Zaklad Kompatybilności Elektromagnetycznej (Z-21) Metody badawcze sluŜące opracowaniu standardów i wdroŜeniu systemów radia kognitywnego Raport Z21/21300021/1477/11 WROCLAW, grudzień 2011
Zakad Kompatybilno ci Elektromagnetycznej (Z-21)
Metody badawcze suce opracowaniu standardw i wdroeniu systemw radia kognitywnego
Raport Z21/21300021/1477/11
WROCAW, grudzie 2011
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 2
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 3
Metryka dokumentu
Nr pracy : Z21/21300021/1477/11
Nazwa pracy : Metody badawcze suce opracowaniu standardw i wdroeniu systemw radia kognitywnego
Zleceniodawca : Praca Statutowa
Data rozpoczcia : Stycze 2011 r.
Data zakoczenia : Grudzie 2011 r.
Sowa kluczowe : Cognitive Radio, EMC, White Space Spectrum,
Kierownik pracy : dr in. Dariusz Wicek
Wykonawcy pracy : mgr in. Bartomiej Gobiowski dr in. Maciej Grzybkowski mgr in. Marek Michalak mgr in. Daniel Niewiadomski dr in. Marian Oziewicz dr in. Janusz Sobolewski prof. Ryszard Struak mgr in. Monika Szafraska dr in. Dariusz Wicek mgr in. Pawe Winkel mgr in. Jacek Wroski in. Dariusz Wypir
Praca wykonana w Pracowni Gospodarki i Inynierii Widma Zakadu Kompatybilnoci Elektromagnetycznej Instytutu cznoci we Wrocawiu Kierownik Pracowni Gospodarki i Inynierii Widma: dr in. Dariusz Wicek Kierownik Zakadu Z21: dr in. Janusz Sobolewski Niniejsze opracowanie moe by powielane i publikowane wycznie w caoci Powielanie i publikowanie fragmentw wymaga uzyskaniu zgody Instytutu cznoci Copyright by Instytut cznoci, Wrocaw 2011
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 4
SPIS TRECI 1. Wstp..........................................................................................................................................6
2. Rozpoznanie widma radiowego w Polsce pod ktem implementacji radia kognitywnego.8
2.1 Sposoby wykorzystania widma radiowego przez systemy radia kognitywnego..............10
2.2 Wybr zakresw czstotliwoci dostpnych w Europie na potrzeby radia kognitywnego 15
2.3 Literatura do rozdziau 2...................................................................................................25
3. Metody estymacji widma czstotliwoci dla zastosowa radia kognitywnego ..................26
Wprowadzenie...............................................................................................................................26
3.1 Czuo metod badania widma. Wymagania ..........................................................................29
3.1.1 Wymagane poziomy detekcji sygnaw licencjonowanych.........................................29
3.1.1.1 Pasmo DTV; sygnay TV .....................................................................................29
3.1.1.2 Pasmo DTV, sygnay bezprzewodowych mikrofonw ....................................29
3.1.2 Wymagania sprztowe..................................................................................................30
3.1.3 Problemy.......................................................................................................................31
3.1.3.1 Ukryty uytkownik licencjonowany (hidden primary user)...........................31
3.1.3.2 Czas trwania oraz czsto badania widma w wersji z pojedynczymi odbiornikami .......................................................................................................................31
3.2 Koncepcja wsplnego rozpoznawania widma..................................................................32
3.3 Podstawy detekcji sygnau w obecnoci szumu ...............................................................32
3.4 Miernik energii (radiometr) ..............................................................................................36
3.4.1 Ograniczona liczba prbek ...........................................................................................36
3.4.2 Statystyki Gaussa..........................................................................................................39
3.5 Algorytmy rozpoznawania zajtoci widma.....................................................................40
3.5.1 Okno przesuwne ( Sliding Window) ...........................................................................40
3.5.2 Rozkad spektralny macierzy autokorelacji sygnau ....................................................40
3.5.3 Korelacje czasowe cyklicznego prefiksu CP................................................................41
3.5.4 Korelacja podnonych pilotowych w sygnale DTV.....................................................43
3.5.5 Korelacja obwiedni czstotliwociowej sygnaw (SFD) ............................................46
3.6 Porwnanie jakoci proponowanych metod sensingu ......................................................51
3.7 Propozycje metod sensingu w standardzie IEEE 802.22.............................................60
3.7.1 Norma IEEE 802.22. Cognitive Radio Wireless Regional Area Networks Standard
(WRAN) ....................................................................................................................................60
3.7.1.1 Standard IEEE 802.22.1 .....................................................................................61
3.7.1.2 Specyfikacja IEEE 802.19 ...................................................................................61
3.7.1.3 Project IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPAN)...................62
3.7.1.4 Standard 802.11 Wireless Local Area Networks (WLAN) ..............................62
3.7.2 Informacyjny przegld algorytmw badania widma w normie IEEE 802.22 .......62
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 5
3.7.2.1 Algorytmy niezalene od typu sygnau.............................................................63
3.7.2.2 Algorytmy badania zajtoci kanau w pamie TV ..........................................63
3.7.2.3 Rwnolege badanie zajtoci kanaw w pamie TV .....................................64
3.8 Radio kognitywne w zakresie WLAN. Propozycja organizacji sensingu ....................65
3.8.1 Prototyp kognitywnego radia w wersji NTT ............................................................65
3.9 Wnioski ............................................................................................................................69
3.10 Terminologia oraz akronimy .........................................................................................71
3.11 Literatura do rozdziau 3................................................................................................73
4. Wyznaczenie dostpnych kanaw radiowych w pamie telewizyjnym w Polsce...75
Wprowadzenie.............................................................................................................................75
4.1 Wyznaczenie dostpnych kanaw radiowych w Polsce.............................................78
4.1.1 Ochrona rzeczywistych zasigw DVB-T..................................................................78
4.1.2 Metoda wyznaczania biaych przestrzeni widma ....................................................80
4.1.2.1 Metoda wyznaczania biaych przestrzeni widma zapewniajca ochron Planu GE06...........................................................................................................................80
4.1.2.2 Metoda wyznaczania biaych przestrzeni widma zapewniajca ochron rzeczywistej sieci stacji DVB-T...........................................................................................82
4.2 Wyniki analiz dostpnoci kanaw radiowych w Polsce ...........................................83
4.2.1 Wyniki analiz dostpnoci kanaw radiowych dla ochrony obszarw rezerwacji
GE06 83
4.2.2 Wyniki analiz dostpnoci kanaw radiowych z uwzgldnieniem rzeczywistych zasigw sieci DVB-T ..............................................................................................................86
4.2.3 Wyniki analiz dostpnoci kanaw radiowych z uwzgldnieniem rzeczywistych
zasigw sieci DVB-T zgodnie z Raportem ECC 159. ...........................................................90
4.3 Podsumowanie ................................................................................................................93
4.4 Literatura do rozdziau 4................................................................................................94
5. Instalacja modelowa i pomiary sieci wykorzystujce elementy radia kognitywnego 95
5.1 Instalacja modelowa dla radia kognitywnego ..............................................................95
5.2 Platforma testowa oprogramowania dla instalacji modelowej radia kognitywnego96
5.2.1 Analizator widma......................................................................................................102
5.2.2 Baza danych REAM ...................................................................................................102
5.2.3 Synchronizacja terminali..........................................................................................112
5.3 Badania laboratoryjne instalacji modelowej systemu radia kognitywnego ............114
5.4 Testy dziaania algorytmu kognitywnoci systemu - analiza przecze ................122
5.5 Podsumowanie ..............................................................................................................125
6. Podsumowanie pracy statutowej.....................................................................................126
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 6
1. Wstp
Wspczesna telekomunikacja coraz czciej wykorzystuje techniki radiowe aby
zapewni czno, dostp do Internetu czy przesyanie informacji w sposb bezprzewodowy z
dowolnego miejsca, w dowolnym czasie, w ruchu samochodowym, kolejowym czy pieszym
jak rwnie midzy staymi punktami. Liczba abonentw telefonicznych sieci komrkowych w
Polsce ju wielokrotnie przekroczya liczb abonentw stacjonarnych i nadal ronie, a
bezprzewodowy dostp do Internetu staje si rwnie wany jak dostp stacjonarny i jest
obecnie przedmiotem gwatownego rozwoju. To wszystko sprawia, e presja na rozwj
systemw bezprzewodowych jest ogromna, a prognozowane ogromne potrzeby nie mog by
zaspokojone przy pomocy aktualnie istniejcych rozwiza. Potrzebne jest opracowywanie i
stosowanie nowych technik transmisyjnych, ktre jeszcze efektywniej wykorzystaj widmo
radiowe, niezbdny jest rwnie rozwj infrastruktury sieci stacji poprzez uzupenienia
zasigw, jak rwnie dodawania lokalnych stacji bazowych w postaci piko czy femto
komrek. Potrzebne s take aktualnie opracowywane nowe techniki dostpu do pasma
radiowego, tak aby wykorzysta jak najefektywniej cenne czstotliwoci radiowe w przyszych
rozwizaniach technicznych.
W roku 2000 (praca doktorska Mitola, UK) powstaa koncepcja radia kognitywnego
(Cognitive Radio CR), ktre z zasady ma wykorzystywa elementy obserwacji otoczenia,
nauki zmian i decyzji odnonie sposobw transmisji bezprzewodowej na zasadzie inteligentnej.
Cho sama koncepcja jest zoona i moe dotyczy rnych elementw (warstwy fizycznej,
warstwy dostpowej czy wyszych warstw) w ostatnich latach rozwijana jest zasadniczo
koncepcja kognitywnego dostpu do pasma radiowego jako tzw. dynamiczny dostp do widma
(Dynamic Spectrum Access) lub oportunistyczny dostp do widma (Opportunistic Spectrum
Access). Bazuje ona na obserwacji fizycznych zjawisk: za pomoc sensingu (detekcji
fizycznej) widma lub wykorzystywaniu informacji wczeniej przygotowanych w inny sposb
(bazy geolokalizacyjne, radiowy kana pilota kognitywnego), ktre z definicji maj zawiera i
dostarcza informacji na temat tego co dzieje si w widmie radiowym w poszczeglnych
miejscach, aby na tej podstawie podj decyzj o rozpoczciu transmisji obejmujc np.:
maksymaln dopuszczaln moc promieniowan, maksymaln wysoko nadajnika czy rodzaj
transmisji (np. szeroko kanau, modulacja, charakterystyka anteny). Zasadniczo koncepcja ta
polega na wykorzystywaniu tzw. biaych przestrzeni widma radiowego (White Space
Spectrum) okrelajcych parametry w przestrzeni radiowej (pooenie, wysoko anteny, moc,
czstotliwo) pozwalajce na wykorzystanie danej przestrzeni przez dodatkow transmisj
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 7
niezakcajc innych (istniejcych dotychczasowych) uytkownikw widma radiowego.
Najczciej mamy tu do czynienia z oportunistycznym dostpem do widma czyli emisj w
tym samym lub zblionym zakresie czstotliwoci, ktry wykorzystuj inne istniejce systemy
radiowe, a ktry moe by dodatkowo wykorzystywany w sposb oportunistyczny
(wykorzystujcy istniejc sposobno) dziki zapewnieniu wymaganej stosownej
kompatybilnoci elektromagnetycznej (ocenianej np. jako wymagana separacja geograficzna,
czstotliwociowa czy przestrzenna). Techniki kognitywnego dostpu do widma s obecnie na
wiecie intensywnie badane i rozwijane i znajduj si obecnie w fazie przedwdroeniowej.
