認知無線電網絡技術及應用

前言

無線頻譜是不可再生的寶貴資源。提高頻譜資源利用率以滿足日益增長的無線通信業(yè)務需求是無線通信領域永恒的課題?？梢哉f，無線通信的發(fā)展歷史就是解決頻譜有效利用的歷史。傳統(tǒng)提高頻譜利用率的方法是采用先進的通信理論與技術，但受限于香農信道容量理論極限值，不能從根本上解決頻譜資源緊張問題。隨著未來無線通信寬帶化的發(fā)展趨勢，WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）、LTE（Long Term Evolution）、UWB（Ultra-Wide Band）等新技術、新業(yè)務不斷涌現(xiàn)，頻譜需求呈指數(shù)迅猛增長。頻譜資源的供需矛盾限制了無線通信業(yè)務應用的持續(xù)發(fā)展。與此同時，近期國內外大量研究表明，在傳統(tǒng)“條塊分割”的靜態(tài)頻譜分配政策下，全球頻譜資源的利用表現(xiàn)出高度的不均衡性。一方面，一些非授權頻段業(yè)務繁忙、占用擁擠；另一方面，一些授權頻段，尤其是信號傳播特性比較好的低頻段，其頻譜利用率極低，頻譜資源存在巨大“浪費”。這就迫切需要一種新的技術將“浪費”的頻譜資源充分利用起來，認知無線電技術應運而生。它通過對授權頻譜的“二次利用”，可有效緩解頻譜資源緊缺問題，因此被預言為未來最熱門的無線技術。認知無線電技術是無線通信發(fā)展的一個新的里程碑，其將來的廣泛應用必將帶來無線通信領域歷史性的變革。目前認知無線電的研究正在全世界范圍內積極開展，且發(fā)展迅速，無論是專家學者還是國內外頻率管理委員會、標準化組織、研究機構、企業(yè)均給予了極大的關注。但認知無線電技術本身是一個有相當難度的課題，如何準確感知頻譜、有效估測干擾，如何組建認知無線電網絡，這些問題一直以來都困擾著廣大的研究者。在我國大力發(fā)展無線通信和急需培養(yǎng)前沿通信專業(yè)人才的今天，編寫一本結構清晰、內容全面、匯集認知無線電研究進展、體現(xiàn)認知無線電網絡關鍵技術研究難點、充分挖掘認知無線電網絡應用前景的參考書，對于推動無線通信的發(fā)展具有重要的學術和應用價值。此外，目前在認知無線電領域雖已取得一系列可喜研究成果，但離工業(yè)界所期望的能“呼之欲出”的實用還有一段距離。為推動認知無線電技術進一步從目前的研究實驗最終走向真正實用，相關的通信企業(yè)開發(fā)人員也迫切需要一本能夠呈現(xiàn)認知無線電網絡關鍵技術及應用研究成果進展的書，以幫助他們全面深入地了解這項新的技術，從而指導實際的工程實踐。鑒于上述原因，本書在編著過程中突出以下三點：注重認知無線電網絡知識架構的體系性，納入了認知無線電網絡從物理層到應用層所包含的頻譜感知、物理傳輸技術、無線資源管理、路由技術與傳輸協(xié)議、跨層設計及優(yōu)化、網絡安全等技術內容；在書的編著過程中同時注意不局限于原理性介紹，穿插講述一些認知無線電在未來無線通信中的應用實例，并設立典型的認知無線電網絡這一章節(jié)，將近幾年來無論是在實際網絡中已有應用的技術還是在研究中已取得成果的技術均體現(xiàn)在書中；本書在最后一章還引入了認知網絡，闡述了認知無線電網絡的未來演進趨勢，充分體現(xiàn)了內容的新穎性和前瞻性。

