»

Руководитель выпускной работы проф. д.т.н. Федосов В.П.

«_____» ___________________ 2015 г.

Студент группы РТмо2-1 Галеб Хешам Абдо Наджи

«_____» ___________________ 2015 г.

Таганрог 2015 г

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений. 4

ВВЕДЕНИЕ. 7

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ И АРХИТЕКТУРА КОГНИТИВНОЙ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА.. 11

1.1 Эволюция беспроводных сетей связи. 11

1.2 Эволюция радиосистемы с программируемыми параметрами (SDR) 14

1.3 Когнитивная сеть. 16

1.3.1 Эволюция когнитивной сети. 18

1.3.2 Основные области применения когнитивной сети. 20

1.3.3 Стандарт когнитивной сети IEEE 802.22. 21

1.3. 4 Архитектура беспроводной когнитивной сети. 23

1.3.5 Физическая архитектура когнитивной сети. 24

1.3.6 Когнитивный цикл функционирования радиосистемы.. 27

1.3.7. Когнитивные беспроводные самоорганизующиеся сети. 28

1.3 Выводы.. 33

ГЛАВА 2. СКАНИРОВАНИЕ СПЕКТРА И МОДЕЛЬ КАНАЛА БЕСПРОВОДНОЙ КОГНИТИВНОЙ СЕТИ.. 34

2.1 Сканирование спектра когнитивной сети. 34

2.1. 1 Энергетическое обнаружение. 38

2.1.2 Обнаружение на основе согласованных фильтров. 41

2.1. 3 Цикло-стационарное обнаружение. 42

2.2 Проблемы сканирования спектра. 45

2.2.1 Измерение температуры помех (интерференции) 45

2.2.2 Сканирование спектра в многопользовательской сети. 45

2.2.3 Возможность обнаружения. 46

2.2.4 Скрытая проблема терминала. 46

2.3 Модель канала когнитивной беспроводной сети. 47

2.3.1 Спектральная плотность мощности. 47

2.3.2 Эффект Доплера. 49

2.3.3 Многолучевое распространение. 50

2.3.4 Канал аддитивного белого Гауссовского шума (AWGN) 51

2.3.5 Замирание Релеевского канала. 52

2.3.6 Методы адаптивной модуляции. 52

2.3.7 Модель модуляции для когнитивного радио. 53

2.3.8 Фазовая манипуляция m-PSK.. 55

2.4 Выводы.. 59

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СКАНИРОВАНИЯ СПЕКТРА КОГНИТИВНОЙ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА.. 60

3.1 Алгоритм сканирования спектра. 60

3.2 Исследование эффективности алгоритма на основе разработанной модели 64

3.2.1 Оценка влияние отношения сигнал/шум на процесс обнаружения первичного сигнала. 65

3.2.2 Оценка влияния замирания на процесс обнаружения первичного сигнала 67

3.2.3 Оценка зависимости вероятности обнаружения лицензированного сигнала от вероятности ложного обнаружения при разных количества первичных пользователей. 69

3.3 Выводы.. 71

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 73

Список литературы.. 74

Приложение 1. 76

Приложение 2. 80

Приложение 3. 82

Приложения 4. 84

Список сокращений

2G (Second Generation) - Второе поколение сотовой связи

2.5G (Two and one-half Generation) - Второе с половиной поколение сотовой связи

3G (Third Generation) - Третье поколение сотовой связи

4G (Fourth Generation) - Четвертое поколение сотовой связи

AWGN (Additive white Gaussian noise) – Аддитивный белый Гауссовский шум

BER (The Bit Error Rate) – Вероятность битовой ошибки

BPSK (binary phase-shift keying) - Двоичная фазовая манипуляция

CR (Cognitive Radio) –КР (Когнитивное радио)

CDMA (Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением

CSD (Cyclic Spectral Density) – Циклическая спектральная плотность

DSA (Dynamic Spectrum Access) – Динамический доступ к спектру

DVB-T (Digital Video Broadcasting — Terrestrial) - Европейский стандарт эфирного наземного цифрового телевидения