Pierwsze komercyjne standardy powstay w 2010-2011r. a ich wdroenie moe nastpi w
najbliszych latach, trwaj rwnie prace nad kolejnymi standardami, zwaszcza takimi, ktre
pozwol na zastosowanie stosunkowo niedrogich rozwiza technicznych, gdy
dotychczasowe rozwizania ze wzgldu na ich zoono i kosztowno mog mie problem z
powszechn akceptacj.
W niniejszej pracy podjto dziaania zmierzajce do przygotowania do wdroenia w
kraju przyszych systemw radia kognitywnego. Dokonano przegldu widma radiowego w
Polsce (Rozdzia 2) pod ktem moliwoci aplikacji radia kognitywnego w poszczeglnych
zakresach czstotliwoci, nastpnie dokonano przegldu algorytmw sensingu widma
radiowego (Rozdzia 3) celem porwnania rozwiza i wskazania najbardziej korzystnych
metod moliwych do praktycznego zastosowania, dokonano analizy pasm telewizyjnych w
Polsce oceniajcej wstpn dostpno widma radiowego pasma UHF w poszczeglnych
punktach kraju (Rozdzia 4) moliwego do wykorzystania po wyczeniu telewizji analogowej
w Polsce planowanego na 2013 r. a take dokonano pierwszych eksperymentw w sieci
kognitywnej pod ktem moliwoci stworzenia w I laboratorium (testbed) radia
kognitywnego. Prowadzone prace s pionierskie w Polsce i w Europie std ich elementy
wykorzystywane s do publikacji na forum midzynarodowym. W roku 2011 wybrane
elementy zaprezentowano w ramach COST-TERRA IC0905 oraz jako polski dokument
roboczy zgoszony do grupy CEPT PT SE43. Stanowi rwnie podstaw do nawizywania
kontaktw i wsppracy z innymi orodkami naukowymi celem podejmowania przyszych
wsplnych bada (np. w ramach FP7) a take mog stanowi wkad do grup standaryzacyjnych
zajmujcych si przygotowywaniem standardw radia kognitywnego (np. IEEE 1900.7), w
ktrych rwnie uczestnicz przedstawiciele I.
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 8
2. Rozpoznanie widma radiowego w Polsce pod ktem implementacji radia kognitywnego
Technika radia kognitywnego bdzie w przyszoci niewtpliwie wdraana w naszym
kraju. Z pewnym wyprzedzeniem naley ju teraz wskaza zakresy czstotliwoci, gdzie moe
by ulokowana. W niniejszym rozdziale przeanalizowane zostan zakresy czstotliwoci, ktre
potencjalnie mog by wykorzystane do wdroenia systemw radia kognitywnego. Pod uwag
zostan wzite aktualne i planowane przeznaczenia czstotliwoci w Polsce (w tym take w
kontekcie przeznacze europejskich) oraz istniejcy plan zagospodarowania poszczeglnych
zakresw czstotliwoci, ktre mog sta si przedmiotem rozwaania potencjalnych
moliwoci implementacji radia kognitywnego.
Analizy widma dostpnego na terytorium Polski dla systemw radiokomunikacyjnych
przeprowadzone bd w aspekcie moliwoci wprowadzenia sieci radia kognitywnego w jego
wybranych czciach (w tym w pasmach licencjonowanych oraz nielicencjonowanych
oglnodostpnych) w sposb scentralizowany bd rozproszony. Na podstawie wynikw tych
analiz wycignite bd wnioski odnonie zagospodarowania rozpatrywanych zakresw.
Istota gospodarki widmem zasadza si jak dotychczas na utrzymywaniu cisych regu
rzdzcych sposobami obsady tego widma przez rne suby radiowe, a w konsekwencji przez
rne systemy radiowe. Naczeln zasad procesu zarzdzania widmem jest utrzymanie trzech
etapw dziaania: przeznaczenia zakresw czstotliwoci, planowania (czy rezerwacji)
czstotliwoci oraz przydziaw czstotliwoci. Utaro si, e etapy te, podlegajce tzw. regule
3P (Przeznaczenia, Planowanie, Przydzia), zgodne jest z angielsk regu 3A (Allocation,
Allotment, Assignment). W myl tak sformuowanej zasady zarzdzania przydziay
czstotliwoci dla systemw (sieci) radiowych nastpuj po uprzedniej rezerwacji
czstotliwoci, ktra z kolei moga mie miejsce w z gry okrelonych wycinkach widma
(zakresach czstotliwoci), objtych stosownymi przeznaczeniami. W danym zakresie
czstotliwoci pracowa mog wic tylko takie suby radiowe, dla ktrych ten zakres by
przeznaczony. Wspuytkowanie tych zakresw przez rne suby byo ryzykowne, ze
wzgldu na konieczno przestrzegania zasad kompatybilnoci midzysystemowej. Std w
pocztkach dziaalnoci regulacyjnej zakadano, e w danym zakresie czstotliwoci pracowa
moga tylko jedna suba, np. tylko radiodyfuzyjna, lub tylko ruchoma ldowa.
W miar rozwoju sub radiowych zaczy wystpowa braki wolnych (niezajtych dla
potrzeb konkretnej suby radiowej) czstotliwoci, w konsekwencji tego przeznaczano dla
potrzeb poszczeglnych sub coraz to nowe (najczciej wraz z rozwojem techniki radiowej
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 9
coraz to wysze) zakresy czstotliwoci. Ponadto wraz z rozwojem technik
kompatybilnociowych zaczto dopuszcza uytkowanie systemw rnych sub
radiokomunikacyjnych w tym samym zakresie czstotliwoci, np. radiodyfuzji i
radiokomunikacji ruchomej pocztkowo na zasadzie rnych wanoci sub (pierwszej i
drugiej wanoci), pniej umoliwiajc lokowanie w jednym zakresie kilku sub pierwszej i
drugiej wanoci. Jednak praktycznie wspuytkowanie wielu rnych sub w jednym
zakresie, na tym samym obszarze, byo najczciej niemoliwe ze wzgldu na wzajemne
zakcenia. Std na obszarze jednego kraju, na terenie zarzdzanym przez jedn administracj
cznoci, obsadzenie danego zakresu rnymi subami radiowymi prawie zawsze nie mogo
mie miejsca. Natomiast bardzo czsto w tym samym zakresie czstotliwoci rne suby
pracoway w rnych krajach (np. w jednym radiodyfuzja, w drugim radiokomunikacja
ruchoma ldowa). Powodowao to konieczno uzgadniania sposobu pracy rnych systemw,
po rnych stronach granicy, celem uniknicia szkodliwych zakce istotnych szczeglnie na
terenach przygranicznych.
Implementacja suby jednego rodzaju (okrelonego typu systemu lub sieci radiowej) na
tym samym obszarze, w tym samym zakresie czstotliwoci, powodowaa jednak zbyt
ekstensywne zagospodarowanie widma. W celu uniknicia wzajemnych zakce
wewntrzsystemowych stosowano separacj czstotliwociow lub obszarow (czasem oba
rodzaje razem), co dawao w efekcie powstawanie luk zarwno w pokryciu
czstotliwociowym, jak i obszarowym.
Nowa polityka w obsadzaniu wybranych pasm czstotliwociowych (neutralno
techniczna), postpujca konwergencja usug, a co za tym idzie konieczno elastycznej
gospodarki zasobami widmowymi spowodoway odwrcenie trendu monokulturowego
sposobu zagospodarowania poszczeglnych zakresw czstotliwoci. Dopuszczona zostaa
moliwo implementacji rnych systemw radiowych reprezentujcych rne suby radiowe
w jednym i tym samym zakresie czstotliwoci. Postpowanie takie ma na celu uzyskanie
moliwie najbardziej efektywnego wykorzystania zasobw widmowych. Wypenienie luk w
pokryciu czstotliwociowym oraz obszarowym (dla porzdku mona doda, e w przypadku
pracy z przerwami w czasie mona zapenia rwnie luki czasowe) poprzez uruchamianie
pracy innych, ni pierwotnie tam dedykowane systemy radiowe, zapewnia bardziej wydajn
eksploatacj dostpnych zasobw widma na okrelonym terenie.
Wraz z rozwojem technik radiokomunikacyjnych oraz z rozwojem organizacji
wykorzystania widma czstotliwoci radiowych moliwe stao si zwikszenie efektywnoci
wykorzystania widma. Dzieje si tak gwnie skutkiem postpu w procesie zapewniania
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 10
kompatybilnoci elektromagnetycznej i to zarwno w sferze sprztowej (np. zwikszenie
odpornoci odbiornikw na zakcenia, czy lepsza filtracja produktw modulacji
pasoytniczych w nadajnikach) jak i w sferze programowo- sygnaowej (np. wprowadzenie do
uytku nowych, cyfrowych technik modulacyjnych, stosowanie sygnaw ultra
szerokopasmowych czy zaawansowanych technik kodowania sygnaw).
Radio kognitywne doskonale wpasowuje si w postp techniczny zapewniajc, przy
szybkim rozwoju techniki monitoringu stanu widma radiowego, moliwo bardzo
efektywnego wykorzystania przestrzeni elektromagnetycznej.
2.1 Sposoby wykorzystania widma radiowego przez systemy radia kognitywnego
Wspuytkowanie widma czstotliwoci radiowych moe odbywa si na wielu
paszczyznach. Zwykle rozrniane s cztery aspekty wspuytkowania widma [1]:
architektura systemw, sposb przeznaczenie widma, technika dostpu do widma oraz metoda
wspuytkowania. Wspuytkowanie rozpatrywane pod ktem architektury moe by
zcentralizowane (gdzie przydzia czstotliwoci oraz procedury dostpowe sterowane s przez
jak centraln jednostk) lub zdecentralizowane (gdzie przydzia i dostp podporzdkowane s
lokalnym prawom, ktre s odrbnie nadawane kademu z wzw sieci radiowej). W aspekcie
sposobu przeznaczenia widma na potrzeby radia kognitywnego dostp do tego widma moe
by kooperacyjny bd niekooperacyjny. W przypadku dostpu kooperacyjnego poszczeglne
czstotliwoci przydzielane s w wyniku przetworzenia informacji o oddziaywaniu zakce
interferencyjnych pochodzcych z jednego wza na prac innych wzw radia kognitywnego.
Natomiast w sytuacji, gdy dostp jest niekooperacyjny analizowana jest sytuacja w jednym
wle, nie rozpatruje si zakce oddziaywujcych na inne wzy powoduje to, co prawda,
nieoptymalne wykorzystanie przestrzeni widmowej, ale ogranicza ruch w sieci spowodowany
wymian subowej korespondencji midzywzowej.
Z analiz technik dostpu do widma wynika, e wspuytkowanie moe wystpi w
dwch sytuacjach: jako eksploatacja nakadkowa (overlay) lub podkadkowa (underlay). W
przypadku wspuytkowania nakadkowego, w danym zakresie czstotliwoci wzy sieci
radia kognitywnego (sieci wtrnej w stosunku do sieci pierwotnej uprzednio
wykorzystywanej, np. telewizji cyfrowej) eksploatuj jedynie te czci widma (podzakresy
czstotliwoci), ktre niewykorzystane s przez gwnych uytkownikw tego zakresu.
