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感知无线电物理层关键技术研究

陈星  
【摘要】: 为解决频谱短缺与频谱利用率低下的矛盾,在频谱管理中将采用动态频谱分配方式,允许多个系统在避免相互干扰的前提下动态地共享频谱资源。感知无线电技术是实现动态频谱共享的一种主流方案。它通过检测所处无线环境的空闲频段,选择可被自己使用的频段进行通信。在近两年间,受到市场的强力驱动,对感知无线电技术的研究开始展开,并不断升温。本论文就是在此背景下,选择了感知无线电的物理层技术作为主要研究方向。 频谱检测技术是感知无线电系统实现动态频谱共享的关键,它分为基础型频谱检测技术与增强型频谱检测技术。在基础型频谱检测技术方面,本论文重点研究了能解决各种通信信号共存的频谱检测问题的循环平稳频谱检测法。针对基于谱相关函数的循环平稳频谱检测,本论文提出了谱相关函数的一种近似概率分布,这使得本论文能够对以它为基础的增强型频谱检测技术进行准确的量化分析。在增强型频谱检测技术方面,本论文分别研究了协作频谱检测和多天线频谱检测技术。 协作频谱检测利用位于不同空间位置的多个感知无线电节点提供的空间分集能力来抵抗无线信道衰落,在性能上需要兼顾检测的可靠性与有效性。本论文首先提出用租借系统接收到的授权系统信号的平均信噪比(Signal-to-Noise power Ratio,SNR)和频谱检测需要达到的检测率来描述授权系统对租借系统频谱检测的要求。然后以这个模型为基础,研究了协作频谱检测的性能与协作节点数、检测时间等检测参数的量化关系,提出了以协作检测效率为优化目标、以协作检测率和误检测率为限制条件的最优化问题及其算法,解决了在实际应用中通过配置合适的检测参数使整个系统性能达最优的问题。对使用循环平稳检测法的协作频谱检测的性能分析表明,随着协作节点数的增加,协作检测效率也将随之增加,但当协作节点数达到一定值后,协作检测效率不升反降。 多天线频谱检测利用多个天线提供的空间分集能力来抵抗无线信道衰落。为了获取最大空间分集增益,感知无线电检测器需要在没有授权系统任何先验信息的条件下,在频谱检测前对多天线信号进行合并。针对这个问题,本论文提出了一种多天线合并频谱检测方法。它利用信号的循环平稳特性,获取了多天线信道频域响应的一些信息,并在频域上完成了检测前合并。本论文推导了多天线合并频谱检测的检测率和平均SNR的理论计算公式,证明该方法能获取多天线提供的最大空间分集增益。仿真结果还表明,在对多天线信号进行EGC合并时,该方法在抵抗信道频域响应的估计误差方面具有良好的性能,因而实用性较高。 本论文还研究了感知无线电系统的信道估计技术。由于感知无线电系统的可用频段随时间跳变,并且不连续,信道估计技术需要适应这些特点,并保障估计性能。本论文针对基于OFDM的感知无线电系统,提出了一种利用不连续频段间的频域相关性提高信道估计性能的方法,推导了这种联合信道估计方法的均方误差的理论计算公式,并通过了仿真验证。本论文对比了该方法与对各不连续频段分别进行信道估计的性能,仿真结果表明不连续频段间相关性越大,联合信道估计获得的性能增益就越高。通过仿真,本文还研究了导频方案、授权系统带宽及信道相关带宽对该方法性能的影响。


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