ETSI (European Telecommunications Standards Institute) - Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) – Стандарт мобильной связи

FCC (Federal Communications Commission) – Федеральная комиссия связи США

FFT (Fast Fourier transform) - Быстрое преобразование Фурье

GPRS (General Packet Radio Service) - Служба пакетной передачи данных

GPS (Global Positioning System) - Система глобального позиционирования

GSM (Global System for Mobile Communication) - Глобальная система мобильной связи

HSDPA (High-Speed Packet Access) - Стандарт мобильной связи

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Институт инженеров по электротехнике и электронике

IF (Interval Frequency) – Промежуточная частота

LTE (Long Term Evolution) – Четвертое поколение сотовой связи

MANET (Mobile Ad-Hoc Networks) - Мобильные Ad-Hoc сети

MAC (Media Access Control) - Управление доступом к среде

MF (Matched Filter) - Cсогласованный фильтр

NMT-450i (Nordic Mobile Telephone) - Старый аналоговый стандарт сотовой связи

Ofcom (the Office of Communications) - Британский регулятор в области телерадиовещания

OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов

PLL (Phase-locked loop) – Фазовая автоподстройка частоты

PSD (Power Spectrum Density) - СПМ (Спектральная плотность мощности)

PDF (Probability Density Function) – Функция плотность вероятности

PSK (phase-shift keying) – Фазовая манипуляция

PU (Primary User) – Основной пользователь

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - Квадратурная амплитудная модуляция

RSSI (Received Signal Strength Indicator) – Индикатор уровня мощности принимаемого сигнала

SDR (Software Defined Radio)- Радиосистема с программируемыми параметрами

SNR (Signal – to – Noise Ratio) – ОСШ (Отношение сигнал шум)

SU (Secondary User) – Вторичный пользователь

TVWS (TV whitespace) – Телевизионные пробелы

UHF (Ultra high frequency) – Ультра высокие частоты

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - Универсальная мобильная телекоммуникационная система

VHF (Very High Frequency) – Очень высокие частоты

WMN (Wireless Mesh Networks) - Беспроводная Mesh сети

Wi-Fi (Wireless Fidelity) - Беспроводная привязанность

WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - Всемирная функциональная совместимость для микроволнового

АКФ – Автокорреляционная функция

АРУ - Автоматическая регулировка усиления

АЦП – Аналого-цифровой преобразователь

БСПД – Беспроводная сеть передачи данных

БСС – Беспроводная самоорганизующаяся сеть

ГУН – Генератор управляемый напряжением

МУ – Малошумящий усилитель

КК – Коммутация каналов

КП – Коммутация пакетов

РЧ - Радиочастот

РЭС - радиоэлектронные средства

ЦАП – Цифро-аналоговый преобразователь

ЦСП – Цифровой сигнальный процессор

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время в области связи быстро развиваются системы беспроводной связи, и растет интенсивность их использования, что приводит к увеличению спроса на радиочастотный спектр. Однако, радиочастотный спектр является ограниченным природным ресурсом. В этих условиях начали проявляться ряд противоречий, наиболее острыми из которых являются:

· противоречие между увеличивающимся спросом на предоставляемые услуги систем беспроводной связи и ограниченным радиочастотным спектром;

· противоречие между расширением радиочастотным спектром представляемый системами беспроводной связи и не возможностью использования этого спектра каждым отдельным радио прибором на 100%.

