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《华南理工大学》 2011年
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认知无线电中的频谱感知技术研究

刘义贤  
【摘要】:随着无线通信技术及其应用需求的快速发展,无线频谱资源需求日益增大。在现有的频谱管理框架下,可供分配的频谱资源日趋稀少。美国联邦通信委员会的研究报告指出,已分配的频谱在特定的时间和空间存在不同程度的闲置,即频谱资源处于低利用率状态。通过引入认知无线电技术,认知用户可以动态地利用这些闲置的无线频谱资源,为新的无线应用提供工作频段,从而达到大幅提高频谱利用率的目的,有效地缓解频谱资源匮乏和无线接入需求日益增长之间的矛盾。因而,认知无线电技术成为了当前无线通信技术的研究热点之一。 认知无线电系统是可以感知外界通信环境的智能通信系统,通过不断地感知外界的变化,并自适应地调整其内部的通信机理来达到对环境变化的适应。其关键技术研究的主要内容包括频谱感知、频谱管理、频谱分享和频谱迁移等。本文主要针对频谱感知这一关键技术,对能量检测方案的若干问题进行了研究,并取得了以下一些研究成果: 1)研究了合作频谱感知中,判决门限对认知用户本地能量检测和合作频谱感知性能的影响。提出了一种能量检测的最优判决门限设定方法,并给出了最优判决门限的搜索范围,从而能够快速的得到最优判决门限。由于受噪声、信道衰落等影响,单个认知用户的检测性能往往达不到性能要求,因而一般会采用多用户合作的方式来进行频谱感知。判决门限的设定对认知用户的本地能量检测性能起着根本性的决定作用,从而也影响了合作频谱感知性能。为了使合作频谱感知的误警概率和漏检概率总和最小,必须设定单个认知用户的最优判决门限。论文给出了在给定的条件下,能够快速搜索出最优判决门限的搜索范围。仿真结果表明,该搜索方法能够快速地搜索到最优判决门限。 2)研究了噪声不确定性对频谱感知性能的影响,仿真结果表明,无论对于单认知用户频谱感知还是合作频谱感知,噪声不确定性都严重降低了能量检测的检测性能。在此基础上提出需要利用估计的噪声功率值进行能量检测判决门限的设定,即假设噪声功率未知,需要从参考频段估计得到,进而分析了利用噪声功率估计值进行能量检测时判决门限的计算问题,推导出检测性能的闭式表达式。分析表明,为了达到期望的检测性能,判决门限不能直接由噪声功率估计值替换已知的噪声功率得到,必须进行修正。文中给出了修正判决门限的闭合表达式,从而极大地简化了检测性能的分析和判决门限的计算。论文进一步给出了基于修正判决门限检测性能的闭合表达式。仿真结果表明,在满足期望检测概率的限制条件下,基于修正判决门限的误警概率对比基于原判决门限的误警概率有所下降。这意味着基于修正判决门限的能量检测能有效地增大认知无线电系统的吞吐量。 3)认知无线电中利用接收多天线实现空间分集,可以提高频谱感知的可靠性。当各接收天线之间相互独立时,可获得最大分集增益。论文考虑接收多天线之间存在相关性的情况,研究了天线相关性对多天线认知用户进行频谱感知时,能获得的实际性能(包括感知效率和感知准确度两方面)增益的影响,推导出多天线相关情况下,误警概率的上下界。从数学上证明了,在信噪比较低时,相关多天线能够获得和独立多天线相近的实际性能增益。仿真结果验证了理论分析的正确性。另外,仿真结果还表明,在低信噪比情况下,天线数目越大,为了获得最大的实际性能增益,需要的检测时间反而越长。这是由于感知效率和感知准确度之间存在折中。
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