认知无线电网络中的频谱感知技术及应用研究

【摘要】：随着无线网络的飞速发展,对无线电频谱资源的需求也与日俱增。认知无线电技术允许认知用户动态共享主授权频谱资源,有效地提高了频谱利用率,是无线通信领域中一项突破性技术。准确高效的频谱感知是实现认知无线电的关键,是目前业界研究热点课题之一。 本文在《宽带抗干扰认知无线电系统设计研究》项目和国家重大专项(2009ZX03002-009-01)以及国家自然科学基金(60672132、60872149)的支持下,对认知无线电网络中的频谱感知技术及其应用进行了深入研究。本文主要工作及创新成果如下： (1)在协作频谱感知(CSS)中,影响系统性能的各参数之间紧密相关,其中,检测门限是影响系统性能的一个关键因素,目前的研究中,检测门限均通过仿真获得,而没有给出明确的算法。本文首次从带宽的角度综合分析了认知无线电网络中的次用户(SU)数、检测门限、带宽、频谱利用率和次用户吞吐量之间的关系,提出了一种优化的检测门限选取算法,通过直接对数学模型求解即可得到使次用户吞吐量最大化的最优检测门限值,同时确保主用户(PU)受到足够保护。 (2)在CSS中,协作的SU数增加时,发送本地感知结果会占用较大控制信道带宽,而且当报告信道衰落严重时,CSS中的尾感知问题随着协作SU数的增加会变得更加严重,针对此问题,提出了一种基于删余的CSS(C-CSS)方案,并从次用户的角度,给出了一种可使次用户接入机会最大化的优化检测算法,研究结果表明：C-CSS可有效节约控制信道带宽,解决了报告信道存在衰落时的尾感知问题,通过利用优化算法可以在保证目标检测率的前提下获得最低的虚警率,使SU的接入机会最大化；进一步从次用户吞吐量角度研究了C-CSS的性能,分析了C-CSS方案中带宽、频谱利用率、次用户吞吐量与SU数和检测门限之间的关系,提出了C-CSS中使次用户吞吐量最大化的优化算法,研究结果表明：当SU数一定时,为了保证目标检测率,C-CSS方案相比传统CSS方案使次用户吞吐量达到最大时所要求的检测门限是不同的,C-CSS方案可以利用较少的SU数实现较高的次用户吞吐量,利用提出的优化算法可以获得最优的次用户吞吐量。 (3)基于中继协作的传输方式可以有效抵抗信道衰落对系统性能的影响,为了提高报告信道上的传输可靠性,提出了一种基于目标对象的最佳中继协作频谱感知方案(Pe-BRCS),通过最小化报告信道上的错误传输概率为目标选择最佳中继以提高感知性能,研究结果表明：相比SINR-BRCS方案,所提方案可有效降低报告信道上的错误传输概率,降低虚警率下界,可以在牺牲较少计算复杂度的条件下提高CSS性能；针对目前基于中继的CSs研究中均考虑全协作的情况,系统开销大,为了避免不必要的资源浪费,本文提出了一种自适应的最佳中继协作频谱感知方案(ABRCS),目标SU会根据其报告信道条件,自适应的选择是否需要中继协作传输,研究结果表明：所提ABRCS方案无论在SU报告信道条件较好或较差的情况下,均能实现最佳的感知性能。 (4)基于软合并的CSS相比硬合并方式可以有效提高系统检测性能,针对目前基于数据融合的软合并CSS会占用太多控制信道带宽从而导致频谱利用率低下,且没有考虑报告信道存在衰落的问题,本文考虑感知信道和报告信道均存在衰落的情况,提出了一种基于软决策融合的CSS(SC-DF-CSS)方案,推导了其检测性能表达式,并给出了优化的权重向量取值算法,结果表明：相比基于数据融合的软合并CSS,所提SC-DF-CSS仅有较小的性能损失,但可以有效节约控制信道带宽,基于修正偏差系数的优化算法可以很好地近似基于N-P准则的优化算法,大大简化了优化算法复杂度。 (5)对频谱感知性能研究的目的是为了使其更好地在实际中得到应用。目前的小区间干扰协调方法无法突破现有固定的频谱分配架构,小区边缘用户速率仍然很难得到提升,而认知无线电技术作为一种频率规划技术,可以利用频谱感知智能地感知周围环境,通过检测无线频谱的使用情况从而实现资源的优化配置、实现频谱的充分利用,提高频谱利用率。为此,本文提出了一种基于频谱感知技术的小区间干扰协调方法,具有认知功能的终端发起业务请求时,可以自动检测可用频谱上的信号强度,从而选择空闲频谱或已使用频谱信号强度最弱的频谱进行通信,实现真正的最弱干扰通信,降低小区间干扰,提升了小区边缘用户性能。