Практически весь частотный диапазон к настоящему времени распределен и лицензирован, однако при этом спектр, как драгоценный природный ресурс, используется не достаточно эффективно. Внедрение и использование новых сервисов, для работы которых необходимо наличие свободных частотных диапазонов, становится затруднительным, а в некоторых случаях вовсе невозможным. Одним из возможных путей решения указанной проблемы является переход к новой технологии, названной когнитивное радио. Существенным образом повысить эффективность использования спектра позволяет механизм динамического управления спектром, согласно которому вторичным пользователям (нелицензированные пользователи) предоставляется возможность использовать диапазоны первичных пользователей (лицензированные пользователи) на время, пока этот диапазон не используется первичным пользователем. Технология когнитивного радио (КР) предназначена для вторичного использования радиочастоты спектра, когда устройства в сети автоматически перенастраиваются на свободные частоты. Устройства КР изменяют свои параметры на основе получения информации об электромагнитной и географической обстановке, распознают образы сигналов всех первичных радиоэлектронных средств (РЭС) и используют частоты, когда первичные РЭС не работают. Они автоматически перенастраиваются на свободные диапазоны, поддерживая устойчивое соединение. Алгоритмы динамического управления спектром весьма сложны технически, и могут применяться только в так называемых интеллектуальных радиосистемах. Отличительной особенностью таких систем, выделяющей их в отдельную группу, является способность извлекать и анализировать информацию из окружающего радио пространства, предсказывать изменения канала связи и оптимальным образом подстраивать свои внутренние параметры состояния, адаптируясь к изменениям радио среды.

Цель и задачи работы. Целью магистерской диссертационной работы является повышение эффективности использования радиочастотного ресурса.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка модель сканирования радиочастотного спектра, чтобы находить свободные полосы частот.

2. Выполнение анализа эффективности смоделированного алгоритма по части изменение отношение сигнал/шум и замирание на вероятность обнаружения первичного пользователя и изменение количества первичных пользователей на вероятность обнаружения первичного сигнала.

Структура диссертационной работы. Для выполнения этих целей и задач, диссертационная работа представляет собой следующие главы.

В первой главе рассматриваются анализ тенденций развития беспроводных сетей связи, радиосистема с программируемыми параметрами, беспроводная когнитивная сеть,
включая фундаментальные определения создателя термина «когнитивное радио» и определение FCC США и ofcom Великобритании, пример первой когнитивной беспроводной WRAN сети – стандарт IEЕЕ 802.22, архитектура когнитивной сети и когнитивные беспроводные самоорганизующиеся сети.

Во второй главе рассматриваются процесс сканирования спектра, все виды сканирования спектра, их достоинства и недостатки, спектральная плотность мощности, аддитивный Гауссовский шум, Эффект Доплера, замирание сигналов, модель канала когнитивной сети беспроводного доступа и факторы, влияющие на распространение радиосигнала и методы адаптивной модуляции.

В третьей главе разрабатывается модель для сканирования спектра в когнитивной сети с помощью энергетического метода обнаружения. исследовать влияние отношение сигнал/шум и замирание на вероятность обнаружения первичного пользователя, а также влияние количество пользователей когнитивной сети на вероятность обнаружения первичного сигнала.

В заключении приводятся основные выводы по результатам выполненных исследований.

Когнитивная сеть

Изменения конфигурации предлагается SDR технологией, которая позволит радио переключить функции и операции. В диссертации Митола и ряде публикаций, он предполагал, такие самостоятельные перенастройки радио и использовал термин когнитивного радио для него. По предварительному мнению Митола, КР будет реализовано путем интеграции на основе модели рассуждений с программным обеспечением радио и будет обучаемое в широком смысле, а не только программируемым. По аналогии с психическим познавательном процессом, Митола также рассказал о познавательном цикле, через который радио может перенастроить себя через продолжающийся процесс осознания, восприятия, мышления и принятия решений. Концепция КР подчеркивает усиление качества информации и опыта для пользователя, с возможностью реконфигурации в качестве средства для достижения этой цели. В настоящее время, стало КР известным термином для широкого спектра технологий, которые позволяют радиоприемникам достижение различных уровней автоматической конфигурации. Haykin, например, определяет, как КР радиоприемник может выполнять процессы обучения и адаптивного изменения его рабочих параметров в реальном времени с целью обеспечения надежности в любое время, в любом месте, и спектрально эффективной коммуникации. Федеральная комиссия связи США (FCC) использует узкое определение для этой концепции: " когнитивное радио" (КР) является радио, которое может изменить свои параметры на основе взаимодействия с окружающей средой, в которой оно работает. В большинстве когнитивных радио, вероятно, будет SDR. Для концепции КР, существует две основные характеристики. Это изменения конфигурации и умное адаптивное поведение. Здесь с помощью интеллектуального адаптивного поведения мы имеем в виду способность адаптироваться. Например, телефон, который узнает, частоты карты радио в зоне покрытия, может определить свое местоположение, индексированное RSSI вектором (широта, долгота, время, RF, RSSI) и использует алгоритм машинного обучения для переключения своей полосы частот, когда пользователь перемещается.

