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基于认知用户移动性的频谱感知研究

段梅梅  
【摘要】:认知无线电通过对频谱的“二次利用”,提高频谱利用率。频谱感知是认知用户感知可用频谱资源和发现频谱机会的关键技术。频谱感知的准确性为认知无线电实现动态频谱接入提供有力保障。针对静止或准静止认知用户的频谱感知技术已经被广泛研究。然而,随着无线通信技术的发展,用户移动已成为认知无线电系统的基本形态。在频谱感知中,认知用户移动性引起它所处位置与授权信号覆盖范围的相对关系不同,导致频谱感知面临的问题不同。直接将基于静止或准静止用户的频谱感知技术应用到用户移动场景中,会大大降低频谱感知的性能。因此,研究基于认知用户移动性的频谱感知对提高认知无线电系统性能具有重要意义。论文以国家科技重大专项“TD-LTE系统中的认知无线电技术研究与验证”(项目编号:2012ZX03003006)和与北京市教委的共建项目“科学研究与研究生培养共建项目--基于认知无线电的公交车联网应用技术开发”为依托,对基于认知用户移动性的独立频谱感知算法、协作频谱感知算法、密集场景下的频谱感知算法和频谱感知机制进行了研究。主要研究工作及成果如下:1.对基于用户移动性的频谱感知的相关研究进行了分析和综述。首先,概述了频谱机会和用户移动性的基本概念。其次,对频谱感知算法与机制进行了分类与总结。再次,重点分析了基于用户移动性的频谱感知算法和机制的研究现状和主要内容。最后,分析了基于认知用户移动性的频谱感知研究存在的主要问题。2.针对认知用户在授权信号的覆盖范围内移动引起信道时变特性降低频谱感知性能的问题,提出了基于最大循环自相关函数能量的频谱感知算法。该算法根据认知用户移动产生的多普勒频移导致信号循环频率偏移的特点,估计了时变信道下最大循环自相关函数,进而利用估计函数的能量作为检验统计量,实现了频谱感知。研究结果表明所提算法能够削弱时变信道对频谱感知的不利影响,提升频谱感知的检测性能,且复杂度较低。3.针对认知用户在授权信号覆盖范围边缘移动时引起协作频谱感知可靠性降低、甚至误判的问题,提出了基于移动认知用户选择的协作频谱感知算法。该算法综合考虑了移动认知用户的稳定性、相关性和感知能力等因素,利用硬融合判决规则,实现了协作频谱感知。研究结果表明,所提算法在保证频谱感知可靠性的前提下,充分利用认知用户的空间分集特性,提高了协作频谱感知的检测性能。4.针对密集场景下认知用户移动时的传统频谱感知算法面临数据维数过高和相关性大的问题,提出了基于主成分分析的频谱感知算法。首先,根据密集场景下认知用户数量众多且行为随机的特点,建立了基于高维矩阵的频谱感知模型。其次,利用认知用户接收信号功率小但信号间相关性大的特点,将接收信号的相关矩阵的主成分作为检验统计量,实现了频谱感知。研究结果表明,所提算法利用信号间的相关性进行主成分分析,解决了数据维数过高的问题,并能有效地完成密集场景下的频谱感知。5.针对认知用户移动性导致周期频谱感知机制不能充分利用频谱机会的问题,提出了基于信道状态监控的非周期频谱感知机制。首先建立了频谱机会与信道状态之间的关系,然后以信道状态转换触发频谱感知,设计了监控与感知共同实现的频谱感知机制。研究结果表明所提机制减小了对频谱资源的浪费和对授权用户的干扰,解决了认知用户移动时频谱机会不能充分利用的问题,提高了频谱效率。


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