Pociga to za sob minimalizacj zakce wprowadzanych do sieci pierwotnej przez sie
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 11
wtrn, jednak wymaga cisego przestrzegania regu kompatybilnoci nie tylko
wsplnokanaowej, lecz rwnie ssiedniokanaowej. Podczas wspuytkowania
podkadkowego wykorzystywany jest peny dostpny zakres czstotliwoci, jednak sie wtrna
wykorzystywa moe jedynie techniki ultraszerokopasmowe (z rozproszeniem widma,
pracujce czsto poniej poziomu szumw rodowiskowych), aby nie powodowa szkodliwych
zakce w sieci pierwotnego uytkownika tego zakresu. Jeeli chodzi o metody
wspuytkowania widma, to rozrnia si rwnie dwa przypadki. W pierwszym z nich mamy
do czynienia ze wspuytkowaniem wewntrzsieciowym, w ramach sieci jednego operatora
radia kognitywnego, natomiast w przypadku drugim ze wspuytkowaniem
zewntrzsieciowym, gdzie na pewnym obszarze widmo moe by eksploatowane przez kilku
operatorw radia kognitywnego. Klasyfikacja powysza nie odnosi si do przypadkw tzw.
wtrnego rynku czstotliwoci, gdy waciciel widma nie wykorzystujc go w peni
odsprzedaje bd wynajmuje cz swoich praw do uytkowania widma.
Oglnie rzecz biorc, uytkowanie systemw radia kognitywnego polega na wyszukaniu
i zagospodarowaniu luk, tzw. biaych przestrzeni (ang. white spaces), w przestrzeni widma
radiowego wykorzystywanego przez systemy radiowe pierwotnie uytkujce wybrane zakresy
czstotliwoci, zwane dalej systemami pierwotnymi. Sposoby wyszukiwania i
zagospodarowania nie bd w niniejszym rozdziale omawiane, przedstawiony natomiast bdzie
przegld zakresw czstotliwoci, ktre potencjalnie mog suy do implementacji radia
kognitywnego. Z samej zasady dziaania radia kognitywnego wynika, e nie wszystkie zakresy
bd mogy by do tego celu uyte. Jak dotychczas, generalnie uwaano e radio kognitywne
moe by stosowane w zakresach czstotliwoci aktualnie wykorzystywanych przez telewizj.
W ramach europejskiego programu FP7 QUASAR dokonano prby okrelenia moliwoci
zastosowa radia kognitywnego w koegzystencji z niektrymi rodzajami sub radiowych i w
ramach okrelonego typu rodowiska [2]. Ustalono tam, e najbardziej obiecujcymi
scenariuszami wprowadzenia radia kognitywnego do rodowiska bd jego implementacje w
pasmach zajtych przez systemy telewizyjne gdzie na obszarach lukowych jako systemy
wtrne mona wdroy systemy komrkowe, (rys. 1), lub podobne do WiFi radiowe
systemy dostpowe (rys. 2).
Jak si wydaje, takie same systemy (komrkowe lub dostpowe) mona wdroy w
zakresach czstotliwoci zajmowanych przez systemy radiofoniczne, gdzie pomimo starannego
planowania nadal wystpuje wiele luk w pokryciu (rys.3) [3]. W obu tych przypadkach,
zarwno wtedy, jak pierwotnymi bd systemy radiowe czy telewizyjne, systemy wtrne mog
by rozwijane zarwno w otwartej przestrzeni jak i w pomieszczeniach zamknitych. W trakcie
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 12
wykonywania programu QUASAR zaoono ponadto, e systemy radia kognitywnego mog
by implementowane rwnie w zakresach czstotliwoci zajmowanych przez pierwotne
systemy radarowe (radiolokalizacja i radionawigacja) i lotnicze [2]. Jednak w takich
przypadkach systemy wtrne mog by uywane jedynie w pomieszczeniach zamknitych (rys
4.), a w skrajnych przypadkach (bardzo niskie moce) na obszarach ulic w duych miastach [4]
pod warunkiem, e zachowany bdzie okrelony odstp od poziomu zakce odbiornika
radarowego.
Rys. 1 Wykorzystanie biaych przestrzeni widma w pamie TV przez systemy komrkowe pracujce w
trybie radia kognitywnego [2]
Rys. 2 Idea wykorzystania biaych przestrzeni widma w pamie TV przez systemy dostpowe przy
wykorzystaniu bazy danych [2]
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 13
Rys. 3 Ilustracja luk (ciemne kolory) w ) w rozkadzie natenia pola radiowych stacji UKF-FM na
czstotliwoci 87,5 MHz do wykorzystania przez radio kognitywne [3]
Rys. 4 Ilustracja sposobu wykorzystania radia kognitywnego w zakresie uytkowanym przez stacje
radarowe [4]
Systemy radia kognitywnego mog by rozwijane w ramach jednego zakresu
czstotliwoci wykorzystywanego przez jeden system pierwotny, jednak mog rwnie
wykorzystywa jednoczenie kilka podzakresw czstotliwoci. Mog to by podzakresy
ssiednie, podzakresy od siebie odseparowane, ale wchodzce w skad jednego zakresu,
wreszcie moliwe jest uycie kilku podzakresw z rnych, nawet znacznie od siebie
odseparowanych zakresw czstotliwoci. Przykad taki, uycia systemw pracujcych w
rnych zakresach czstotliwoci celem wykorzystania biaych przestrzeni widma radiowego
pasm telewizyjnych (TVWS TV white spaces) przedstawiony jest na rys. 5 [5]. Metody
agregacji czstotliwoci przez radio kognitywne rozwaane s m.in. w pracach prowadzonych
Mapa rozkadu natenia pola sygnaw UKF-FM
Polaryzacja pionowa Czstotliwo 87,5 MHz
Wojewdztwo dolnolskie Tereny nizinne i pagrkowate
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 14
na rzecz projektu SACRA (Spectrum and Energy Efficiency through multi-band Cognitive
Radio) prowadzonego w Europie w ramach Sidmego Programu Ramowego (FP7).
Rys. 5 Ilustracja sposobu wykorzystania i agregacji przez radio kognitywne kilku zakresw czstotliwoci
Niezalenie od wykorzystywanego zakresu czstotliwoci mona wyrni dwa sposoby
agregacji czstotliwoci: wewntrz obszaru obsugi danej stacji (nadawczej, bazowej, etc.) oraz
na przeciciu rnych obszarw obsugi. Przypadki takie, oparte tutaj na przykadzie stacji
operujcych w pasmach TV i 2,6 GHz, przedstawione s na rys. 6 i 7.
Rys. 6 Przykad agregacji czstotliwoci wewntrz jednego obszaru obsugi [5]
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 15
Rys. 7 Przykad agregacji czstotliwoci na przeciciu dwch obszarw obsugi [5]
Jak wynika z powyszych przykadw, zarwno stacje bazowe, jak i terminale
uytkownika radia kognitywnego mog eksploatowa czstotliwoci z obu rozpatrywanych
zakresw w zalenoci od tego, w ktrym obszarze obsugi bd zlokalizowane. Z punktu
widzenia konstrukcji sprztu radiowego istotne jest, jakie zakresy czstotliwoci mog by
wykorzystane do potrzeb radia kognitywnego. W przypadku, gdy zaistnieje dua rnica
pomidzy czstotliwociami rodkowymi skrajnych zakresw, ktre mog by
przyporzdkowane potrzebom radia kognitywnego, budowa terminali bd stacji bazowych
moe si okaza trudna a w granicznym przypadku niemoliwa, jeeli uwzgldniony zostanie
stan obecnej techniki. Z kolei, gdy rnica ta bdzie zbyt maa, mog si pojawi problemy z
zapewnieniem niezbdnej kompatybilnoci wewntrzsystemowej.
2.2 Wybr zakresw czstotliwoci dostpnych w Europie na potrzeby radia kognitywnego
Przegld zakresw czstotliwoci, ktre potencjalnie mog by wykorzystane przez radio
kognitywne jest niej wykonany w oparciu o jedyny dokument zawierajcy informacje o
zalecanym przeznaczeniu i gwnym zastosowaniu czstotliwoci w Europie europejskiej
tablicy przeznacze czstotliwoci ECA (European Common Allocation) [6]. Przegld ten
powinien by w zasadzie dokonany w granicach czstotliwoci, wewntrz ktrych (arbitralnie
wybranych, zgodnie ze stanem obecnej wiedzy) mona efektywnie ulokowa systemy radia
kognitywnego, tj. w zakresie 29,7 MHz 6000 MHz. Jednak dolna granica tego zakresu,
stanowica zarazem granic wykorzystywania systemw radiokomunikacji ruchomej ldowej,
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 16
ze wzgldu na niez propagacj fal radiowych na tych czstotliwociach (co skutkuje
moliwoci rozchodzenia si na dalekie odlegoci sygnaw zakcajcych) moe by
przesunita do ok. 80 MHz, gdzie prawdopodobiestwo sporadycznej propagacji na dalekie
odlegoci istotnie maleje. Z kolei grna granica wybrana zostaa ze wzgldu na rosnce
tumienie propagacyjne centymetrowych fal radiowych, ktre jak dotychczas nie s
wykorzystywane do potrzeb radiokomunikacji ruchomej ldowej.
Teoretycznie, radio kognitywne moe by zaimplementowane w kadym zakresie
czstotliwoci. Nie istnieje bowiem taki zakres czstotliwoci, w ktrym efektywno
wykorzystania widma rwna bya jednoci. Jednak cz zakresw, wyodrbnionych na mocy
przeznacze czstotliwoci, powinna by zajta jedynie przez systemy tym zakresom
dedykowane. Dotyczy to np. wanych sub ratunkowych, alarmowania i powiadamiania, gdzie
z uwagi na specyfik suby trudno mwi o koniecznoci penego wykorzystania
przydzielonych odcinkw widma. Std liczba zakresw czstotliwoci, ktre mona rozpatrzy
pod ktem implementacji radia kognitywnego jest ograniczona.
Jak wynika z rozwaa prowadzonych powyej, dla potrzeb radia kognitywnego, w
rnych konfiguracjach, mona przeznaczy w zasadzie te zakresy czstotliwoci, ktre
przeznaczone s dla potrzeb systemw naziemnych telewizji, radiofonii, radiolokalizacji,
radionawigacji, lotniczych (ziemia powietrze) oraz zakresy zwolnione przez telewizj
analogow (dywidenda cyfrowa). Radio kognitywne, na zasadzie agregacji czstotliwoci moe
wykorzystywa ponadto wszelkie zakresy przeznaczone dla radiokomunikacji ruchomej
ldowej, problemem moe by tutaj znalezienie luk w widmie, gdy przy dobrym
projektowaniu mona zapewni wysok efektywno widmow w tych zakresach. Moliwe,
cho trudne ze wzgldu na due prawdopodobiestwo istnienia potencjalnych zakce, jest
wykorzystywanie zakresw czstotliwoci przeznaczonych dla uytkownikw
nielicencjonowanych (pasma obywatelskie czy pasma ISM Industrial, Scientific, Medical).
Wtpliwe wydaje si szerokie uycie do celw radia kognitywnego zakresw czstotliwoci
przeznaczonych dla sub staych (np. dla systemw dostpowych), gwnie z uwagi na
konieczno unikania zakce pochodzcych od systemw suby staej (w takich
przypadkach sygnay zakcajce rozchodz si na pewnych kierunkach na stosunkowo due
odlegoci, co powodowane jest stosowaniem anten o duych zyskach energetycznych).
Jednake wtedy mona rozwaa wprowadzenie technik kognitywnego dostpu do widma w
ograniczonym zakresie. W takich przypadkach radio kognitywne ewentualnie mogoby by
stosowane w pomieszczeniach zamknitych. Jak wspomniano powyej, nie ma natomiast
moliwoci uytkowania radia kognitywnego w zakresach czstotliwoci przeznaczonych dla
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 17
potrzeb sub ratunkowych. Z tego wzgldu nie powinno si implementowa tego radia w
zakresach przeznaczonych dla radionawigacji satelitarnej (GPS, Galileo. Glonass).