內容概要

認知無線電作為有望解決無線頻譜資源緊缺難題的技術，目前已成為業(yè)界極為關注和研究的熱點。本書從認知無線電的基本思想的提出到目前國內外積極開展研究的過程中，就如何準確感知頻譜，如何進行干擾估測，如何使用和組建認知無線電網絡，如何將認知無線電推向實際應用展開了詳細的論述。本書包括10章，內容涵蓋了認知無線電和認知無線電網絡的基礎知識，認知無線電網絡的關鍵技術，包括頻譜感知、物理傳輸技術、無線資源管理、路由技術及傳輸協(xié)議、跨層設計及優(yōu)化、網絡安全，認知無線電網絡應用，最后展望了未來無線通信系統(tǒng)中認知無線電技術的研究及應用前景。    本書可作為高等院校通信等相關專業(yè)高年級本科生或研究生教材，以及通信新技術培訓參考書，也可作為從事無線通信領域研究的科研人員與工程技術人員的技術參考用書。

書籍目錄

第1章  概論  1.1  無線通信與頻譜資源  1.2  高效頻譜利用技術  1.3  頻譜共享技術    1.3.1  動態(tài)頻譜分配    1.3.2  免許可開放接入    1.3.3  分級共享接入  1.4  認知無線電的產生  1.5  認知無線電研究現(xiàn)狀    1.5.1  標準化進展    1.5.2  代表性研究成果  1.6  認知無線電與認知無線電網絡  參考文獻第2章  認知無線電網絡基礎  2.1  認知無線電技術    2.1.1  認知無線電的定義    2.1.2  理想認知無線電    2.1.3  頻譜感知認知無線電    2.1.4  認知無線電的物理實現(xiàn)    2.1.5  認知無線電在無線通信中的應用  2.2  認知無線電網絡    2.2.1  現(xiàn)存認知無線電網絡    2.2.2  認知無線電網絡關鍵問題  參考文獻第3章  頻譜感知  3.1  概述  3.2  頻譜感知模型    3.2.1  頻譜機會    3.2.2  二元假設頻譜感知模型  3.3  頻譜感知分類    3.3.1  輔助頻譜感知    3.3.2  獨立頻譜感知  3.4  基于發(fā)射機信號的檢測    3.4.1  匹配濾波器檢測    3.4.2  能量檢測    3.4.3  循環(huán)平穩(wěn)特征檢測    3.4.4  協(xié)方差盲檢測    3.4.5  延時相關性檢測    3.4.6  兩步檢測  3.5  基于接收機信號的檢測    3.5.1  基于干擾溫度估計的檢測    3.5.2  基于接收機本振泄漏的檢測  3.6  合作檢測    3.6.1  單用戶檢測局限性及合作檢測增益    3.6.2  分布式多用戶合作檢測    3.6.3  協(xié)作分集式合作檢測  3.7  MAC層及跨層檢測    3.7.1  檢測模式    3.7.2  檢測周期    3.7.3  檢測時長    3.7.4  檢測信道    3.7.5  檢測靜默周期  3.8  多域全認知技術    3.8.1  信號空間多維感知    3.8.2  基于鏈路的感知    3.8.3  基于網絡的感知    3.8.4  基于用戶的感知  3.9  現(xiàn)有標準中的頻譜感知    3.9.1  IEEE 802.11k    3.9.2  IEEE 802.15.1    3.9.3  IEEE 802.22  參考文獻第4章  物理傳輸技術  4.1  認知OFDM(Cognitive OFDM)傳輸技術    4.1.1  認知OFDM概述    4.1.2  認知OFDM中的關鍵技術  4.2  認知UWB(Cognitive UWB)傳輸技術    4.2.1  認知UWB概述    4.2.2  認知UWB傳輸波形設計    4.2.3  UWB傳輸技術在認知無線電網絡中的應用  4.3  變換域通信系統(tǒng)(TDCS)    4.3.1  TDCS在認知無線電中的適用性    4.3.2  TDCS在認知無線電中的實現(xiàn)    4.3.3  認知無線電網絡環(huán)境中的TDCS性能分析    4.3.4  基于OFDM的TDCS  4.4  認知無線電的信道編碼技術    4.4.1  糾錯編碼    4.4.2  糾刪編碼  4.5  認知MIMO技術    4.5.1  認知MIMO概述    4.5.2  認知MIMO的研究熱點    4.5.3  認知MIMO傳輸系統(tǒng)實例  4.6  認知無線電的鏈路自適應技術    4.6.1  概述    4.6.2  認知無線電的時域鏈路自適應(TDLA)    4.6.3  認知OFDM的鏈路自適應  參考文獻第5章  無線資源管理  5.1  概述  5.2  頻譜分析    5.2.1  頻譜分析分類    5.2.2  頻譜特征參數(shù)    5.2.3  信道容量  5.3  頻譜決策    5.3.1  概述    5.3.2  決策的優(yōu)化目標：本地與全局    5.3.3  