Из этого следует, что когнитивные функции радио требуют обеспечения, по крайней мере, следующими возможностями:

1- Гибкость, способность изменять форму колебания и другие эксплуатационные параметры радио. Полная гибкость становится возможной, когда космические лучи строятся на SDR. Другое важное требование, чтобы добиться гибкости, которое меньше обсуждается, является наличие антенны на основе широкополосной технологии или с изменяемой конфигурацией.

2- Сканирование, способность наблюдать и измерять состояние окружающей среды, включая спектральное размещение. Сканирование необходимо, если устройство изменяет свою работу на основе предыдущих знаний о радиочастотной среде.

3- Обучение и адаптивность, способность анализировать информацию, чтобы знать и изменять внутреннее оперативное поведение, основанное на анализ новой ситуации, не только на основе предварительное кодирование алгоритмов, но и в результате механизма обучения.

Эволюция когнитивной сети

Основная предшественника для исследований КР была плодотворная работа Митола и Магу Аир в 1999 году и в начале исследования проводили измерения спектра еще в 1995 для количественной оценки использования спектра, как в лицензионной и нелицензионной полосе. В Соединенных Штатах Америки, исследования КР были сосредоточены на динамическом доступе спектра (DSA) и вторичном использовании спектра в качестве основных целей начального исследования. Это было связано с тем, что был проведен ряд ранних исследовательских проектов (например, URA и Мильтон). Наиболее заметным проектом в исследовании в области управления спектра был XG-проект, финансируемый DARPA. Основная цель XG-проекта была изучение так называемой политики серверов и вторичного использования технологии, особенно для военных целей. Успех XG толкал сообщество к изучению в более широком смысле возможностей КР. Другой стимул для исследования был дан несколькими громогласными исследованиями (например, Lessig, Reed и Peha), которые указали на то, что существуют возможные недостатки в действующей нормативной области[2].

В области стандартизации, три основные группы начали работать над соответствующими технологиями и архитектурами: IEEE 802.22 и SCC 41 (формально P1900) и в последнее время реконфигурируемое радио комитет технических систем ETSI по КР и SDR. Кроме того, SDR-форум как промышленная группа изучал некоторые вопросы, связанные с КР. Коммерчески самая продвинутая деятельность обеспечена стандартизацией IEEE 802.22 и исследованиями, которые призваны обеспечить динамический доступ к вакантным спектрам телевизора. Тем не менее, IEEE 802.22 требует довольно ограниченный уровень познания. В настоящее время КР интенсивно исследуются и обсуждаются регулирующими органами, как технология для оппортунистического доступа к так называемый TV пробелам (TVWS): крупные участки VHF/UHF телевизионных групп, которые становятся доступными по географическому принципу, после перехода на цифровое вещание. В Соединенных штатах США, FCC уже предложила оппортунистический доступ к ТВ полос в 2004. После многочисленных тестов, FCC приняла в ноябре 2008 года второй доклад, который устанавливал правила, разрешающие работу когнитивных устройств в TVWS на вторичной основе. Регулятор Великобритании Ofcom говорит, что " Мы видим значительные возможности для познавательного оборудования и с чередованием использования спектра, которые появляются и позволяют получать выгоду, влияющую на международный масштаб экономики". 16 февраля 2009 года Ofcom опубликовал новую консультацию с дальнейшими подробностями для предложенного когнитивного доступа к TVWS. В обоих странах Соединенных Штатах и Великобритании модель адаптации когнитивного доступа и нового стандарта 802.22 для доступа к телевизионным полосам находилась на последнем этапе. Мы можем ожидать, что КР может стать основной технологией по всему миру в ближайшем будущем [1]. Тенденция развития «интеллектуальности» беспроводной сети и место КР представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4 - Место когнитивного радио в беспроводной сети связи

