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1、认知无线网络中多用户协作通信关键技术,郑宝玉,南京邮电大学,信号处理与传输研究院,2010，11，19,1.面临的挑战和发展需求,提要:,3.我们的研究成果,2.新兴的无线通信技术,1.面临的挑战和发展需求,提要:,3.我们的研究成果,2.新兴的无线通信技术,3G的演进(LTE)和发展4G的研究和标准化无线移动通信行业的自主知识产权无线移动通信行业的规模和市场,新一代宽带无线移动通信的研究开发,现有的电信网络 将来的IP移动网络 网络结构扁平化，BTS功能化，现有的几兆速率 将来的几拾上百兆速率 高效调制与编码，信道准确估计的自适应,现有的集中处理 将来的分布处理 MIMO技术，Mesh技术，
2、现在的单发业务 将来的多发业务 视频业务，游戏业务，多播业务，,3G的长期演进-LTE,从技术上来说很多方面与LTE没有什么区别，但仔细研究，两者的目标和重点还是不同 一个更多从技术考虑，一个更多从应用考虑拓展频谱资源，支持将来上千兆速率需要接纳创新建议，评估将来可用方法和技术关注应用环境，讨论将来信号功率新规范,ITU推动的4G研究,1.面临的挑战和发展需求,提要:,3.我们的研究成果,2.新兴的无线通信技术,Cognitive wireless network,2.新兴的无线通信与信号处理技术,Cooperative communication,Compressive sensing,Co
3、gnitive wireless network,2.新兴的无线通信与信号处理技术,Cooperative communication,Compressive sensing,简介,研究热点,应用,认知无线电 是在软件无线电在适应多频段多制式的技术应用发展过程中，采用频段扫描和信号识别等技术，检测和感知已分配频段的应用状况，从而临时借用空闲频段进行通信的技术，以应对频谱紧缺问题。,Cognitive radio,Joseph Mitola：提出RKRL语言、感知循环等术语FCC：感知能力，识别捕获无线电环境的时空变量；选择最好的频谱和最合适的操作参数；Simon Haykin和Thomas：强
4、调可重配置能力(自适应性)即指无线电根据无线环境变化动态编程的能力；CR其他代表人物：I.F.Akyildiz,Y.Li,认知无线电定义,Simon Haykin 提出的认知环,Cognitive Radio,Main Objectives:Spectrum Sensing:detecting the unused spectrum and sharing it without harmful interference with other users.detecting primary users is the most efficient way to detect spectrum ho
5、les Spectrum sensing techniques can be classified into three categories:Transmitter detectionCooperative detectionInterference based detection.Spectrum Management:Capturing the best available spectrum to meet user communication requirements.Spectrum Mobility:is defined as the process when a cognitiv
6、e radio user exchanges its frequency of operation Spectrum Sharing:providing the fair spectrum scheduling method,认知无线网络 可在不影响主用户(PU)通信的前提下，利用信号处理方法，智能地利用大量空闲频谱，以满足次用户(SU)即认,Cognitive wireless network,知用户的可靠通信，从而实现频谱资源共享，提高无线频谱的利用率。,Cognitive Radio,自适应频谱 分配技术,动态信道分配技术,频谱分析技术,频谱感知,功率控制,关键技术,Cognitive
7、wireless network,2.新兴的无线通信与信号处理技术,Cooperative communication,Compressive sensing,简介,研究热点,应用,协作频谱感知技术 1）频谱感知算法分类 2）基于中继选择的多用户协作感知,认知无线网络研究热点,认知无线网络的协作通信技术 1）协作分集原理及优点 2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）,RMT在认知无线网络中的应用 1）RMT简介 2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知 3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知,21,认知无线电最重要的挑战:如何共享注册频段而不干扰其他注册用户的传输。在动态频谱