決策中的協(xié)調機制  5.4  接入控制    5.4.1  接入控制的特點    5.4.2  與授權用戶協(xié)調的接入控制    5.4.3  透明接入控制  5.5  頻譜分配    5.5.1  頻譜分配技術分類    5.5.2  完全受限頻譜分配    5.5.3  部分受限頻譜分配  5.6  功率控制    5.6.1  與傳統(tǒng)網絡功率控制的區(qū)別    5.6.2  基于合作的功率控制    5.6.3  基于非合作的功率控制  5.7  頻譜移動性管理    5.7.1  頻譜移動性的特點    5.7.2  頻譜切換機制    5.7.3  頻譜移動性管理協(xié)議    5.7.4  頻譜移動性管理面臨的挑戰(zhàn)  5.8  資源調度    5.8.1  認知無線電網絡中調度的特點    5.8.2  鏈路級調度    5.8.3  端到端流的跨層調度  參考文獻第6章  路由技術及傳輸協(xié)議  6.1  認知無線電網絡的路由技術    6.1.1  概述    6.1.2  路由協(xié)議    6.1.3  路由算法  6.2  認知無線電網絡的傳輸層協(xié)議    6.2.1  傳輸層協(xié)議概述    6.2.2  傳統(tǒng)無線網絡的傳輸層協(xié)議    6.2.3  認知無線電網絡的傳輸層協(xié)議  參考文獻第7章  跨層設計及優(yōu)化  7.1  傳統(tǒng)分層設計到跨層設計的演進  7.2  認知無線電網絡的跨層設計    7.2.1  頻譜檢測的跨層設計    7.2.2  頻譜管理的跨層設計    7.2.3  頻譜分配的跨層設計    7.2.4  頻譜切換的跨層設計  7.3  認知無線電網絡的跨層優(yōu)化    7.3.1  基于模糊邏輯的跨層優(yōu)化    7.3.2  基于神經網絡的跨層優(yōu)化    7.3.3  基于多目標優(yōu)化的跨層優(yōu)化  7.4  認知引擎與跨層設計及優(yōu)化    7.4.1  認知引擎的功能和結構    7.4.2  基于認知引擎的跨層設計及優(yōu)化架構    7.4.3  基于認知引擎的跨層設計及優(yōu)化架構的優(yōu)勢  7.5  認知無線電網絡跨層設計和優(yōu)化面臨的挑戰(zhàn)  參考文獻第8章  認知無線電網絡安全  8.1  認知無線電網絡面臨的安全問題    8.1.1  傳統(tǒng)無線網絡的安全威脅    8.1.2  認知無線電網絡的安全需求    8.1.3  認知無線電技術引入的安全隱患    8.1.4  認知無線電網絡的安全威脅及其防御機制  8.2  認知無線電網絡的入侵檢測系統(tǒng)    8.2.1  入侵檢測概述    8.2.2  網絡安全的P2DR模型與入侵檢測    8.2.3  入侵檢測系統(tǒng)的典型架構與分類    8.2.4  認知無線電網絡的IDS——動態(tài)綜合的安全方案模型  8.3  典型認知無線電網絡的安全研究    8.3.1  IEEE 802.22 WRAN網絡的安全    8.3.2  其他認知無線電網絡存在的安全問題  8.4  未來的研究方向    8.4.1  建立動態(tài)的無線電環(huán)境圖    8.4.2  建立信譽系統(tǒng)    8.4.3  其他研究方向  參考文獻第9章  典型的認識無線電網絡  9.1  WRAN網絡    9.1.1  WRAN簡介    9.1.2  IEEE 802.22標準概況    9.1.3  IEEE 802.22空中接口    9.1.4  IEEE 802.22的共存  9.2  XG網絡    9.2.1  XG網絡的組成結構    9.2.2  XG網絡決策    9.2.3  XG網絡實測  9.3  認知Ad Hoc網絡    9.3.1  認知Ad Hoc網絡與傳統(tǒng)Ad Hoc網絡的比較    9.3.2  認知Ad Hoc網絡示例    9.3.3  分布式協(xié)同MAC機制    9.3.4  認知Ad Hoc網絡的一些可能應用  9.4  認知Mesh網絡    9.4.1  COMNET網絡    9.4.2  CogMesh網絡  參考文獻第10章  從認知無線電網絡到認知網絡  10.1  認知無線電、認知無線電網絡與認知網絡  10.2  認知網絡概述    10.2.1  定義    10.2.2  簡單應用實例    10.2.3  網絡架構    10.2.4  體系結構  10.3  認知網絡的典型應用——B3G認知無線網絡    10.3.1  認知無線接入網的管理功能    10.3.2  認知接入點的管理功能    10.3.3  認知無線終端的管理功能  10.4  認知網絡發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)  參考文獻  縮略語