На рис.1.4. показано место когнитивного радио в беспроводной сети связи. Из рисунка видим, что когнитивное радио не так широко используется как SDR и беспроводные сети связи, потому что это технология появилось десять лет назад, но это технология используется лучше, чем элементы искусственного интеллекта (ИИ).

Выводы

Вэтой главе был приведен анализ тенденций развития беспроводных
сетей связи, показавший, что основными направлениями развития систем
передачи данных являются увеличение скорости передачи данных,
улучшение характеристик мобильности, расширение количества
представляемых услуг, улучшение использования радиочастотного спектра,
улучшение степени интеллектуальности сетевого и абонентского
оборудования.

В главе была также определена радиосистема с программируемыми параметрами и беспроводная когнитивная система, включающая фундаментальные определения создателя термина «когнитивное
радио» и определение FCC США и ofcom Великобритании. Был рассмотрен пример первой когнитивной беспроводной WRAN сети – стандарт IEЕЕ 802.22.

Также была рассмотрена архитектура когнитивной системы.
Внедрение когнитивной технологии приведёт к повышению эффективности использования радиочастотного спектра, улучшению управления ресурсом, повышению качества связи, эффективности управления доступом и появлению новых видов услуг.

Таким образом, нетрудно сделать вывод о том, что технология
построения средств связи движется к все более интеллектуальным
программно-управляемым системам. Вместе с усложнением технологий
построения беспроводных средств связи развиваются и методы управления беспроводными сетями. В данный момент передовым в этой области
выглядит функционирование когнитивных беспроводных сетей.

Однако в главе было упомянуто, что есть такие сети, предполагающие отсутствие фиксированной сетевой инфраструктуры и централизованного управления. Эти сети называются Беспроводными самоорганизующиеся сетями (MANET). Но мы можем сказать, что когнитивные сети намного быстрее, чем самоорганизующиеся сети, потому что они способны собрать, анализировать, адаптировать и планировать.

Энергетическое обнаружение

Используется, если вторичный пользователь не может собрать достаточное количество информации о сигнале первичного пользователя (PU). В данном случае оптимальный детектор - это детектор энергии, который также называют радиометром. Это обычный метод для обнаружения неизвестных сигналов.

Детектор энергии может быть реализован путем усреднения частотных участков быстрого преобразования Фурье (FFT), как показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3 - Обнаружение энергии

На рис.2.3. показан блок схема обнаружения энергии. Входной сигнал преобразуется с аналогового сигнала в цифровой и поступает в блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), сигнал с выхода блока БПФ поступает в детектор энергии. В блоке детектора энергии происходит обнаружение энергии сигнала и сравнивается с пороговым значением, устанавливающее с выхода АЦП.

Блок-схема детектора энергии показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4 - Реализация детектора энергии

На рис.2.4. показан блок схемы детектора энергии. Входной сигнал y(t) фильтруется полосовым фильтром (ПФ), чтобы ограничить помехи и выбрать полосу пропускания. Шум на выходе фильтра имеет ограниченную полосу частот и плоскую спектральную плотность. Далее действует детектор энергии, состоящий из устройства возведения в квадрат и интегратора конечного времени.

