Сканирование спектра когнитивной сети

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 9Следующая ⇒

Главная задача когнитивного радио состоит в том, что вторичный пользователь должен обнаружить основного пользователя и быстро выйти из полосы частот. Технологию сканирования спектра можно разделить на два типа: прямую и непрямую. Прямая технология подразумевает, что в частотной области оценка осуществляется непосредственно от сигнального подхода. В непрямом методе, также называемом подходом временной области, оценка осуществляется с использованием автокорреляции сигнала.

Важным требованием КР является обнаружение пробелов спектра. Функция сканирования спектра позволяет когнитивному радио приспособиться к окружающей среде путем обнаружения первичных пользователей. В действительности непросто напрямую измерять канал между первичными обнаружениями передатчика на основе местных наблюдений пользователей КР. Спектр был классифицирован на три типа по оценке входящих радиочастотных стимулов: черные пространства, серые пространства и пробелы. Черные пространства заняты помехами высокой мощности, и нелицензированные пользователи должны избегать этих пространств. Серые пространства частично занимают невысокие помехи, но они могут использоваться вторично. Свободные пробелы (RF) содержат помехи, которые состоят из натуральных и искусственных форм шума: теплового шума, переходных отражений и импульсного шума. Пробелы могут использоваться вторичными пользователями[12]. Рис.2. 1. показывает пробелы и используемые частоты в лицензионном спектре.

Рис. 2.1 - Иллюстрация пробелов в лицензированном диапазоне

На рис.2.1. видим радиочастотный спектр, разделенный на используемый и неиспользуемый спектр (пробелы).

Целью сканирования спектра является выбор между двумя гипотезами, а именно:

x (t) = n(t), H0
x (t) = hs (t) + n(t), H1,

где x (t) является сигналом, принимаемым пользователем КР, s (t) - передаваемый сигнал от первичного пользователя, n(t) – аддитивный белый Гауссовский шум (AWGN), h ‑ усиление амплитуды канала; H0 ‑ нулевая гипотеза, которая утверждает, что нет лицензированного пользовательского сигнала.

На практике алгоритмы сканирования спектра применяются в ошибках, которые классифицируются как пропущенное обнаружение и ложная тревога, и могут быть определены как:

v Вероятность пропущенного обнаружения

Это вероятность того, что основной пользователь будет обнаружен неактивным, но на самом деле он является активным. Более высокое значение приводит к увеличению помех, потому что в этом случае вторичный пользователь будет считать, что спектр свободен, а спектр на самом деле используются первичными пользователями.

= P(Ho/H1)

v Вероятность обнаружения

Вероятность обнаружения – это вероятность того, что первичные пользователи будут обнаружены в то время, когда они присутствуют, чтобы избежать какой-либо помехи от вторичных пользователей, если те попытаются использовать спектр. Высокое значение приведет к эффективному использованию спектра, не вызывая помех для основного пользователя.

= P(H1/H1), или
= 1-

v Вероятность ложной тревоги

Она определяется как вероятность обнаружения присутствия основного пользователя в то время, когда на самом деле он отсутствует. Это приводит к неэффективному использованию спектра, потому что, даже если спектр является свободным, вторичный пользователь может предположить, что он занят основным пользователем, и не сможет использовать спектр. Низкое значение увеличивает возможность повторного использования канала, когда он свободен

= P(H1/Ho).

Существует несколько методов сканирования спектра. Эти методы показаны на рис.2.2.

Рис. 2.2 - Методы сканирования спектра

На рис.2.2. показаны методы сканирования спектра, которые делятся на следующие типы: обнаружение передатчика, кооперативное обнаружение (обнаружение приемника) и обнаружение на основе помех. Метод обнаружения передатчика делится на три методы: Энергетическое обнаружение, обнаружение на основе согласованных фильтров и цикло-стационарное обнаружение[13].

В данной диссертации будем рассматривать только метод обнаружения передатчика. Обнаружение передатчика классифицируется на несколько методов:

2.1. 1. Энергетическое обнаружение

2. 1. 2. Обнаружение на основе согласованных фильтров

2. 1. 3. Цикло-стационарное обнаружение

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.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 Следующая ⇒