Istnieje dua zaleno wyboru zakresu czstotliwoci, w ktrym planuje si uycie radia
kognitywnego (na korzystnych zasadach, jako systemu wtrnego) od tego, jak ma by
pozyskana wiedza o stanie rodowiska elektromagnetycznego w otaczajcej to radio
rzeczywistoci. Innymi sowami zakres czstotliwoci, w ktrym ma by uytkowane radio
kognitywne (system wtrny) zaley take od tego, w jaki sposb zamierza si wykrywa i
wykorzystywa istniejce luki zajtoci wielowymiarowej przestrzeni widma radiowego
(zawierajcej m.in. wsprzdne geograficzne, czstotliwo pracy, szeroko kanau,
dopuszczaln moc promieniowan (mask widmow), charakterystyki anten, wzniesienia anten,
azymuty gwnego promieniowania, czas pracy, itp.).
Podstawowe techniki suce radiu kognitywnemu do prowadzenia analiz stanu
rodowiska celem wykrywania luk w zajtoci przestrzeni radiowej systemw pierwotnych
mona podzieli na dwie grupy: aktywne i pasywne. W ramach technik aktywnych radio
kognitywne samo podejmuje decyzje o rozpoznawaniu stanu zajtoci przestrzeni widma
radiowego (wyszukiwaniu i okreleniu rozmiarw luk) natomiast w przypadku technik
pasywnych radio kognitywne zadowala si informacj o lukach w zajtoci widma pozyskan z
innych rde informacji. Do technik tych zaliczy mona:
- sensing (rozpoznanie zajtoci poprzez bezporedni analiz stanu widma
czstotliwoci radiowych prowadzon przez stacje radia kognitywnego) widma,
- uycie sygnaw radiolatarni oznajmiajcych zajto bd moliwo wykorzystania
okrelonego kanau radiowego. Moliwe jest tu uycie kognitywnych kanaw pilotowych
(sucych do identyfikacji w danym rejonie uytych technik radiowych i skojarzonych z nimi
czstotliwoci), lub kognitywnych kanaw sterujcych umoliwiajcych wymian informacji
pomidzy sensorami zajtoci widma a poszczeglnymi stacjami radia kognitywnego
(informacja ta moe dotyczy rnych spraw: jak np. zasad dostpu do rnych pasm,
sposobw uzyskiwania praw do korzystania z widma, czy lokalnej dostpnoci okrelonych
pasm czstotliwoci)
- wykorzystanie informacji zawartych w bazach danych o rodowisku systemw
pierwotnych (pooenie geograficzne, parametry elektryczne, parametry sieciowe, sposb
wykorzystania rodkw radiowych, cechy transmisyjne, preferencje uytkownikw itp.);
- uycie metod geolokacyjnych (w tym rwnie baz danych) do okrelenia pooenia
nadajnikw, odbiornikw, stacji bazowych czy terminali systemw pierwotnych oraz do
okrelenia czstotliwoci, ktre mog by uyte w danym pooeniu geograficznym.
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 18
Kada z technik moliwych do wykorzystania posiada swoje specyficzne wady i zalety.
Techniki bierne korzystaj z zasobw informacji zgromadzonych wczeniej, dane o rodowisku
elektromagnetycznym oraz sposobie jego wykorzystania uzyskane zostay przy tym bd przez
uprzednie dokonanie stosownych bada empirycznych, bd przez symulacj stanu tego
rodowiska przeprowadzon na podstawie informacji o rozmieszczeniu stacji radiowych
systemu pierwotnego. Du zalet korzystania z tego rodzaju techniki jest moliwo
natychmiastowego odwzorowania stanu rodowiska EM poprzez tworzenie stosownych map
zasigw radiowych, map zajtoci czstotliwoci, uwzgldnienie rozkadu temporalnego
redniego ruchu radiowego, czy wspomnianych wyej dostpnoci (praw do korzystania z
widma) do poszczeglnych pasm czstotliwoci. Wad jest to, e w momencie korzystania z
uprzednio zgromadzonych danych informacje dotyczce stanu rodowiska mog by ju
czciowo nieaktualne, a w przypadku czerpania danych pochodzcych z symulacji (np.
zasigw uytkowych czy zakceniowych stacji systemu pierwotnego lub rozmiarw jego
ewentualnych stref ochronnych) informacje mog by obarczone bdami wynikajcymi z
niedostatecznie precyzyjnie odwzorowanej rzeczywistoci.
W przypadku technik czynnych, ktre polegaj na aktualnym monitorowaniu stanu
rodowiska, kopot pojawia si przy koniecznoci szybkiego i odpowiedniego przetworzenia
wynikw celem natychmiastowego ich wykorzystania w organizacji systemw wtrnych (radia
kognitywnego). Ponadto mog zaistnie problemy zwizane z tym, e systemy monitorujce
(sensingowe) mog nie wykry nadajnikw o zbyt maej mocy, mog nie uwzgldni poziomu
lokalnych zakce przykrywajcych sygnay o niskim poziomie mocy pochodzce od
systemw pierwotnych, czy nierwnomiernoci uksztatowania powierzchni ziemi
maskujcych sygnay systemw pierwotnych odbieranych za wzniesieniami, w kotlinach, na
stokach gr itp. [8].
W przedstawionej poniej Tablicy 1. zawarte s informacje dotyczce potencjalnego
wykorzystania w Polsce rnych zakresw czstotliwoci wyodrbnionych w pasmach VHF i
UHF (wedug podziau obowizujcego w Europejskiej Tablicy Przeznacze Czstotliwoci
ECA) dla potrzeb radia kognitywnego w Europie. Zawarta jest te tam sugestia odnonie
moliwoci rozwinicia systemw radia kognitywnego w wybranych obszarach, terenach, czy
miejscach. Informacje te zostay podane z pewn doz subiektywnoci, gdy bazuj na
dostpnych, posiadanych i skrtowo opisanych powyej wiadomociach. Uwzgldniono tutaj
rwnie moliwo dokonywania agregacji czstotliwoci. Naley jednak raz jeszcze zwrci
uwag na to, e wprowadzenie radia kognitywnego jako systemu wtrnego w przestrze
elektromagnetyczn zajt przez inne systemy radiowe (pierwotne) wymaga dokonania
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 19
szczegowych bada kompatybilnociowych, pozwalajcych na okrelenie szczegowych
warunkw implementacji tego radia. Do warunkw takich zaliczy naley moce nadajnikw,
czuoci odbiornikw, czy separacje odlegociowe i czstotliwociowe. Kryteria
implementacji moliwych systemw radia kognitywnego w zakresie 470 790 MHz
(zajmowanym dotychczas przez systemy radiodyfuzyjne i przeznaczonym na ich potrzeby)
zostay przedstawione w Sprawozdaniu CEPT [7].
Tablica 1. Moliwoci implementacji radia kognitywnego w Europie w rnych zakresach czstotliwoci
(Tre dostpna jest w I o/Wrocaw ul. Swojczycka 38, 51-501 Wrocaw)
Gwne przeznaczenie suby wg Regulaminu Radiokomunikacyjnego
Gwne przeznaczenie wg ECA
Gwne wykorzystanie zakresu w Europie
Uwagi odnonie moliwoci wpro-wadzenia radia kognitywnego
Polecana metoda analizy stanu ro-dowiska EM
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 20
Gwne przeznaczenie suby wg Regulaminu Radiokomunikacyjnego
Gwne przeznaczenie wg ECA
Gwne wykorzystanie zakresu w Europie
Uwagi odnonie moliwoci wpro-wadzenia radia kognitywnego
Polecana metoda analizy stanu ro-dowiska EM
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 21
Gwne przeznaczenie suby wg Regulaminu Radiokomunikacyjnego
Gwne przeznaczenie wg ECA
Gwne wykorzystanie zakresu w Europie
Uwagi odnonie moliwoci wpro-wadzenia radia kognitywnego
Polecana metoda analizy stanu ro-dowiska EM
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 22
Gwne przeznaczenie suby wg Regulaminu Radiokomunikacyjnego
Gwne przeznaczenie wg ECA
Gwne wykorzystanie zakresu w Europie
Uwagi odnonie moliwoci wpro-wadzenia radia kognitywnego
Polecana metoda analizy stanu ro-dowiska EM
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 23
Gwne przeznaczenie suby wg Regulaminu Radiokomunikacyjnego
Gwne przeznaczenie wg ECA
Gwne wykorzystanie zakresu w Europie
Uwagi odnonie moliwoci wpro-wadzenia radia kognitywnego
Polecana metoda analizy stanu ro-dowiska EM
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 24
Gwne przeznaczenie suby wg Regulaminu Radiokomunikacyjnego
Gwne przeznaczenie wg ECA
Gwne wykorzystanie zakresu w Europie
Uwagi odnonie moliwoci wpro-wadzenia radia kognitywnego
Polecana metoda analizy stanu ro-dowiska EM
Sugerowany w Tablicy 1. rodzaj polecanej metody analizy rodowiska EM, ktra
skutkuje podjciem decyzji o moliwoci zastosowania radia kognitywnego wynika gwnie z
uytkowania systemw pierwotnych w danym zakresie czstotliwoci. Najoglniejsza zasada
polega na zastosowaniu informacji o stanie rodowiska uzyskanej z rozlicznych baz danych
oraz wykorzystania np. takiej informacji przy uyciu radiolatarni transmitujcej stosowne dane
w przypadku prb wykorzystania luk w przestrzeni widmowej zajmowanej przez systemy o
do rzadko rozmieszczonych stacjach nadawczych, o strukturze atwej do opisania i
zamknicia jej w bazie danych. W przypadkach, gdy system pierwotny w danym zakresie
czstotliwoci skada si z duej liczby stacji radiowych (szczeglnie nadawczo-odbiorczych) i
moliwe jest jego nierwnomierne zagszczenie, podjcie stosownego dziaania w radiu
kognitywnym skutecznie wspiera bdzie sensing.
Przekazane powyej sugestie odnonie wykorzystania poszczeglnych zakresw dla
potrzeb radia kognitywnego odnosz si do sytuacji czstotliwociowej i do wykorzystania
zasobw widma elektromagnetycznego w chwili obecnej. Naley si te liczy z koniecznoci
prowadzenia koordynacji transgranicznej w przypadkach potrzeb wdroenia systemw radia
kognitywnego w pobliu granic pastwowych.
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 25
2.3 iteratura do rozdziau 2 [1] Akyildiz I.F. et al.: A Survey on Spectrum Management In Cognitive Radio Networks,
IEEE Communications Magazine, April 2008, p. 40 48,
[2] Kronander J. et al.: QUASAR scenarios for white space assessments and exploitation, URSI
EMC conference, Wroclaw, Poland, September 2010, p. 512 516,
[3] Program Wieloletni Rozwj Telekomunikacji i Poczty w dobie spoeczestwa
informacyjnego, Dziaania na rzecz oceny rzeczywistej zajtoci widma elektromagnetycznego
przez radiofoni UKF-FM na terenie Polski, SP IV.2, Pomiary natenia pola fal radiowych w
zakresie UKF-FM na wybranym obszarze Polski, Instytut cznoci, Wrocaw, padziernik
2008,
[4] Rahman M.I., Karlsson J.S., Feasibility evaluations for secondary LTE usage in 2.7-2.9
GHz radar bands, 22 IEEE Personal Indoor Mobile Radio Communications, Toronto, Canada,
September 2011, p. 530 535,
[5] Seventh Framework Programme, SACRA scenario study and system definition, SACRA,
doc. D1.1, 16 July 2010,
[6] CEPT ECC, The European Table of Frequency Allocations and Utilisations in the
Frequency Range 9 kHz to 3000 GHz, ERC Report 25, Lisboa 02 - Dublin 03 - Kusadasi 04 -
Copenhagen 04 - Nice 07 - Baku 08 - Kyiv 09,
[7] CEPT ECC, Technical and Operational Requirements for the Possible Operation of
Cognitive Radio Systems in the White Spaces of the Frequency Band 470-790 MHz, ECC
Report 159, Cardiff January 2011,
[8] Marshall P., Quantitative Analysis of Cognitive Radio and Network Performance, Artech
House, Boston, London, 2010,
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 26
3. Metody estymacji widma czstotliwoci dla zastosowa radia kognitywnego
Wprowadzenie
Wzrastajce zapotrzebowanie na wysok przepustowo bezprzewodowych systemw
komunikacyjnych wynika z przejcia od komunikacji fonicznej do aplikacji multimedialnych.
