基于认知无线电技术的频谱资源利用研究

【摘要】：认知无线电技术在提出以后一直被认为是解决频谱拥塞和频谱利用率低下之间矛盾的有效途径,可应用于以伺机方式使用授权频段的空闲频谱资源的非授权系统中,如IEEE 802.22系统通过认知无线电技术利用广播电视频段来实现偏远地区的宽带接入。尽管包括802.22在内的非授权系统的标准化工作已经进行了多年,然而到目前为止,应用前景依然不太明朗。解决有效频谱利用的问题不能只依靠非授权系统来解决,对于正在运营的授权系统也同样需要考虑如何提高频谱利用效率。提高主流的授权无线系统的频谱利用率会更有效地解决无线频谱资源的利用问题。 不同系统间存在频谱资源利用不均的问题,有些系统的频谱利用率一直都比较低下;有些系统虽然整体频谱利用率较高,但在某些时段和某些地区也存在利用率低下的问题。通过在不同的系统之间进行频谱共享和频谱资源再分配,可以解决频谱资源利用不均的问题。非授权系统通过伺机频谱利用的方式与授权系统实现频谱共享,这种方式也可以推广到其他系统中解决在异构网络环境下的频谱资源分配问题。 伺机利用频谱的认知无线电系统首先需要发现可利用的频谱资源,频谱利用的效果与频谱检测的性能、频谱接入的策略密切相关,频谱检测和频谱接入都是本文的研究问题。本文主要包括以下研究内容: 第一,界定了频谱资源的概念,分析了各种无线技术对频谱资源的利用的不同情况,并从频谱空间的角度进行了归纳。在频谱资源空间模型基础上,对认知无线电技术应用于非授权系统与授权系统的不同情况分别加以说明,并指出两种不同情况在关键技术和研究重点上的差异。分别针对认知非授权系统与认知授权系统的频谱资源利用方案,给出了评价标准的一般框架。 第二,分析了不同的检测方法的检测性能和噪声不确定度对其的影响;提出了离散和连续形式的噪声不确定度模型,并给出了以平均检测概率和虚警概率为评价指标的检测器的设计准则。相比以往对噪声不确定度下的检测性能研究给出了更准确的分析。检测器的判决门限可以通过噪声方差分布的先验知识来确定,从而得到噪声不确定下的最佳平均检测性能。 第三,从多传感器数据融合角度研究认知无线电系统合作感知问题。忽略不可靠用户的检测结果,采用部分融合的方法可以提高认知无线电系统的检测性能。通过研究发现对于特定的在线用户规模,存在一个最佳的参与融合用户数。可以固定选择每次检测的融和用户数使系统平均检测概率最大,或根据每次检测的接收信号状况动态调整参与融合的用户数可以使每次检测的性能最佳。 第四,在多模终端和认知无线电技术基础上提出以终端为主导的频谱分配方案,并与以网络为主导的集中式频谱分配方案进行比较。从运营商角度讲,尽管以终端为主导的频谱分配方案中每个用户并不知道其他用户的情况,仍然可以通过合理有效的接入策略可以达到较高的频谱利用效率,在有些条件下甚至可达到与全局优化方案相同的利用效率。从用户角度讲,多模终端的自主切换有利于在移动环境中保障用户的业务QoS。 第五,说明了未来无线通信对下一代多模终端的需求,并对认知无线电技术在下一代多模终端中的应用前景及实现可行性进行了分析。提出了一种基于认知无线电技术的多模终端的体系结构及其工作机制以支持频谱资源分配方案,并对终端实现所需的各种使能技术进行了论述。 第六,提出了认知无线电系统的建模方法及仿真系统的设计。仿真系统基于面向对象的设计思想,有利于仿真系统的扩展和改进。仿真系统采用离散事件驱动机制可以对系统运行的整个过程进行模拟。仿真系统以信道作为关注的焦点,也可直接观察到所有收发信机的情况,便于对频谱资源的利用情况进行评价。