8、接入时CR使用时间、空间、频域上未用的频谱。,频谱空洞,频谱感知算法分类,协作频谱感知优点,抵消单个认知用户独立检测所可能引起的不准确因素 提高主用户的检测精度，减少感知时间,协作频谱感知模型,两个阶段：感知（Sensing）和报告（Reporting）,协作频谱感知技术 1）频谱感知算法分类 2）基于中继选择的多用户协作感知,认知无线网络研究热点,认知无线网络的协作通信技术 1）协作分集原理及优点 2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）,RMT在认知无线网络中的应用 1）RMT简介 2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知 3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知,26,基于
9、中继选择的多用户协作感知,(a)多用户网络频谱感知的系统模型(b)协作节点时隙分配图,基本思想：提出一种基于放大转发最佳协作中继选择的多用户协作频谱感知方案(MCSS)，其系统模型与协作节点时隙分配如图所示。,代表作：K.B.Letaief etc.Cooperative communications for cognitive radio networksPIEEE 2009 97(5),27,不同发射信噪比下MCSS方案的检测性能,不同虚警概率下MCSS方案的检测性能,数值结果,协作频谱感知技术 1）频谱感知算法分类 2）基于中继选择的多用户协作感知,认知无线网络研究热点,认知无线网络的协
10、作通信技术 1）协作分集原理及优点 2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）,RMT在认知无线网络中的应用 1）RMT简介 2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知 3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知,产生原因：无线信道具有的多径衰落阻碍了信道容量增加和服务的质量改善。原理：通过多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构造“虚拟多天线阵列”经分布式处理产生协作来获得一定的空间分集增益,协作分集,协作分集的优点,提升系统容量增大数据传输速率有效对抗衰落降低系统的服务中断概率提高系统的服务质量和可靠性,协作频谱感知技术 1）频谱感知算法分类 2）基于中继选择的多用户协作感知,认知
11、无线网络研究热点,认知无线网络的协作通信技术 1）协作分集原理及优点 2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）,RMT在认知无线网络中的应用 1）RMT的定义 2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知 3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知,协作分集在认知无线网络中的应用,当主用户QoS要求很高时，往往次用户的数据吞吐能力将明显下降，以致无法满足很多无线业务的通信要求，因此通过次用户间的协作传输提高通信性能显得尤为重要。优势：通过次用户间或主次用户间的相互协作，可以使整个系统获得空间分集和频率分集。同时提高主次用户的网络容量和鲁棒性 代表作：-QIan Zhang etc.Co
12、operative relay to improve diversity in cognitive radio networks,IEEE CommMag.2010.2,协作分集在认知无线网络中的应用,应用场景,性能分析（有效传输时间）,不同发射信噪比下非协作传输方案和AF_OCT方案的传输时间的比较,不同虚警概率下，非协作传输方案和AF_OCT方案的传输时间增益的比较,性能分析（平均误比特率）,认知无线网络中，感知用户的BER随虚警概率的变化曲线,性能分析（中断概率）,认知无线网络中非协作传输和AF_OCT方案，中断概率随平均信干噪比的变化曲线,协作频谱感知技术 1）频谱感知算法分类 2）基
13、于中继选择的多用户协作感知,认知无线网络研究热点,认知无线网络的协作通信技术 1）协作分集原理及优点 2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）,RMT在认知无线网络中的应用 1）RMT简介 2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知 3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知,以随机变量为元素的矩阵 渐近谱理论（Asymptotic Spectrum Theory）自由概率理论（Free Probability Theory）副本方法（Replica Method）,随机矩阵的定义及理论分支,39,目前，随机矩阵理论（RMT）已广泛应用于无线通信领域，如：信道容量分析、阵列信号处理、
14、接收机性能分析、通信系统设计等的各个方面，应用前景十分广阔。我们致力于将RMT 与认知无线网络结合起来，运用RMT最新成果研究认知无线网络中的关键问题协作频谱感知及性能分析。,基于RMT渐近谱理论的协作频谱感知,协作频谱感知技术 1）频谱感知算法分类 2）基于中继选择的多用户协作感知,认知无线网络研究热点,认知无线网络的协作通信技术 1）协作分集原理及优点 2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）3）分布式频谱感知与协作传输,RMT在认知无线网络中的应用 1）RMT简介 2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知 3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知,41,算法原理：利用渐近谱