W tej sytuacji statyczne przydziay czstotliwoci nie zdoaj zaspokoi wymaga
stawianych przez rosnce zapotrzebowanie na szerokopasmowe kanay nowych urzdze.
Radio kognitywne to propozycja wykorzystywania pasm czstotliwoci, ktre nie s w peni
wykorzystywane przez licencjonowanych uytkownikw. Formalna definicja radia
kognitywnego zaadoptowana przez Federalna Komisj Komunikacyjn (FCC: Federal
Communications Commission) okrela:
Radio kognitywne: radio lub system ktry bada (senses) swe otoczenie
elektromagnetyczne i moe dynamicznie i autonomicznie dostosowa swe radiowe
parametry w celu zmodyfikowania dziaania systemu w celu maksymalizacji przepustowoci,
niwelacji interferencji, uatwienia dostpu wtrnych rynkw
Graczami zainteresowanymi systemami radia kognitywnego s
Uytkownik licencjonowany (pierwotny) uytkownik, ktry posiada wyszy
priorytet lub prawne ustalenia na uytkowanie okrelonej czci spectrum
czstotliwoci
Uytkownicy wtrni posiadacze niszych priorytetw, ktrzy mog korzysta z
tego spectrum w taki sposb, by nie powodowa zakce w transmisji pierwotnego
uytkownika
Uytkownicy wtrni winni posiada zdolno radia kognitywnego przede wszystkim do
badania lokalnego spektrum. Badanie spektrum jest zadaniem ostrzegania o zajtoci
spektrum i istnieniu pierwotnego uytkownika w bliskim otoczeniu. Ten cel moe by
osigany poprzez:
Geolokalizacj w poczeniu z dostpem do baz zajtoci spektrum
Niemodulowany sygna ostrzegawczy (beacon) nadawany przez pierwotnego
uytkownika wskazujcy na zajto kanau i pozwalajcy na pomiar natenia jego
sygnau uytecznego
Lokalne badanie spektrum (sensing) przez radio kognitywne
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 27
Badanie spectrum nie sprowadza sie jedynie do pomiaru energii promieniowania w
okrelonym zakresie, ale docelowo zawiera ma rwnie badanie charakterystyk
uytkowania spectrum takich jak czas, obszar, czstotliwo, kody (ortogonalne do kodw
uywanych przez pierwotnego uytkownika), rodzaj sygnau zajmujcego spectrum
(modulacja, nona, pasmo, kt padania promieniowania
Rne scenariusze, dla ktrych wykorzystywane s metody radia kognitywnego,
prezentu je Rys. 1:
Wersja A obrazuje podstawow funkcj takiego systemu: siatka uytkownika wtrnego
dziaajca w zakresie pasma TV rozpoznaje w procesie sensingu wolne kanay i
wybiera dla wasnej transmisji spord speniajcych reguy administracyjne kana o
optymalnej relacji sygnau do szumu i interferencji. Oba systemy znajduj si w
obszarze pokrycia uytkownika licencjonowanego, cho korzystaj z rnych kanaw
transmisyjnych
W scenariuszu B sie uytkownika wtrnego lokalizowana jest poza planowanymi
obszarami pokrycia uytkownikw licencjonowanych. Tym niemniej badanie zajtoci
widma jest w takiej sytuacji wymagane ze wzgldw bezpieczestwa transmisji
uytkownika licencjonowanego, a take ze wzgldu na stosowanie urzdze objtych
ochron, a nie wymagajcych uprzedniej licencji, przede wszystkim mikrofonw
bezprzewodowych
Szkic C obrazuje moliwo wykorzystywania przerw w transmisji uytkownika
licencjonowanego dla transmisji w sieci uytkownika wtrnego. Badanie widma w tej
sytuacji jest priorytetem. Sytuacja taka jest analizowana np. w laboratoryjnej sieci
bezprzewodowej WLAN japoskiego projektu badawczego NTT
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 28
Rys. 1. Scenariusze badania zajtoci widma w pamie TV A. wybieranie wolnego kanau
B. sprawdzanie zajtoci pokrycia C. kontrola przerw w transmisji
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 29
3.1 Czuo metod badania widma. Wymagania
Wymagania na poziomy sygnaw stawiane radiu kognitywnemu w Europie przez
uprawnione organizacje midzynarodowe (raporty ECC) s zblione do danych wczeniej
opracowanych przez komisj FCC w USA. W zwizku z dopuszczeniem radia kognitywnego
do transmisji w pamie telewizyjnym w USA obok wskazania kanaw niedostpnych dla radia
kognitywnego dyrektywa FCC i raporty ECC podaja poziomy sygnaw TV (uytkownika
licencjonowanego), ktre winny by wykrywane w procesie badania widma (sensingu) przez
uytkownika wtrnego. Porwnujc ten poziom z poziomem szumw na wejciu odbiornika
wida, e chodzi o poziomy sygnau uytecznego poniej poziomu szumu. Wyklucza to
moliwo synchronizacji takiego sygnau w odbiorniku uytkownika wtrnego, a wic
rwnie demodulacji i dalszej obrbki pierwotnego sygnau. Badanie wystpowania
pierwotnego sygnau sensing - wymaga stosowania niekonwencjonalnych, nowych metod.
Ten stan ilustruje przykad podany niej.
3.1.1 Wymagane poziomy detekcji sygnaw licencjonowanych
3.1.1.1 Pasmo DTV; sygnay TV
- Sygnay TV wykrywane na poziomie odbieranej mocy: - 114 dBm
- Moc szumu w pasmie 6 MHz - 100dBm
S/ N - 15 dB
W pamie UHF wzmocnienie anten odbiorczych: ~ - 5 do 3 dB
Detekcja sygnau TV wymaga wykrywania sygnaw na poziomie:
S/N - 20 dB
3.1.1.2 Pasmo DTV, sygnay bezprzewodowych mikrofonw
Wykrywanie sygnaw na poziomie odbieranej mocy: - 114 dBm
- Pasmo mikrofonu 200 kHz; dowolna lokalizacja w wolnym kanale TV
Przykad charakterystyki czstotliwociowej bezprzewodowego mikrofonu oraz jego
lokalizacji w kanale TV ukazuj Rys. 2 i 3.
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 30
Rys. 2. Rys. 3
3.1.2 Wymagania sprztowe
Wymagania stawiane sprztowi dla zastosowa radia kognitywnego dotycz:
1. Wysokiej czstotliwoci prbkowania (high sampling rate)
2. Wysokiej rozdzielczoci przetwornikw analogowo-cyfrowych o duym zakresie dynamiki
(high resolution ADC converters with large dynamic range)
3. Procesorw o duej szybkoci przetwarzania (high speed signal processors)
4. Terminale uytkownikw radia kognitywnego winny przetwarza sygnay w zakresie
czstotliwoci znacznie szerszym, ni pojedynczy kana, co implikuje dodatkowe
wymagania stawiane antenom oraz wzmacniaczom mocy. Estymacja w tym zakresie winna
umoliwia ocen:
wariancji szumu (noise variance)
kontrol mocy sygnau (power control)
Badanie widma sygnau moe by realizowane w rnych architekturach:
w wariancie z pojedynczym radioodbiornikiem
Sensing w tum wariancie jest realizowany tylko w okrelonych szczelinach czasowych.
Ogranicza to dokadno oraz obnia przepustowo kanau, lecz jednoczenie
upraszcza konstrukcj i obnia koszty odbiornika
w wariancie z podwjnym radioodbiornikiem
W tym wariancie jedna cz terminala realizuje transmisj, a inna badanie widma.
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 31
Wad takiego rozwizania s zwikszone koszty hardwaru i poboru energii.
3.1.3 Problemy
3.1.3.1 Ukryty uytkownik licencjonowany (hidden primary user).
Problem ukrytego pierwotnego uytkownika jest analogiczny do zagadnienia ukrytego wza w
systemie wielodostpu CSMA (Carrier Sensing Multiple Accessing). Gdy obszary pokrycia
uytkownika pierwotnego oraz urzdze radia kognitywnego s tylko czciowo wsplne, tak,
e sygna uytkownika pierwotnego nie moe by w peni odbierany uytkownik kognitywny
moe rozpocz nadawanie, ktre spowoduje interferencje w transmisji uytkownika
licencjonowanego/ pierwotnego. Metod proponowan dla rozwizania tego problemu jest
wsplne badanie widma (cooperative sensing).
3.1.3.2 Czas trwania oraz czsto badania widma w wersji z pojedynczymi odbiornikami
Optymalny czas badania widma wyznaczony jest przez kompromis midzy utrzymaniem
wysokiej przecitnej przepustowoci uytkownika wtrnego oraz ochron pierwotnego
uytkownika przed interferencj. W systemach OFDM przedzia ochronny miedzy symbolami
jest zastpiony przez przedziay ciszy wykorzystywane dla badania zajtoci spektrum. Czas
badania moe by zmniejszony jeli badaniu poddamy jedynie zmienne czci spektrum
zamiast caego pasma poprzez przemiatanie parametrw adaptowanych do modelu zajtoci
kanau.
By nie przerywa transmisji danych dla badania spectrum zaproponowano metod
dynamicznych skokw czstotliwoci (DFH - dynamic frequency hopping) [32]. Metoda opiera
si na zaoeniu, e do dyspozycji jest wicej ni jeden kana. Podczas pracy w jednym kanale
zajto drugiego jest kontrolowana. Zwolnienie drugiego kanau powoduje przeczenie
kanaw. Punkt dostpowy decyduje o planie przecze i informuje o tym powizane stacje.
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 32
3.2 Koncepcja wsplnego rozpoznawania widma
Wsplne badanie widma przez rnych uytkownikw wymaga dzielenia si informacjami
i wycigania wnioskw z zbioru uzyskanych pomiarw. Optymaln fuzj dla wsplnego
wnioskowania na podstawie zebranych informacji oferuje zasada Chair-Varszneya (the Chair-
Varshney rule), ktra bazuje na rozkadzie logarytmiczno-normalnym.
Wsplne badanie widma ma na celu:
wykrywanie sygnau ukrytych pierwotnych uytkownikw widma
zwikszenie prawdopodobiestwa wykrycia sygnaw z zanikami, czy przesanianiem
(fading, shadowing).
W przypadku sygnaw ultra-szeroko-pasmowych (UWB) wsplne badanie umoliwia
znaczne rozszerzenie zakresu badanego widma w porwnaniu z tylko lokalnymi pomiarami.
Problemy zwizane z wsplnym badaniem to organizacja efektywnej wsplnej komunikacji w
warunkach zwikszonej zoonoci systemu, do czego mona wykorzysta kana dedykowany
lub nielicencjonowane pasmo cznoci.
