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频谱可控的直扩认知通信系统关键技术研究

刘湘蒲  
【摘要】:高速发展的无线通信业务导致无线频谱资源日益紧张,因此,具有高效频谱资源利用率的新型无线通信技术一直是研究的热点。作为高时间利用率无线通信技术的典型代表,认知无线电通过引入动态频谱接入机制,有效的提高了频谱利用率。频谱可控的直扩通信技术不仅具有扩频通信的优势,同时能够生成具有零陷特征的频谱,且该零陷特征可控,将其作为认知无线电的具体实现技术,可有效降低认知用户频谱接入时对于授权用户的干扰,同时保证认知用户自身的通信性能。通过两者的结合,可构建一种新型的认知无线通信系统——频谱可控的直扩认知通信系统。本文针对频谱可控的直扩认知通信系统关键技术进行研究,并结合压缩感知理论在认知无线电和扩频通信中的应用,做了如下的研究工作:(1)对于认知无线电的宽带频谱感知,基于压缩感知理论的压缩宽带频谱感知方法是解决系统前端高采样率需求问题的有效方案。而在压缩宽带频谱感知中,对于频谱稀疏度的依赖阻碍了该技术在实际中的广泛应用,针对该问题,提出一种稀疏度自适应的压缩采样匹配追踪算法(SACoSaMP),并给出该算法能够精确重构稀疏信号的理论分析。所提算法不依赖于信号真实稀疏度,且具有较好的重构效果,将其应用于压缩宽带频谱感知中,能有效实现稀疏度未知情况下的频谱检测。(2)为了获得频谱可控的扩频序列,借鉴mW复合序列思路,分别提出基于谱零陷码的频谱可控复合序列和基于块编码的频谱可控复合序列,推导复合序列功率谱表达式,分析其频谱可控性及频谱特征与序列参数、序列复合方式的对应关系,给出所需频谱形状的设计方法,分析比较各复合序列的特性。构建直扩认知通信系统,采用所提出的复合序列实现认知用户的频谱接入,分析系统中授权用户和认知用户的误码率性能。(3)针对mW复合序列的参数估计问题,分别提出采用其频谱和循环谱来实现参数的估计。为了降低频谱获取所需采样率,采用调制宽带转换(MWC)来重构信号频谱,通过检测频谱峰值来实现mW复合序列中Walsh序列序号及信号载频的估计。为了提升估计性能,推导mW复合序列的循环谱表达式,给出循环谱切面峰值位置与复合序列参数的对应关系。针对mW复合序列循环谱获取所需采样率高的问题,采用压缩循环谱理论重构信号循环谱,并通过检测循环谱切面峰值来实现mW复合序列中Walsh序列序号、m序列码片速率和信号载频的估计。(4)为了利用复合序列所具有的特征来提升扩频接收机的性能,介绍一种新型的压缩扩频接收机。该接收机从扩频信号所具有的稀疏性角度出发,通过压缩感知理论来实现扩频信号的接收,结构极其简单,但误码率性能较传统的相关接收机有所下降。在复合序列参数估计方法研究的基础上,提出基于支撑集估计的压缩扩频接收机,该接收机首先通过对接收信号的参数估计获得待重构信号的支撑集,然后利用估计的支撑集来提升压缩扩频接收机的误码率性能。


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