章節(jié)摘錄

插圖：分級共享接入技術是指在不改變現(xiàn)有頻譜分配總體結構（即頻譜分配表中指配給各通信系統(tǒng)頻段基本不變）的前提下，通過開放授權頻段實現(xiàn)不同無線電系統(tǒng)用戶間的頻譜共享，以提高頻譜利用率。這種共享方式的用戶具有不同的等級，即嚴格的主從關系，提供共享頻譜資源的用戶稱為主用戶（Primary User），共享主用戶頻譜資源的用戶稱為次用戶（Secondary User）。次用戶只有在不干擾主用戶正常工作的前提下才能進行通信。根據(jù)主用戶和次用戶在時間和頻率上使用頻譜的不同，分級共享接入方式分為覆蓋式頻譜共享（Spectrum Underlay）和機會式頻譜共享（Spectrum Overlay）兩類。在覆蓋式頻譜共享方式中，一個無線電系統(tǒng)同時與另一個無線電系統(tǒng)使用相同的頻譜，在頻率上完全覆蓋。為了避免對主用戶的干擾，次用戶通常采用擴頻等技術限制自身的發(fā)射功率足夠小。目前UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)共存就是采用這種方式。這種共享方式由于主從用戶間沒有任何協(xié)作，無法控制用戶間的干擾，次用戶可能對主用戶造成較大干擾，因此很多無線電系統(tǒng)無法采用這種簡單的頻譜共享方式。對于機會式頻譜共享方式，其核心思想是次用戶采用“見縫插針”的方式使用主用戶的頻譜資源。所謂見縫插針是指主用戶一旦有空閑信道，次用戶便接入；主用戶沒有空閑信道，次用戶便等待主用戶空閑信道的出現(xiàn)。一旦主用戶要使用自己被次用戶正占用的信道，次用戶必須立即釋放給主用戶。實現(xiàn)機會式頻譜共享要求無線電具備感知能力，通過感知無線電的外部環(huán)境，包括檢測電磁場環(huán)境中其他用戶的情況，動態(tài)地改變無線電特性參數(shù)（如功率、頻率、調制、編碼等），以便有效利用空閑頻譜資源，同時避免對主用戶通信系統(tǒng)的干擾。這就需要CR這一核心技術的支撐。

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