3.3 Podstawy detekcji sygnau w obecnoci szumu
Zadaniem detekcji jest jedynie stwierdzenie, czy odbierany sygna zawiera sygna
uytkownika licencjonowanego. Decyzja winna by podjta z wysokim prawdopodobiestwem
na zadanym odpowiednio niskim poziomie potencjalnego sygnau do szumu.
Proces detekcji sygnau jest wic testem jednej z dwch hipotez:
Ho: sygna wejciowy jest szumem o zerowej wartoci redniej i okrelonej gstoci
spektralnej w zadanym pamie czstotliwoci
H1: wejciowy sygna to sygna plus szum o wartoci redniej rwnej wielkoci sygnau
Jeli rozkad prawdopodobiestwa w pierwszym przypadku oznaczymy przez fo(s), a w
drugim f1(s), mamy sytuacj przykadowo przedstawion na Rys. 4:
Rys. 4 Pooenie progu detekcji (G) na wykresie PDF szumu oraz sygnau z szumem
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 33
Wystpuj tu prawdopodobiestwa:
Prawdopodobiestwo detekcji szumu, gdy sygnaem wejciowym jest szum ( Po|Ho)
Prawdopodobiestwo detekcji sygnau, gdy sygnaem wejciowym szum. Jest to
prawdopodobiestwo faszywego alarmu (PF|Ho)
Prawdopodobiestwo detekcji szumu, gdy sygnaem wejciowym jest deterministyczny
sygna oraz szum. Jest to prawdopodobiestwo bdnej detekcji (PN|H1)
Prawdopodobiestwo detekcji sygnau, gdy sygnaem wejciowym deterministyczny
sygna oraz szum. Jest to prawdopodobiestwo detekcji (PD|H1)
Poniewa mamy Po + PF =1, oraz PN + PD =1, wic PF i PD wystarczaj do okrelenia
pozostaych wielkoci. Prawdopodobiestwa PF oraz PD te nie s niezalene. Relacje midzy
prawdopodobiestwami PF oraz P1 wyznacza wielko G zwana progiem detekcji lub progiem
faszywego alarmu. Przesuwanie progu G poza obszar wystpowania szumu zmniejsza
prawdopodobiestwo faszywego alarmu, ale rwnoczenie ogranicza prawdopodobiestwo
detekcji sygnau. I vice versa: obnienie progu detekcji zwiksza prawdopodobiestwo
wskazania sygnau, ale rwnoczenie zwiksza prawdopodobiestwo faszywego alarmu.
Wyznaczenie progu decyduje wic o jakoci detekcji sygnau.
Przykadowo w przypadku sygnau szumu o rozkadzie gaussowskim fo(s) z redni
zerow i jednostkow wariancj, oraz sygnaem o rozkadzie Ricea f1(s), z redni rwn
jednoci (wielko sygnau), dla sygnau powyej progu detekcji G mamy:
prawdopodobiestwo faszywego alarmu: prawdopodobiestwo wykrycia sygnau
Wynika std zaleno:
W oglnym przypadku zaleno PD(PF) nosi nazw charakterystyki miernika (ROC -
receiver operating characteristic).
Ustalenie optymalnego progu detekcji wynika z kryterium Neymana-Pearsona mwice o
maksymalizacji prawdopodobiestwa detekcji PD pod warunkiem nie przekroczenia
prawdopodobiestwa faszywego alarmu PF powyej zadanej wartoci up, tj.:
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 34
Dla zadanych gstoci prawdopodobiestw odbioru tylko szumu fo(s), oraz szumu z
sygnaem uytkownika licencjonowanego f1(s) rozwizaniem tak sformuowanego zadania
optymalizacyjnego jest test stosunku wiarygodnoci (LTR - likelihood ratio test):
gdzie spenienie nierwnoci > wyznacza obecno sygnau pierwotnego, a
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 35
Std (suma gaussowskich zmiennych losowych jest gaussowska zmienn losow) w
przypadku hipotezy Ho mamy t ~ N(0,N2), wic:
Analogicznie, w przypadku H1 przyjmujemy t ~ N(N ,N2), wic prawdopodobiestwo
detekcji jest rwne
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 36
3.4 Miernik energii (radiometr)
Wejciowymi danymi miernika energii jest seria prbek sygnau. Po wstpnej filtracji i
wyliczeniu kwadratw amplitud wyliczana jest rednia z ich sumowania. Podstaw
statystycznej detekcji sygnau stanowi rednia po podzieleniu przez znan a priori gsto
mocy szumu.
W zalenoci od liczby prbek, gsto prawdopodobiestwa przetworzonych prbek
bdzie podlega albo rozkadom chi-kwadrat, albo rozkadom Gaussa. Przyjmuje si, e
graniczna liczba prbek dla tych rozkadw jest nie mniejsza ni 250 [6].
3.4.1 Ograniczona liczba prbek
Badanie widma wykorzystujce detektory energii promieniowania (radiometry, periodogramy)
nie wymaga wiedzy na temat sygnau pierwotnego uytkownika. Wystpowanie sygnau jest
rozpoznawane poprzez porwnanie wyjciowej mocy detektora z wartoci progow zalen
od poziomu szumu. Problemy zwizane z t metod to:
ustalenie wartoci progu
brak moliwoci rozrnienia zakce interferencyjnych od sygnau pierwotnego
uytkownika
niska efektywno, gdy relacja sygnau do szumu spada
trudnoci z wykrywaniem sygnaw o szerokim pamie
Detektor mocy sygnau o stosunku SNR poniej -3.3 dB przestaje wiarygodnie pracowa ze
wzgldu na losowy charakter szumu.
Zasada dziaania
Dane wejciowe podlegajce przetwarzaniu to skoczony cig K prbek sygnau.
Zakadajc, e kada z prbek podlega statystyce Gaussa, dla sumy K kwadratw moduw
prbek otrzymujemy przyblienie energii V sygnau. Podlega ona chi-kwadratowemu
rozkadowi z K stopniami swobody. W przypadku szumu jest to chi-rozkad centralny, a w
przypadku wystpowania sygnau uytecznego w szumie mamy chi-rozkad niecentralny z
parametrem rwnym stosunkowi mocy sygnau do szumu
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 37
Proces detekcji jest testem jednej z dwch hipotez:
1. Ho: sygna wejciowy jest szumem o zerowej wartoci redniej i okrelonej gstoci
spektralnej w zadanym pamie czstotliwoci
2. H1: wejciowy sygna to prbki sygnau plus szum o wartoci redniej rwnej
wielkoci sygnau
W kanale B [Hz] w czasie T mona zmierzy 2TB prbek ai (i < 2TB) sygnau y(t).
Zwizek prbek z przebiegiem sygnau okrela twierdzenie Shannona (cile dla i (- , ),
tutaj w przyblieniu zalenym od liczby prbek):
gdzie ak = s(k/2B), sinc(x) = sin(x)/(x).
Podnoszc obustronnie do kwadratu w wskazanym przyblieniu na podstawie tw.
Parsevala dla przedziau jak wyej zachodzi:
y2(t)dt = (1/2B) ai2
Dzielc obie strony rwnoci przez gsto spektraln szumu No otrzymujemy:
(1/No)y2(t)dt = (1/2) ai
2 = (ai/2)2 (*)
Detekcja w czasie T jest testem jednej z dwch hipotez:
Ho: odbieramy tylko sygna szumu. y(t) = n(t) o zerowej wartoci redniej.
Prawa strona rwnoci (*) jest w tym przypadku sum kwadratw gaussowskich zmiennych
losowych o zerowej wartoci redniej i wariancji rwnej jeden.
Jest to wic zmienna losowa o rozkadzie chi-kwadrat z 2TB stopniami swobody
H1: sygna jest suma przebiegu deterministycznego oraz szumu y(t) = s(t) + n(t) o wartoci
redniej rwnej wielkoci sygnau. Odpowiednio prbki wynosz ai = si + ni.
W tym przypadku prawa strona (*) reprezentuje niecentralny rozkad chi-kwadrat z 2TB
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 38
stopniami swobody oraz parametrem niecentralnoci = (si/2)2 = (ai/2)2, czyli
stosunkowi energii sygnau do spektralnej gstoci szumu Es/No.
Podstaw analiz wynikajc z tw. Neymana-Pearsona s dwie wielkoci:
Prawdopodobiestwo faszywego alarmu PF dla zadanego progu G okrelone jako
prawdopodobiestwo przekroczenia progu (wskazuje na wystpowanie sygnau
uytecznego) mimo, e sygnaem wejciowym jest jedynie szum:
PF = prob{V > G|Ho} = prob{K2 > G},
gdzie, K2 oznacza centralny rozkad chi-kwadrat z K stopniami swobody (prbkami).
Prg G okrelony jest przez zadan wielko prawdopodobiestwa PF oraz liczb stopni
swobody rozkadu chi-kwadrat
Prawdopodobiestwo detekcji sygnau uytecznego dla takiego samego progu okrela
formua:
PD = prob{V > VT|H1} = prob{ K2 () > VT},
gdzie K2 () jest niecentralnym rozkadem chi-kwadrat z K stopniami swobody oraz
parametrem niecentralnoci . Parametr niecentralnoci okrelamy z porwnania
statystyki prbek sygnau wejciowego z przebiegiem funkcji rozkadu
prawdopodobiestwa funkcji K2 () dla rnych parametrw niecentralnoci .
Parametr niecentralnoci rwny jest relacji energii sygnau do spektralnej gstoci szumu Es/Nn.
W praktyce zamiast oblicze wykorzystuje si wykresy nomogramw [6] dla uzyskania
wymaganych danych.
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 39
3.4.2 Statystyki Gaussa
W przypadku znacznej liczby prbek, przewyszajcej 250, w miejsce funkcji chi-kwadrat
mona stosowa rozkad Gaussa jako rozkad gstoci prawdopodobiestwa dla testowania
obecnoci sygnau w szumie. Wyliczajc redni oraz wariancj dla sumy kwadratw moduw
prbek traktowanych jako zmienne losowe otrzymujemy odpowiednie rozkady normalne.
Majc rozkady prawdopodobiestwa dla obu hipotez Ho oraz H1 dostajemy std
prawdopodobiestwo faszywego alarmu w funkcji progu detekcji, i odwrotnie: prg detekcji w
funkcji prawdopodobiestwa faszywego alarmu, oraz kolejno prawdopodobiestwo detekcji.
W przypadku braku sygnau pierwotnego (hipoteza Ho) energia sygnau En jest w
przyblieniu rwna sumie kwadratw 2TB statystycznie niezalenych prbek. Dzielc prbki
przez spektraln gsto szumu, z zaoenia znan a priori, otrzymujemy po takiej normalizacji
gaussowskie prbki o wariancji rwnej jeden. rednia warto kwadratw jest wic rwna
jeden, a cznie dla serii prbek mamy 2TB.
Z kolei dla wariancji serii kwadratw
var yi2 = yi
4 2 = 2
Przyjmujc za testowana statystyk relacj energii do gstoci spektralnej szumu,
otrzymujemy prawdopodobiestwo faszywego alarmu
=
w przypadku obecnoci sygnau (H1)
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 40
3.5 Algorytmy rozpoznawania zajtoci widma
Dane wejciowe kadej z metod algorytmicznych stanowi seria prbek sygnau. W zalenoci
od przyjtej metody dalsze przetwarzanie danych przyjmuje rn posta.
3.5.1 Okno przesuwne ( Sliding Window)
Jest to zgrubna metoda dla detekcji sygnau TV. Mona j traktowa jako szczeglny
przypadek metody przemiatania widma. Okno przesuwne ma ksztat [18]:
cos4( fw t)exp (j2 fc t), w przedziale |t| < 1/(2fw)
gdzie sterowana czstotliwo fw okrela szeroko okna, a czstotliwo modulujca fc
wyznacza jego pozycj na skali czstotliwoci.
