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《北京邮电大学》 2010年
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感知无线电系统中的频谱感测技术研究

虞贵财  
【摘要】: 无线通信业务需求的持续增长,导致无线通信系统对无线频谱资源的需求也不断增加,使得目前适宜于无线通信服务的频谱资源变得十分稀缺。但研究表明:目前适宜无线通信的频谱资源一方面十分稀缺,一方面又浪费严重。其原因在于:静态的频谱规划体制与动态的频谱利用方式之间不匹配,造成无线频谱规划紧张,频谱使用率低。为此,突破频谱共享无线通信系统的关键技术、开发频谱资源共享的无线通信系统、从系统级的角度提高整体频谱利用效率成为解决上述矛盾的重要途径,是今后一个时期无线通信的战略性发展方向之一。 感知无线电系统能够实现频谱资源共享,提高频谱利用率。作为实现频谱共享的关键技术,好的频谱感测算法为频谱共享和提高频谱利用率提供了基本保障。未来感知无线电系统使用的频谱感测算法不仅要提高感测频谱空洞能力,还要降低或者消除对授权用户的干扰,而这是实现动态频谱接入需要满足的基本条件。本文以感知无线电系统中的频谱感测算法为主线,分别研究了循环特征频谱感测算法、能量频谱感测算法、协同与数据融合频谱感测算法。 (1)循环平稳特征频谱感测:大多数通信信号可以认为是循环平稳信号,因此具有循环平稳特性,且不同信号具有不同的循环平稳特性,而噪声没有循环平稳特性,根据循环平稳特征,在频谱池系统中感测并提取所需信号。 通过获取频谱池系统中授权用户和感知用户的二阶循环谱特性感测空闲频谱,根据认知用户接受到信号的循环平稳特性,预测授权用户存在与否,从而估计信道分配状态信息;提出一种新的循环频谱感知方案,提高了频谱感测的性能,增强了有效对抗噪声的波动性,改善了感测微弱信号稳健性,满足了低信噪比环境下的频谱感测技术要求。此算法的明显缺点是实现复杂度高,而现在常用的为能量感测算法。 (2)能量感测:因为实现简单,现在大部分文献都采用能量频谱感测算法。此算法的优点是不需要知道信号的特征信息,采取设定能量门限的方式进行判决,但是此算法对噪声比较敏感,尤其是工作在低信噪比环境下的感知无线电系统,此算法对噪声敏感的问题更为明显。 详细研究了信噪比、噪声短时间内平均功率波动性和感测时长之间的关系,得出了噪声短时间内平均功率的微小变化,会引起感测性能的急剧下降的结论。基于此,提出了动态门限的能量感测算法,此算法增强对抗噪声短时间内平均功率波动性的鲁棒性,提高了能量感测算法的感测灵敏度。同时给出另外一种改进的频谱感知算法,即授权用户发送的信号由导频信号和信号结构未知的信号两部分组成,采用匹配滤波器和能量感测联合的频谱感知算法,先对已知的导频信号进行匹配滤波器感测,再对输出结果进行能量感测。此算法同样适用于提高能量感测算法的感测性能和感测灵敏度。 (3)协作和数据融合频谱感测:由于感知用户与授权用户间缺乏信息交互,且感知用户的频谱感测通常是在低信噪比情况下完成的,而且感测环境通常包括多径大尺度衰落的可视距线路和隐藏站点,为了获得更为准确的感测信息,可采用多用户协作和数据融合频谱感测方案。 给出一种基于最大比合并的多感知用户协作频谱感测算法,在低信噪比环境下,即使噪声短时间内的平均功率存在较大的波动性,只要增加参与感测的协作用户数,那么由于噪声平均功率波动性造成的感测性能下降部分就完全可以消除,仍可获得较为准确的感测性能,给出理论分析和仿真结果。同时对数据融合频谱感测算法作了相应的研究,算法首先计算融合中心接收数据的对数似然比函数与判决授权用户存在的感知用户数之间的关系,而融合中心得到的判决授权用户存在的感知用户数包括正确判决授权用户存在的认知用户和没有授权用户却判决存在授权用户的感知用户,然后根据它们之间的统计特征,在融合中心得到感测性能。并采用仿真结果进行验证,同时与传统的“逻辑与”和“逻辑或”频谱感测算法进行比较。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN925

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【引证文献】
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