Выходной сигнал от интегратора:

Выходной сигнал сравнивается с пороговым n для того, чтобы решить, присутствует сигнал, или нет. Порог устанавливается в соответствии с статистическими свойствами выходного сигнала , когда шум присутствует.

Вероятность обнаружения и ложной тревоги задаются следующим образом:

;

Из приведенных выше функций следует, что низкое приведет к обнаружению отсутствия основного пользователя с высокой вероятностью увеличения помех, а высокое значение приведет к снижению использования спектра и увеличению количества пропущенных обнаружений.

Так как это легко осуществить, детектор энергии выявляет основного пользователя. Детектор энергии восприимчив к неопределенности в мощности шума, склонен к ложному обнаружению и срабатывает по непреднамеренным сигналам. Для улучшения точности детектора используются тоны пилот-сигнала от первичного передатчика.

Рис.2. 5 - Компромисс между пропущенным обнаружением и ложной тревогой

На рис.2.5. показаны вероятность присутствия первичного сигнала , вероятность отсутствия первичного сигнала и пороговое значение между ними. Тоже видим на рисунке вероятность ложной тревоги и вероятность пропущенного обнаружения.

Простой детектор энергии плохо работает при скачкообразной перестройке частот сигналов с расширенным спектром. Канальный радиометр - это многоканальный приемник, который имеет несколько детекторов, объединяющих энергию в нескольких частотных диапазонах одновременно. Это особенно полезно при обнаружении скачкообразных частот расширенных сигналов. Анализ влияния частоты представлен на многоканальном радиометре. Предполагается, что сигнал для обнаружения использует медленное скачкообразное изменение частоты. В практической системе обнаружения сигнала мгновенная пропускная способность может быть ограничена. Центральная частота изменяется в зависимости от времени, чтобы покрыть более широкую полосу частот. Недостатком многоканального подхода радиометра по сравнению с простым детектором энергии является сложность устройства[12].

Преимущества и недостатки энергетического обнаружения

Выигрыш при обработке пропорционален размеру N БПФ (FFT) и времени усреднения T. Увеличение N улучшает частотное разрешение, которое облегчает обнаружение узкополосого сигнала. Кроме того, длительное время обычно снижает мощность шума, тем самым увеличивая отношение сигнал-шум. Есть несколько недостатков энергетических детекторов, которые могут мешать при их реализации. Во-первых, порог, используемый для первичного обнаружения пользователя очень восприимчив к неизвестным или изменяющимся уровням шума. Даже если пороговое значение адаптивно, наличие какого-либо вмешательства в полосе будет путать детектор энергии. Во-вторых, детектор энергии не может различать модулированные сигналы, шумы и помехи. Поскольку он не может распознать помехи, он не может извлечь выгоду из адаптивной обработки сигналов для подавления помех. Наконец, детектор энергии не работает с сигналами с расширенным спектром, так как для них характерны прямая последовательность и скачкообразная перестройка частоты сигналов, для которых должны быть разработаны более сложные алгоритмы обработки.

Возможность обнаружения

Одним из основных требований когнитивных радиосетей является быстрое обнаружение основных пользователей. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) на основе когнитивных сетей радиосвязи, как известно, отлично подходит для архитектуры когнитивных радиосетей. Так, сканирование со множеством несущих может быть использовано в OFDM, и общее время сканирования может быть уменьшено. После того, как основной пользователь регистрируется в одной из несущих, сканирование других несущих не нужно. Общее время обнаружения уменьшается при сборе информации от каждой несущей. Однако это требует использования большого количества несущих, тем самым увеличивается сложность конструкции. Таким образом, методы сканирования спектра должны быть разработаны так, чтобы число образцов, необходимых для обнаружения основного пользователя, минимизировалось в пределах заданной вероятности ошибки обнаружения.

Скрытая проблема терминала

Когнитивное радио, передающее с башни на холме, может не заметить основного пользователя в конкретной полосе частот позади большого здания.