Dziaanie okna stosowane jest rwnolegle w kanaach skadowych synfazowej oraz
kwadraturowej badanego sygnau. Przed konwersj ADC dla dalszego przetwarzania skadowe
sygnau mog by wzmocnione w wzmacniaczu logarytmicznym, by odseparowa sygna od
szumu.
Okno o mniejszej czstotliwoci fw (szersze okno) i maych krokach przesuwu pozwala
estymowa sygnay w analizowanym pamie z wiksz dokadnoci, ni z wskim oknem i
duym krokiem przemiatania.
Jako stosowania metody okna przesuwnego (SW) w porwnaniu z innymi metodami
sensingu ukazuj wyniki symulacji na wykresach z Rys. 10.
3.5.2 Rozkad spektralny macierzy autokorelacji sygnau Rozkad spektralny macierzy autokorelacji sygnau to zgrubny algorytm w przypadku sygnau
TV. W przypadku bezprzewodowych mikrofonw algorytm prowadzi do analizy szczegowej.
Prbkowany sygna wejciowy przechodzi kolejne operacje:
a) Filtracj cyfrow serii N kolejnych prbek
b) Procedur wygadzania
c) Prostoktna macierz opisujca procedury a) oraz b) po pomnoeniu przez hermitowsko
sprzon daje macierz kwadratow, rozkadan nastpnie na iloczyn dwch macierzy
kwadratowych
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 41
d) Macierz kowariancji wejciowego sygnau poddana jest filtracji i wygadzaniu
e) Rozkad spektralny wygadzonej macierzy kowariancji R(k,l) = {y(k). y(l)*}
f) uszeregowanie wartoci wasnych: max, , min
(dodatnie ze wzgldu na unitarno macierzy kowariancji)
g) Analiza relacji max/ min G
h) Prawdopodobiestwo faszywego alarmu Pfa = P(max > G.min)
Dla zaoonego prawdopodobiestwa faszywego alarmu i okrelonej liczby prbek
wyliczamy prg alarmu. W wersji A: z relacji wartoci wasnych: maksymalnej do minimalnej
okrelamy stan kanau:
gdy relacja wiksza od progu sygna istnieje
gdy mniejsza brak sygnau pierwotnego uytkownika
W wersji B w miejsce maksymalnej wartoci wasnej wylicza si energi odbieranego sygnau
3.5.3 Korelacje czasowe cyklicznego prefiksu CP Korelacja cyklicznych prefiksw (CP) symboli OFDM, ktrych pola w kadym symbolu
si powtarzaj, stwarza moliwo detekcji sygnau o a priori znanych parametrach.
Przedrostek cykliczny CP (cyclic prefix) w symbolach sygnau OFDM suy wypenieniu
przedziaw ochronnych midzy polami uytecznymi symboli gwarantujc cigo sygnau w
zakresie przetwarzania DFT podczas demodulacji. Prefiks CP przenoszony jest z koca pola
uytecznego o dugoci U i umieszczany w przedziale ochronnym, tak wic te czci w kadym
z symboli OFDM s identyczne, cho w rnych symbolach rne. W przypadku radia
kognitywnego, bez moliwoci synchronizacji odbieranego sygnau i braku rozpoznania
pocztku symboli, detekcja cyklicznego przedrostka poprzez funkcj autokorelacji o dugoci T
prbek odpowiadajc jednemu symbolowi rozpoczyna si z dowoln prbk r:
A. Po zsumowaniu funkcji autokorelacji dla N symboli otrzymujemy:
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 42
gdzie K jest liczb uwzgldnionych symboli, a y(n) to odbierany sygna. Wielko ta zawiera
wariancj szumu, ktrej znajomo jest konieczna do testowania sygnau. Ocenie poddawana
jest maksymalna warto funkcji korelacji dla pocztkowej prbki z zakresu od 1 do T:
W przypadku braku sygnau pierwotnego warto funkcji korelacji dla rosncej liczby
symboli K zblia si do rozkadu symetrycznej zespolonej funkcji Gaussa o zerowej wartoci
redniej i wariancji 4/KT, tj. CN(0, 4/KT).
Gdy sygna pierwotnego uytkownika wystpuje w kadej prbce z
prawdopodobiestwem p+, czyli prawdopodobiestwem bdu (1-p+), wwczas po serii KT
prbek - zakadajc niezaleno kolejnych prbek - prawdopodobiestwo faszywego alarmu
wyniesie (PFA probability of false alarm) PFA = (1-p+)KT, lub p- = (1-p+) = PFA(1/KT) .
Dla gaussowskiego rozkadu wartoci funkcji korelacji RCP(n) w rnych punktach startu
prawdopodobiestwo bdu wynosi
p- = exp(-[/]2/ 4/KCP)
Porwnujc oba wyraenia otrzymujemy warto progow prawdopodobiestwa faszywego
alarmu
B. Wariant niezaleny od wariancji szumu
W tym wariancie zaproponowano jako test stosunku wiarygodnoci wielko:
Wielko autokorelacji jest normalizowana przez moc odbieranego sygnau.
Jako testw z pkt A oraz B porwnywana bya poprzez symulacje komputerowe,
ktrych wyniki dla rnych kanaw i parametrw przedstawiaj wykresy z Rys. 6, 7 i 10.
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 43
3.5.4 Korelacja podnonych pilotowych w sygnale DTV rednia w czasie kross-korelacji dwch symboli OFDM bdzie rna od zera, jeli
posiadaj one pilotowe podnone o staym rozkadzie na skali czstotliwoci. Podstawowym
celem rozmieszczenia pilotw jest synchronizacja czasowa i czstotliwociowa oraz estymacja
kanau. W pracy [10] zaproponowano wykorzystanie pilotw rwnie do badania zajtoci
widma sygnau DTV. Kady symbol OFDM zawiera dwa rodzaje pilotw: cige oraz
rozproszone. Rozproszone podnone pilotowe s rozoone co 12 podnonych i przesuwane co
3 podnone w kolejnych symbolach OFDM tworzc siatk powtarzaln co 4 symbole:
podnone
Symbole OFDM
Rys. 5 Pooenie podnonych pilotowych w sygnale cyfrowej TV
W proponowanym algorytmie mona wyrni cztery etapy:
a) Wyliczenie korelacji skonej dwch symboli OFDM oddzielonych w czasie
Prbki czasowe odbieranych symboli OFDM maj posta:
/a1/
gdzie odpowied kanau okrelaj parametry cieek:
/a2/
Wrd symboli modulujcych Xl(k) (k-ta podnona, l-ty symbol) wyrniamy symbole
pilotowe P(s) podnonych pilotowych s. Korelacja skona dwch symboli p i m
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 44
/a3/
prowadzi do sum wyrae, z ktrych po urednieniu pozostaje tylko czon zawierajcy symbole
pilotowe:
/a4/
gdzie P wyznacza zbir podnonych pilotowych, a funkcja rnic faz midzy
symbolami wynikajc z offsetu czstotliwoci nonej. Wariancja korelacji skonej:
/a5/
dla maych wartoci S/N, wskazuje, e uzasadnione jest przyjcie dla R(k,m) przyblienia:
/a6/
b) Kumulacja funkcji R(k,m)
Zachowujc sta rnic |k - m| midzy symbolami mona skumulowa wynik
korelacji Rk.m dla kolejnych M par symboli o ustalonym czasowym rozdziale
/b1/
Biorc pod uwag (a6) otrzymujemy:
/b2/
Lub w skrcie:
/b3/
Wnioski:
rednia warto C(r) jest niezalena od liczby akumulowanych skadnikw R(k,m)
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 45
Wariancja czonu zalenego od szumu w (b2) jest odwrotnie proporcjonalna do Mr
(wpyw szumu jest redukowany z wzrostem Mr)
Sumowanie C(r) dla rnych wielkoci r nie jest moliwe w przypadku offsetu nonej
ze wzgldu na fazowy czon (r) w (b2)
Aby uwolni si od ostatniej zalenoci proponowany jest w [10] kolejny krok.
c) Wprowadzenie liniowej kombinacji iloczynw z pkt (b) dla skumulowanych sum o
dwch rnych rozdziaach czasowych
/c1/
Na podstawie (b3) mamy:
/c2/
/c3/
/c4/
d) Liniowa kombinacja skumulowanych sum Q
Oznaczmy:
/c5/
Wspczynniki tej kombinacji s wybierane w taki sposb, by uzyska najwysza
czuo metody dla ustalonego prawdopodobiestwa faszywego alarmu. W tym celu
przyjmuje si maksymalizacj rnicy rozkadw prawdopodobiestw wystpowania szumu
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 46
oraz sygnau. Za miar rnicy dwch rozkadw prawdopodobiestwa wybrano miar
Kullback-Leibler'a.
Podstaw decyzji jest maksymalna warto liniowej kombinacji z pkt.(c) dla rnych
punktw pocztkowych prbkowania w czasie, w obszarze symbolu OFDM.
Symbole OFDM w sygnale DTV mog zawiera jeden z czterech rozkadw
pilotowych podnonych. Wspln ich cecha jest miedzy-pilotowy odstp rwny czterem
podnonym. Dlatego przyjmujemy w pkt (a) odstp rwny cztery.
Efekty symulacji komputerowych dziaania wskazanej metody analizy korelacji sygnau
OFDM przedstawiaj wykresy z Rys. 7 i 8.
3.5.5 Korelacja obwiedni czstotliwociowej sygnaw (SFD)
A. Przejcie od testu prbek czasowych do testu prbek spectrum
Zakadajc, e sygna pierwotny jest kowariantnie stacjonarnym procesem losowym z
funkcj autokorelacji:
mona test hipotez odnonie obecnoci lub nieobecnoci sygnau pierwotnego uytkownika w
odbieranym cigu czasowych prbek sygnau przenie na test czasowych autokorelacji
odbieranego sygnau:
/a1/
jest wariancj szumu.
Biorc obustronnie dyskretn transformat Fouriera mona std przej do prbek
gstoci spektrum mocy w funkcji czstotliwoci:
/a2/
gdzie .
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 47
Celem detekcji jest rozrnienie midzy obu hipotezami.
Jeli spektrum gstoci mocy pierwotnego uytkownika jest znane a priori w odbiorniku
- w pracy [10] zaproponowano detekcj obecnoci pierwotnego sygnau w sygnale odbieranym
jako test korelacji:
/a3/
/a4/
z progiem decyzyjnym t do ustalenia.
W praktyce w miejsce penej spektralnej funkcji gstoci mocy wykorzystywany jest
periodogram wyliczany dla wartoci wk = 2k/n, gdzie n jest liczb wybranych punktw
charakterystycznych spektrum mocy S(k), dla k = 1, 2, , n :
/a5/
Po wstawieniu periodogramu w miejsce funkcji gstoci spektralnej hipotezy testu (a4)
przyjmuj posta:
/a6/
gdzie tn reprezentuje prg decyzyjny, a testowana jest wielko detektora Tn :
/a7/
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 48
W pracy [10] udowodniono asymptotyczn zbieno testu (a6) dla bardzo maych wielkoci
S/N i rosncej liczby prbek do detektora LTR (likelyhood rato test - test stosunku
wiarygodnoci) do optymalnego w sensie Neymana-Pearsona. Szkic dowodu poniej.
