认知无线电频谱感知及基于感知的频谱共享研究

摘要

随着无线通信技术的发展和无线应用的迅速增长,绝大部分适合无线传输的频谱已被分配完毕,所剩频段实际应用价值不大。认知无线电技术成为解决频谱资源稀缺的重要手段。其核心思想是:以频谱感知和识别为基础,在不对授权用户产生实质性干扰的前提下,认知用户以恰当的模式在空闲频谱上进行机会接入与通信,从而实现频谱复用与共享。本文从认知无线电物理层频谱感知,MAC层频谱感知和基于感知的频谱共享等方面进行了深入研究。本文主要工作如下:
　　 阐述了认知无线电产生的背景、概念和功能。以干扰温度和频谱感知为基础,描述了频谱共享和管理的相关问题。从理论进展、标准化进程和应用前景方面对认知无线电的研究现状作了归纳和总结。
　　 对认知无线电频谱感知算法做了简要概述,提出了一种基于谱熵的频谱感知算法,并对其性能进行了分析和仿真。该算法以略增计算复杂度为代价,提高了在低信噪比情形下的检测性能,达到了效益和性能的均衡。
　　 提出了一种基于两轮合作的频谱感知方法。单个次用户的频谱感知易受多径衰落和阴影影响而不可靠。利用多用户分解和空间分集,合作感知可明显改善感知性能。主要研究了如何在报告信道带宽有限的约束下实现有效的合作频谱感知。从而达到感知性能和合作开销的均衡。
　　 提出了适用于ad hoc认知网络的一种基于簇的活动感知方法,利用相邻簇中的非活动次用户协助活动次用户完成频谱感知。这种方法充分发挥了ad hoc网络传输的局部性,虽然簇边界节点的干扰和影响是无法消除的,但研究表明,只要选择合适的簇尺寸,由此带来的虚警现象是完全可以接受的。我们通过不同的次用户位置分布模型验证了该算法的性能。
　　 多天线技术被广泛用于提高系统容量和控制不同用户之间的干扰。在认知无线电中,MIMO系统为次用户共享授权频谱提供了新的可用维度。提出了一种基于空时频谱感知的频谱共享策略:先对主用户频谱进行时域感知,如果主用户不存在则立刻进行认知通信,否则根据感知结果调整波束方向和发射功率,以尽量减小对主用户的干扰。最后以预编码矩阵为优化参数,最小均方误差为优化目标,得到了最优的预编码策略。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 软件无线电技术

1.3 认知无线电概述

1.3.1 认知无线电的功能

1.3.2 干扰温度

1.3.3 频谱感知

1.3.4 频谱分配与共享

1.4 认知无线电研究进展

1.4.1 认知无线电研究的理论进展

1.4.2 认知无线电技术的标准化进展

1.4.3 认知无线电的应用场景

1.5 本文的研究工作

2 基于谱熵的主用户检测算法

2.1 认知无线电频谱检测

2.2 基于谱熵的频谱感知

2.2.1 系统模型

2.2.2 主用户检测方法

2.2.3 仿真结果

2.3 本章小结

3 基于两轮合作的协作频谱感知

3.1 合作频谱感知

3.2 基于两轮合作的频谱感知机制

3.2.1 系统模型

3.2.2 两轮合作频谱感知

3.2.3 判决门限的确定

3.3 性能分析

3.3.1 合作开销

3.3.2 感知性能分析

3.4 数值结果

3.5 本章小结

4 认知Ad hoc网络频谱感知

4.1 概述

4.1.1 认知Adhoc网络简介

4.1.2 活动频谱感知

4.2 认知Adhoc网络中的活动频谱感知算法

4.2.1 系统模型

4.2.2 问题归纳

4.2.3 干扰概率分析

4.2.4 仿真结果和讨论

4.3 本章小结

5 基于感知的认知MIMO系统频谱共享

5.1 引言

5.2 基于感知的认知MIMO系统收发机优化

5.2.1 系统模型

5.2.2 基于判决的预编码优化

5.2.3 基于软感知的最优预编码策略

5.2.4 优化问题的解

5.3 仿真结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