15、理论中随机矩阵渐近特征值分布情况进行判定，当渐近特征值分布超出渐近分布范围，判定信号存在。,基于RMT渐近谱理论的协作频谱感知,42,基于RMT渐近谱理论的协作频谱感知,算法判别阈值有效性分析,新算法与能量检测算法性能比较,仿真结果：,协作频谱感知技术 1）频谱感知算法分类 2）基于中继选择的多用户协作感知,认知无线网络研究热点,认知无线网络的协作通信技术 1）协作分集原理及优点 2）性能分析（有效传输时间、平均误比特率、中断概率）3）分布式频谱感知与协作传输,RMT在认知无线网络中的应用 1）RMT简介 2）基于随机矩阵渐近谱理论的协作频谱感知 3）基于随机矩阵自由概率理论的协作频谱感知,4
16、4,基于RMT自由概率理论的协作频谱感知,原理：自由概率理论可以从矩阵和或乘积的特征值中提取出每个矩阵的各自的特征值，反之亦然。这是经典数学做不到的。方法：利用自由概率理论中自由解卷积从信号噪声混合矩阵的特征值分布中精确提取功率矩阵矩阵特征值分布（信号能量）。若信号功率矩阵极限特征分布矩阵是非零矩阵，判定信号存在。,45,新测算法与能量检测性能比较,达到相同感知正确率时所需功率比较,仿真结果：,基于RMT自由概率理论的协作频谱感知,46,基于RMT的优点：感知性能高 收敛速度快 不需要估计噪声方差 易于扩展,基于RMT的协作频谱感知,Cognitive wireless network,2.新
17、兴的无线通信与信号处理技术,Cooperative communication,Compressive sensing,简介,研究热点,应用,认知无线电应用,Cognitive Radio,动态频谱接入DSA,公共频谱租借、动态频谱共享,WLAN、UWB 和无线Mesh等无线网络,同一区域多个无线系统的场景,无线区域网WRAN、乡村市场、未注册设备,目标市场：政府部门，管理机构，军事和商业领域,Cognitive wireless network,2.新兴的无线通信与信号处理技术,Cooperative communication,Compressive sensing,简介,研究热点,应用,
18、协作通信是基于用户和站点间单一直接通信困难情况下，借助邻近周边用户或站点中继、协同与分集，实现可靠传输的通信。,Cooperative communication,编码协作放大转发译码转发,协作中继类型,Cognitive wireless network,2.新兴的无线通信技术,Cooperative communication,Compressive sensing,简介,研究热点,协作中继技术,无线网络中的基站协作(如CoMP),研究热点,无线网络的协作中继,认知中继,Cognitive wireless network,2.新兴的无线通信技术,Cooperative communica
19、tion,Compressive sensing,简介,研究热点,协作中继技术,协作中继技术,分布式空时编码协作多用户协作通信中的资源分配协作通信中的最佳中继选择双向中继,协作中继技术,分布式空时编码协作多用户协作通信中的资源分配协作通信中的最佳中继选择双向中继,多用户协作MIMO中分布式STBC特点：1）DSTBC的多发射天线属于不同协作节点；2）DSTBC的发射天线（源与中继节点之间）存在链路衰耗；3）由于存在时延，源和中继的信号到达目的端不同步，接收端需采用载波相位估计和符号时延估计以最小化异步传输误差。,分布式空时编码协作,分布式Alamouti空时分组码传输时隙结构,分布式VBLAS
20、T时分信道,不同节点数与不同调制方式下D-STBC的BER性能,分布式STBC与分布式VBLAST性能比较,协作中继技术,分布式空时编码协作多用户协作通信中的资源分配协作通信中的最佳中继选择双向中继,多用户协作通信中的资源分配,两协作节点采用AF/SDF协议的系统容量,AF/SDF协议下最优/平均功率分配时的中断性能,多用户协作通信中的资源分配,对称协作MIMO中信源功率分配比与SER关系,对称协作MIMO中最优/平均功率分配与DSTBC性能比较,协作中继技术,分布式空时编码协作多用户协作通信中的资源分配协作通信中的最佳中继选择双向中继,基于最佳协作机制和跨层设计思想，在理论上推导出了基于放大
21、重传和基于解码重传下最佳协作中继的选择准则，有效地解决了协作中继的选择问题。,协作通信中的最佳中继选择,多用户协作网络中最佳中继选择系统模型,RCPC协作传输方案框图,基于AF的不同中继选择准则性能比较,基于DF的不同中继选择准则性能比较,协作中继技术,分布式空时编码协作多用户协作通信中的资源分配协作通信中的最佳中继选择双向中继,双向中继,双向中继是指一对采用半双工方式的通信用户，同时进行信息的发送和接收来完成彼此之间信息互通的通信方式。,传统的单向中继,双向中继,对于两个无直达链路的用户A和B，通过中继R进行信息的交互，传统的单向中继需要占用4个时隙。从而频谱利用率不高。,采用叠码的双向中继
22、,在第3个时隙，中继R将A和B的信息采用重叠编码后，再广播给A和B。此时，只需要3个时隙即可完成一次信息的交互。但采用叠码使得系统的功率效率下降。,双向中继,采用网络编码的双向中继,双向中继,由于采用网络编码，A和B在第1个时隙同时进行信息的发送（等价为MAC信道），在第2个时隙，R将网络编码信号广播给A和B（等价为BR信道）。此时，只需占用两个时隙，频谱效率提高，功率效率也未损失。,例：R解码出A和B的信息后，将两者进行异或运算，再广播给A和B,基于网络编码的双向中继技术可以显著提升网络吞吐量和频谱利用率，已成为无线协作通信的重要分支。,基于模拟网络编码（ANC）的双向中继技术基于MAC网络