Здание выступает препятствием между двумя когнитивными пользователями, поэтому они не чувствуют присутствия первичного пользователя в этой частоте. Таким образом, они делают вывод, что часть спектра не занята, и пытаются передавать сигнал. Этот сигнал от одного из двух когнитивных пользователей получен в качестве сигнала помехи на башне. Несмотря на то, что две когнитивные радиостанции в диапазоне связи друг с другом, они не могут взаимодействовать. Эта проблема называется скрытой проблемой терминала. Она может быть решена путем сооружения башни на вершине холма или путем передачи сигнала пользователю когнитивного радио, указывающего, что часть спектра является незанятой. После этого пользователь отправляет запрос на использование этого диапазона частот на башню. Если башня видит, что полоса частот свободна, она указывает на пользователей когнитивных радио, и они могут начать сеанс связи[14].

Эффект Доплера

Из-за относительного движения между двумя радиостанциями, каждое многолучевое распространение волны происходит со сдвигом частоты. Сдвиг частоты принимаемого сигнала из-за движения называется доплеровским сдвигом, а само явление называют эффектом Доплера. Доплеровский сдвиг прямо пропорционален скорости и направлению движения радио относительно направления прихода многолучевого сигнала. Это изменение частоты волны движется по отношению к источнику волн и вызывает замирание в мобильных системах беспроводной связи.

Рис.2.8 - Иллюстрация эффекта Доплера

На рис.2.8. пользователь в точке X двигается в направлении точки Y со скоростью V. Так как источник находится на значительном расстоянии от наблюдателя, предполагается, что угол прихода принимаемого сигнала во всех точках во время передачи является постоянным. Разница в расстоянии передаваемых сигналов, которые должны пройти между приемником в точках X и Y, задается следующим образом:

(2.1)

Полученное изменение фазы между точками X и Y может быть выражено так:

= (2.2)

В формуле (2.2) λ является длиной волны в метрах. Очевидно, что изменение частоты или

Доплеровский сдвиг задается fd (в Гц):

(2.3)

Как видно из (3), если наблюдатель движется в направлении прибытия волны, доплеровский сдвиг положителен, а если наблюдатель движется от направления прихода волны - отрицателен.

Уравнение (2.3)также позволяет сделать вывод, что максимальный доплеровский сдвиг происходит, когда θ =0, и дается .

Методы адаптивной модуляции

Адаптивная модуляция подходит только для двусторонней связи между двумя станциями, так как параметры передачи должны быть адаптированы к использованию некоторой формы двусторонней передачи, для того, чтобы позволить измерить канал и взять сигнализацию. Адаптация параметра передачи - это отклик передатчика от изменяющихся во времени условий канала. Для того, чтобы эффективно реагировать на изменения в качестве канала, должно быть предпринято несколько шагов:

· Оценка качества канала: необходимо надлежащим образом выбрать параметры, чтобы они могли быть использованы для следующей передачи. Также нужно надежно оценить канал с функцией передачи в течение следующего активного интервала. Это происходит в приемнике, и информация о качестве канала направляется на передатчик для следующей передачи по каналу обратной связи.

· Выбор соответствующих параметров для следующей передачи: на основе прогнозирования состояния канала для следующего временного интервала передатчик должен выбрать соответствующие режимы модуляции для поднесущих.

· Сигнализация используемых параметров: приемник должен быть информирован о том, какие параметры демодулятора используются для принятия пакета.

Фазовая манипуляция m-PSK

При использовании фазовой манипуляции в соответствии с символами передаваемого сообщения изменяется фаза гармонического колебания, поэтому передаваемый сигнал можно записать в следующем виде:

где

;

A – амплитуда сигнала; T_S – длительность реализации; φ _k принимает значения из множества ; φ ₀ – произвольная начальная фаза.

Сигналы с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK)

Рассмотрим сигнал b(t) в виде последовательности импульсов цифровой информации, как это показано на рис.2.11.