B. Test relacji prawdopodobiestw
W przypadku sygnau telewizyjnego, ktry mona modelowa jako gaussowski
proces stochastyczny o zerowej redniej oraz wariancji z n prbek:
Gdy sygnaem jest tylko szum wariancja jest rwna . Problem testowania hipotez Ho czy
H1 po serii prbek {yk , k=1, 2,,, n}} jest wic rwnowany testowaniu hipotez:
/b2/
Detektor log LRT przyjmuje posta:
/b3/
Po rozwiniciu i przeniesieniu staych czonw do wielkoci progu mamy std logarytmiczny
test stosunku wiarygodnoci LRT:
Dla S/N
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 49
Tak wiec dla niskich wartoci S/N detekcja testu (b4) dla n prbek przybiera form:
Tutaj , gdzie jest progiem detektora optymalnego Neymana-Pearsona.
Jak pokazano w [10], szereg detektorw optymalnych oraz detektorw korelacji
spektralnych Tn dla wzrastajcej liczby prbek n, s zbiene (w sensie normy Hilberta-
Schmidta).
Oznacza to, e detektor spektralny jest asymptotycznie optymalny w sensie Neymana-
Pearsona.
C. Kryteria wyboru punktw charakterystycznych spektrum
Wiedzc, e detektor korelacji spektrum jest zbliony do optymalnego dla bardzo
maych wielkoci S/N mona oceni, dla jakich funkcji spektrum jego wskazania bd
najbardziej wiarygodne, a dla jakich mao skuteczne.
Z definicji Tn w (a7) wynika w przypadku hipotez Ho oraz
H1,
Maksymalizacja rnicy |Tn,1 Tn,0| determinuje jako detekcji. Gsto mocy spektrum
{SX(k)} wypenia ten warunek jeli dla :
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 50
, gdzie ,
osigniemy: maksimum
Warunek ten jest speniony, gdy w spektrum pierwotnego sygnau jedna prbka gstoci
mocy zawiera ca moc sygnau (S = Np.), a pozostae s rwne zero.
Z kolei najgorszy przypadek (minimum rnicy estymatorw) zachodzi w przypadku,
gdy wszystkie prbki s rwne, czyli spektrum paskie , jak w przypadku szumu. Estymator
spektralny w tym przypadku jest nieskuteczny.
D. Estymacja optymalnego progu decyzji (detekcji)
Prg estymacji dla detektora korelacji spektrum (a7) okrela zaoone
prawdopodobiestwo faszywego alarmu. Z kolei prg estymacji decyduje o
prawdopodobiestwa detekcji. Wychodzc z wskazania, e prbki periodogramu SY(k)
podlegaj centralnemu chi-rozkadowi z 2M stopniami swobody 2M2 (dla skadowej
rzeczywistej i urojonej), gdzie M jest liczb podziau prbek czasowych na podgrupy. Warto
redni i wariancj prbek periodogramu okrelaj wzory:
Var{SY(k)} = /M
Rozkad prawdopodobiestwo dla detektora TL proponowany jest poprzez utosamienie
z niecentralnym chi-rozkadem 2M2() (porwnanie wspczynnikw asymetrii oraz
minimalizacja rnicy zrnicowania amplitudy). Poniewa gsto prawdopodobiestwa
podobnie oraz dystrybuanta dla funkcji 2M2() jest znana mona std okreli
prawdopodobiestwo faszywego alarmu dla progu t:
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 51
Wykorzystujc rozkad gstoci prawdopodobiestwa funkcji 2M2() oraz jej dystrybuant
F(x) mamy std prawdopodobiestwo faszywego alarmu w postaci:
Odwrotnie, dla zadanego prawdopodobiestwa faszywego alarmu mona std okreli prg
estymacji. Prg estymacji pozwala z kolei wyliczy prawdopodobiestwo detekcji sygnau
licencjonowanego metod korelacji spektrum czstotliwoci w funkcji liczby prbek oraz
parametru niecentralnoci.
Podstawowe kroki algorytmu:
1. Estymacja progu decyzji:
Dla zaoonego prawdopodobiestwa faszywego alarmu z rozkadu centralnego chi-
kwadrat wyliczamy numerycznie wielko progu decyzji
2. Okrelenie parametrw rozkadu niecentralnego
Zaoenie: rozkad {SY(k)} rozkad niecentralny chi-kwadrat 2M2
Dopasowanie parametrw przez porwnanie wspczynnikw asymetrii oraz
zrnicowania
3. Prawdopodobiestwo detekcji sygnau licencjonowanego::
Numeryczna caka w granicach < G, > z rozkadu prawdopodobiestwa
niecentralnej funkcji chi-kwadrat 2M2
3.6 Porwnanie jakoci proponowanych metod sensingu
Dopuszczenie w USA do wspuytkowania pasma czstotliwoci przyznanego pierwotnie
telewizji dla systemu bezprzewodowego Internetu, czy oglnie radia kognitywnego,
przyczynio si do aktywizacji metod sensingu. Podanie konkretnych poziomw sygnau
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 52
telewizyjnego, powyej ktrego sygna winien by wykrywany pozwolio na analizy
porwnawcze rnych metod.
W zwizku z przechodzeniem z techniki analogowej na cyfrow rwnie w Europie metody
sensingu dla radia kognitywnego w pamie telewizyjnym stay si tematem prac rnych
orodkw badawczych. Niej pokazujemy wyniki bada porwnawczych rnych metod
sensingu.
Oznaczajc:
w2 - wariancja szumu
TU - pole uyteczne (ortogonalne) symbolu OFDM
TG - przedzia ochronny symbolu OFDM
cp,l,k - pozycje pilotowych podnonych (k) w symbolach (l) OFDM
P - moc sygnau pierwotnego
mona zestawi wymagania stawiane apriorycznie poszczeglnym rodzajom detektorw
[8][13]:
Typ detektora Parametry aprioryczne Poj. obliczeniowa
Detektor energii w2 0(n2)
Przesuwne okno w2 , TU, TG 0(n
2)
Analiza spektralna TU, TG 0(n2)
Pilotowe podnone w2 , TU, TG , cp,l,k, P 0(n
2)
Korelacje 2-go rzdu w2 , TU, TG 0(n
2)
Korelacja spektrum TU 0(n log2n)
Gdy znana jest wariancja szumu detektorem optymalnym w sensie Lehmana-Pearsona
jest detektor energii, ktrego zoono obliczeniowa wynosi 0(n2). Na podstawie symulacji
komputerowych [12] mona oceni prawdopodobiestwo bdnego odczytu tego detektora w
stacjonarnym kanale AWGN na 10-4 dla S/N > - 18 dB dla czasu prbkowania 48 ms.
A. W zastosowaniu do sygnau pierwotnego cyfrowej TV z modulacja OFDM
porwnanie dziaania metod sensingu:
detekcji energii (ED energy detector)
autokorelacji (AC)
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 53
przesuwnego okna w celu wykrycia cyklicznego prefiksu (CPa- gdy badane maksimum
moduu, CPr- gdy maksimum czci rzeczywistej). Progi detekcji metody wyznaczane
empirycznie
IFFT pilotw (PTa, PTr , oznaczenia jak wyej)
poprzez symulacje komputerowe przeprowadzono w pracy [9]. Sygnaem odbieranym by
sygna DVB-T w pamie 8 MHz, modulacja 16-QAM, symulowano kanay AWGN, Rayleigha,
Riciean. Rozpatrywano trzy scenariusze z rnymi parametrami. Wyniki przedstawiaj
wykresy z Rys. 6:
Zaleno prawdopodobiestwa detekcji od stosunku S/N dla testw: PTr korelacja czasowa pilotw z sygnaem. (sumowane czci rzeczywiste skadnikw) PTa korelacja czasowa pilotw z sygnaem. (sumowane moduy skadnikw) CPr autokorelacja czasowa sygnau. (sumowane czci rzeczywiste skadnikw) CPa autokorelacja czasowa sygnau. (sumowane moduy skadnikw) ED detektor energii (Energy Detektor) AC detektor autokorelacji
Scenario III: sensing time: 50 ms DVB-T Signac mode: 2K false alarm probabilisty: Pfa = 0.05 channel: Rician, K = 1
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 54
Przedstawione wyniki wskazuj, e algorytmy wykrywania cyklicznego prefiksu oraz
autokorelacji dziaaj praktycznie z podobnym rezultatem. Najlepiej dziaaj algorytmy
korelacji pilotw, cho kosztem zwikszonej zoonoci obliczeniowej. Okazuje si, e
analizowanie czci rzeczywistej korelacji daje nieco lepsze wyniki, ni badanie rnicy
moduw. Najlepsze rezultaty daje estymacja energii, naley jednak bra pod uwag, e jej
wyniki silnie zale od znajomoci wariancji szumu.
B. Analiza dziaania metody korelacji cyklicznego przedrostka (CP) oraz korelacji czasowej
pilotowych podnonych symboli OFDM w sygnale TV (TDSC- time domain symbol cross-
correlation) przeprowadzona zostaa w pracy [10]. Wyniki ilustruje Rys. 7:
PFA = 0.01, dugoc CP =1/4,
okres sensingu = 50 ms
PFA = 0.01, dugoc CP =1/32, okres sensingu = 50 ms
Rys. 6 Porwnanie wynikw symulacji rnych detektorw dla kanaw AWGN, Riciego, oraz Rayleigha z wskazanymi parametrami [9]
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 55
PFA = 0.01, dugoc CP =1/8,
okres sensingu = 50 ms
PFA = 0.01, dugoc CP =1/16,
okres sensingu = 50 ms
Prawdopodobiestwo detekcji PD = 1 PMD, gdzie PMD prawdopodobiestwo bdnej
detekcji (ang. miss-detection), Wyniki symulacji wskazuj, ze stosujc metod TDSC mona
osign prawdopodobiestwo bdnej detekcji o.1 dla SNR= -20.5 dB dla kadej a
wskazanych dugoci przedrostka cyklicznego. Generalnie metoda TDSC przewysza
skutecznoci metod korelacji przedrostka CP. w kadym z wskazanych przypadkw: o 2 dB,
gdy dugo CP wynosi dugoci pola uytecznego , oraz o 6 dB, gdy CP ma dugo 1/32
tego pola. Metoda TDSC nie zaley od dugoci pola CP tak wyranie, jak metoda korelacji CP.
Metoda sensingu TDSC jako obiecujce praktyczne rozwizanie bya niezalenie
badana poprzez symulacje komputerowe w Instytucie Komunikacji Uniwersytetu
Hanowerskiego w wsppracy z autorami algorytmu z USA [11]. Pierwszy z wykresw z Rys.
8 wskazuje zaleno sensingu od metody modulacji, na drugim zwizek wynikw sensingu z
niepewnoci poziomu szumu (NU Noise Uncertainty) wynikajcego z zmian temperatury
czy bdw kalibracji.
CP = Cyclic Prefix, TDSC Time-Domain Symbol Cross-correlation
Rys. 7 Porwnanie prawdopodobiestwa bdnej detekcji PMD dla detektora korelacji cyklicznego przedrostka (CP) oraz kross-korelacji czasowej symboli (korelacja pilotowych podnonych) dla kanaw
AWGN, Rayleigha oraz Ricea [10].
Raport Z21/21300021/1477/11 Instytut cznoci, Wrocaw 56
Metoda TDSC dla DVB-T, PFA = 0.01, time =50 ms
Metoda TDSC dla DVB-T, PFA = 0.01, time =50 ms
TDSCNP : Time-Domain Symbol Cross-correlation (Neyman-Pearson test) TDSCMRC : Time-Domain Symbol Cross-correlation (Maximal Ratio Combining test)
Rys. 8 Porwnanie prawdopodobiestwa bdnej detekcji PMD dla detektora kross-korelacji czasowej
symboli (korelacja pilotowych podnonych) dla staego rozstawu symboli (NP), oraz rnych rozstaww (MRC) [11]. Prawdopodobiestwo detekc