Metody badawcze słu Ŝą ce opracowaniu standardów i wdro ... · Współczesna telekomunikacja coraz cz ęściej wykorzystuje techniki radiowe aby zapewni ć ł ączno ść, dost

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


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


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


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


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


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.


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


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


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


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


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]


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


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]


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,


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


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.


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


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































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.


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,


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


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


Rys. 1. Scenariusze badania zajtoci widma w pamie TV A. wybieranie wolnego kanau

B. sprawdzanie zajtoci pokrycia C. kontrola przerw w transmisji


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.


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.


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.


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


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.:


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


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


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


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


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.


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)


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


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:


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.


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


/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)


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


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 .


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/


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


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 :


, 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:


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


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)


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


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]


PFA = 0.01, dugoc CP =1/8,


PFA = 0.01, dugoc CP =1/16,


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].


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

Documents

Metody badawcze słu Ŝą ce opracowaniu standardów i wdro ... · Współczesna telekomunikacja coraz cz ęściej wykorzystuje techniki radiowe aby zapewni ć ł ączno ść, dost