Рис. 2.11 ‑ Униполярный и биполярный цифровой сигнал

На верхнем графике показан униполярный цифровой сигнал, в котором информационном логическому нулю соответствует b(t) = 0, а на нижнем графике биполярный цифровой сигнал b₀(t), в котором информационном логическому нулю соответствует b₀(t)= ‑ 1.

Подадим биполярный цифровой сигнал в качестве модулирующего сигнала b₀(t) = s_m(t) на фазовый модулятор, как это показано на рис. 2.12 с девиацией фазы равной рад.

Рис. 2.12 - Формирование BPSK сигнала на основе фазового модулятора

Поскольку b₀(t) принимает только значения равные , то синфазная I(t) и квадратурная Q(t) компоненты комплексной огибающей BPSK сигнала равны:

Тогда BPSK сигнал можно записать:

А структурную схему модулятора можно упростить, как это показано на рис.2.13.

Рис. 2.13. Упрощенная структурная схема BPSK модулятора

Рис. 2.14 - Графики, поясняющие BPSK модулятора

Информация передается со скоростью бит/c, длительность одного импульса цифровой информации равна . Исходный модулирующий сигнал умножается на несущее колебание ( на рисунке ) и получаем фазоманипулированный сигнал со скачком фазы на рад. Таким образом, BPSK модуляция – вырожденный тип фазовой манипуляции, который совпадает с балансной амплитудной модуляцией при биполярном цифровом модулирующем сигнале.

Рассмотрим векторную диаграмму BPSK сигнала. Согласно выражению (1) синфазная компонента I(t) комплексной огибающей BPSK сигнала равна , а квадратурная компонента Q(t)=0. При этом принимает значения , тогда векторная диаграмма BPSK сигнала показана на рис. 2.15.

Рис. 2.15 - Векторная диаграмма BPSK сигнала

Вектор комплексной огибающей может принимать одно из двух значений I(t)=1 (при передаче информационного нуля) и I(t)= ‑ 1 при передаче информационной единицы.

Выводы

В данной главе было рассмотрена главная задача в когнитивной сети беспроводного доступа, это задача сканирования спектра. Сканирование спектра позволяет определить свободные полосы частот спектра. Тоже было рассмотрено все виды сканирования спектра, их достоинства и недостатки.

Тоже в этой главе рассмотрели модель канала когнитивной сети беспроводного доступа и факторы, влияющие на распространение радиосигнала, методы адаптивной модуляции и спектральная плотность мощности.

Можно показать, что процесс сканирование спектра должен происходит быстро и эффективно, чтобы не вносило помехи на лицензированные пользователи. На практике самый популярный метод сканирования спектра энергетический метод благодаря легкость его реализации. В когнитивной сети беспроводного доступа используют разные схемы модуляции в зависимости от окружающей среды.

Адаптивная модуляция позволяет адаптировать схему передачи с текущими характеристиками канала. Она изменяет такие параметры как мощность, скорость передачи данных, кодирования и схемы модуляции.

Выводы

В данной главе разработана модель для сканирования спектра в когнитивной сети с помощью энергетического метода обнаружения. Этот метод является самым популярным методом для сканирования спектра благодаря его простота реализации. Наш подход был принимать решения на основе спектральной плотности мощности канала, который может быть использован познавательно, чтобы выяснить, доступные пробелы, которые могут быть назначены новым входящим пользователям, таким образом, повысить пропускную способность всего канала и эффективно использовать радиочастотный спектр. Тоже в этой главе исследовали влияние разных факторов на обнаружения первичных пользователей.

Следовательно можно сделать вывод, что сканирование спектра является самым подходящим вариантом для эффективного использования спектра, и следовательно увеличение пропускной способность системы связи. Отношение сигнал/шум влияет непосредственно на вероятность обнаружения первичного сигнала, поэтому значение сигнал/шум должно быть высоким, чтобы обеспечить высокую вероятность обнаружения первичного сигнала.

12 3 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