23、编码的双向中继技术基于信道编码和调制映射的物理层网络编码双向中继技术基于MIMO和空时编码的双向通信技术认知双向中继技术,目前研究的热点问题有：,双向中继最佳中继选择：根据某种准侧，在一组可选中继集合中选择一个“最佳”中继，进行双向信息传输。,双向中继,四种中继选择策略,双向中继,随机选择,最大最小准则（max-min）,随机的选取第k个中继,选择具有最大最小信道增益的中继,双向中继,选取具有最大信道增益和的中继,选择具有最大调和信道增益的中继,最大和准则（max-sum）,最大调和准则（max-hms）,中断性能比较,双向中继,从中断性能上来讲“最大调和准则”具有优势,Cognitive w
24、ireless network,2.新兴的无线通信与信号处理技术,Cooperative communication,Compressive sensing,简介,原理,应用,76,Compressed Sensing(CS),压缩感知又名压缩采样，是一种新的数据获取方法。它采用非自适应线性投影来保持信号的原始结构，以远低于奈奎斯特频率对信号进行采样，通过数值最优化问题准确重构出原始信号。压缩感知的基本思路：从尽量少的数据中提取尽量多的信息。,(a)传统采样,(b)压缩采样,传统采样与压缩采样,含义：用信息采样（用远低于奈奎斯特频率的观测频率作全局观测)代 替信号采样（以略高于奈奎斯特频率的采
25、样率进行局部采样）用少量观测点(观测值)即可精确重构原始信号关键：观测矩阵设计 信号恢复算法,78,CS的特点,能够在采样的同时实现数据的压缩(即采样和压缩同步进行)以增加计算来换取采样的减少编译码计算量不对称编码简单译码复杂,CS重要理论、数学基础与应用,CS定义(边采样，边压缩，不受奈氏采样率的压制)CS理论基础（RIP,BP-OMP,RP,SR,SS(Samp),SBSS,SCA）-SR(SparsRep,SparsRecov,SparsRecon,SparsRegular)CS数学问题（欠定UD,超定OD,过完备OC,NMF,SVD(EVD),RM,ML,调和分析HA,Nonconve
26、xOpt)CS应用问题（语音图像处理DSC,DVC;通信信号处理CFRadar,医学信号处理(MRI)）CS与InvProb(反问题)&ill-PosedProb(不适定问题),CS代表作,1、重要贡献者:Candes-Romberg-Tao;Donoho-Tanner,Baraniuk,DeVore,Elad,Eldar,Rauhut,Blumensath,GribonvalE.Cands and T.Tao,”Decoding by linear programming”IEEE Trans.on Information Theory,51(12),pp.4203-4215,Decembe
27、r 2005E.Cands,J.Romberg,and T.Tao,”Robust uncertainty principles:Exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information,”IEEE Trans.on Information Theory,52(2)pp.489-509,Feb.2006.D.Donoho,”Compressed sensing,”IEEE Trans.on Information Theory,52(4),pp.1289-1306,Apr.2006.E.Cands and
28、M.Wakin,”An introduction to compressive sampling,”IEEE Signal Processing Magazine,25(2),pp.21-30,Mar.2008.2、重要参考文献：spm200803,jstsp201002,pieee201006,Cognitive wireless network,2.新兴的无线通信与信号处理技术,Cooperative communication,Compressive sensing,简介,原理,应用,82,传统的数据获取方法:采样,香农-奈奎斯特采样定理,对一个带限信号 x(t)进行采样，若要保证能够不
29、失真重建，采样率必须满足,83,传统的数据压缩,MP3,JPEG,JPEG200,MPEG,个最大系数,接收,解压,采样,压缩,发送/存储,个采样,采样后再压缩！,84,稀疏信号,最大系数,基函数,变换系数,数字信号通常具有稀疏性音频:MP3,AAC 10:1 压缩图像:JPEG,JPEG2000 20:1 压缩视频:MPEG2,MPEG4 40:1 压缩,85,稀疏信号 II,基函数,变换系数,N-像素 图像,86,定义&表示,N=信号 x的长度K=x的稀疏度 或者 将x称为K-稀疏信号 M=测量个数(采样个数),87,压缩感知框架,编码:对非相干基进行线性映射获得 M个测量 y,解码:通过
30、非线性规划由测量 y 重建稀疏信号 x,压缩测量,仅有 K 个非零元素,88,编码端:信号测量,每个测量 y 含有每个x采样的少部分信息,y是非稀疏的,可以看作是 iid,随机 映射 具有良好 的性能!,测量&稀疏矩阵必须是非相干的,89,解码端:信号重建,由压缩测量 y 重建 x 没有稀疏假设，上述问题是欠定的若有稀疏条件,L0范数最小问题是是定的，但是NP hard问题在稀疏条件下,L1范数最小化问题可以通过线性规划来解决 基追踪!,90,非相干基:定义,假设信号在某个变换域 下是稀疏的,通过正交感知矩阵 获取 K 个测量,定义:和 之间的相干系数,T,91,非相干基:性质,相干系数的界:
31、,当 很小时，我们认为两个基是非相干的,直觉:当两个基非相干时，每个测量将包含更多原始信号信息。因此，我们希望小的 值。,非相干基范例:,DFT 和单位阵:,Gaussian(Bernoulli)矩阵和任何其它基:,92,非相干基的普适性,高斯随机白噪声矩阵与任何固定正交基不相干如果信号在频域具有稀疏性，则稀疏矩阵为乘积 也是高斯白噪声矩阵!,93,约束等距(RIP)条件,能够精确重构的充要条件:所有的子矩阵 包含 个近似正交的列,个非零元素,94,CS重建:匹配追踪(MP),问题基追踪贪婪法 迭代算法在每次迭代中，找出A中与 非零元素对应的原子（列）。,y,A,95,set residual
32、 vector,selected index set Find index yielding the maximal correlation with the residue Augment selected index set:Update the residue:,and stop when,匹配追踪(MP),MP:每次迭代选取波形库中与残差信号最匹配(相关系数最大)的原子来近似残差。,t=K,96,正交匹配追踪(OMP),OMP:保证残差与已选原子正交，并且所有原子只会被选择一次。,set residual vector,index set Find index that yields
33、the maximal correlation with residue AugmentFind new signal estimate by solving Set the new residual:,and stop when,t=K,97,SP:在搜索子空间的整个过程中信号始终存在，并且 增加了回溯机制。,Initialization Selected set Signal estimateResidue,go to Step 2;stop when residue energy does not decrease anymore,子空间追踪(SP),Cognitive wireless
34、 network,2.新兴的无线通信与信号处理技术,Cooperative communication,Compressive sensing,简介,原理,应用,99,CS的应用,图像采集 医学图像处理 遥感图像处理生物传感,Analog-to-Information 稀疏信号处理稀疏信道估计无线通信中的有限压缩反馈,1.面临的挑战和发展需求,提要:,3.我们的研究成果,2.新兴的无线通信技术,101,我们的研究成果,本团队在国家863和国家自然科学基金等项目的支持下，取得了一系列创新成果，近三年在国内外权威刊物及重要国际会议上发表高水平学术论文100余篇，其中国际权威刊物20余篇，SCI检索
35、20余篇，EI检索80余篇；申请专利20余项，已授权专利6项；培养博士30余名；在国内外学术界有较大影响，在南京邮电大学有明显的学科引领作用。,102,部分论文,Yulong Zou,Baoyu Zheng and Wei-Ping Zhu.“An opportunistic cooperation and its BER analysis”,IEEE Transactions on Wireless Communications.vol.8,no.9,pp.4492-4497,2009.Liang Zhou,Baoyu Zheng,Benoit Geller,Anne Wei and Jin
36、gwu Cui.“Joint QoS control for video streaming over wireless multi-hop networks:A cross-layer approach”,AEU-International Journal of Electronics and Communications,vol.63,no.8,pp.638-647,2009.Yulong Zou,Baoyu Zheng and Jia Zhu.“Outage analysis of opportunistic cooperation over Rayleigh fading channe
37、ls”,IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.8,no.6,pp.3077-3085,2009.,103,Yulong Zou,Baoyu Zheng and Wei-Ping Zhu.“An opportunistic cooperation and its BER analysis”,IEEE Transactions on Wireless Communications.vol.8,no.9,pp.4492-4497,2009.Lei Wang,Baoyu Zheng and etc.,“Spectrum Sensing for Multiuser Network Based on Free Probability Theory,”IEICE Trans on Comm.vol.E93-B,no.01,pp.65-72,2010.Lei Wang,Baoyu Zheng and etc.,“Cooperative Spectrum Sensing Based on Random Matrix Theory,”IEICE Trans on Comm.vol.E93-B,no.06,pp.65-72,2010.,部分论文,Thank you,
