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认知无线电中的频谱感知技术研究

刘云学  
【摘要】: 认知无线电通过实时感知周围的电磁频谱环境,动态和智能的选择传输的频段和方式,来最大化满足用户的需要。本文研究了认知无线电的核心技术之一频谱感知技术。主要研究了平方律融合(或合并)技术,及基于合作中继的频谱感知技术。主要研究工作和创新点如下: 1、在Nakagami信道中,推导了平方律等增益合并(包括Nakagami参数为任意正整数及任意正数两种情况)及平方律选择合并的检测概率表达式。此外,还进行了性能分析及性能比较,得到如下结论: (1)上述两种平方律合并方式均能有效改善频谱感知性能,而且当我们采用较多的分集阶数时,频谱感知性能改善非常明显。 (2)等增益合并性能总是优于选择合并。当分集阶数低时,平方律选择合并与等增益合并的频谱感知性能差别很小。但是当分集阶数增大时,平方律等增益合并与选择合并的频谱感知性能差别明显。 (3)两种合并方式中均有:Nakagami参数越大,频谱感知性能越好。而且当Nakagami参数从1(Rayleigh信道)变化到2时性能差别最为明显,当Nakagami参数进一步增大时性能差别越来越小。 (4)当Nakagami参数大于2时,Nakagami信道中的平方率合并技术的检测性能明显优于Rayleigh信道中平方率合并技术的检测性能。 2、定义了用户合作增益及网络合作增益,给出了用户合作增益与网络合作增益及敏捷增益的关系。接着本文提出了反应中继功率放大因子对频谱感知性能的影响的八个结论(利用理论证明),这些结论可以解释本文的实验现象及结果。进一步推导了采用中继合作后认知无线电用户U_1的信号噪声功率比得到的改善,从信噪比增益的表达式可以看出,如果中继认知无线电用户U_2从主用户接收到的信号功率大于U_1从主用户接收到的信号功率,那么当主用户出现时,通过中继合作,U_1的信号噪声功率比就会得到改善。所以通过合作来改善频谱感知性能是可行的。 本文还提出了用于分析功率限制方案频谱感知性能的新数字模型,在新的模型中,充分考虑了已有模型中忽略的因素。进一步利用新模型对合作频谱感知性能进行了分析,得到了一系列新结论。功率限制方案适用于认知用户的传输衰减慢于主用户衰减的情形。此外,当认知用户间的路径损耗指数与主用户和认知用户间的路径损耗指数之比一定时,功率限制方案适用于认知用户与主用户均衰减快的情形。如果认知用户的发送功率远小于主用户的功率或者认知用户随距离变化的路径衰减快于主用户,那么U_1很难获得合作增益。另外,用户U_1采用另一个认知用户U_2作为其中继的合作方案并不适合于IEEE802.22的系统。最后,给出了影响频谱感知性能的重要参数beta,利用此参数就可以得到关于合作频谱感知性能改善的直观评价。 3、多用户网络中,如何选择中继用户变得非常重要,特别是:认知无线电用户在采用合作中继后,频谱感知性能至少要得到改善。为此我们定义了一个新的概念增益点,当中继用户的接收功率大于增益点后,频谱感知性能才能得到改善。在非功率限制方案下,利用Holder不等式证明了增益点的取值范围。接着将增益点的取值利用线性曲线进行拟合,将复杂的积分方程组求解简化成一个线性函数,从而大大简化增益点的确定方法。对于功率限制方案,增益点的确定变得更为复杂。通过改变功率限制方案的放大因子,无论认知无线电用户的发送功率是否相等,非功率限制方案的性能总是功率限制方案性能的上限,同时我们还给出了上述结论的物理解释。另外,非功率限制方案的增益点可以作为功率限制方案增益点的重要参考。 4、我们采用平均功率而不是瞬时功率作为检测统计量,推导了基于合作中继的合作频谱感知的虚警概率和检测概率的表达式。并分析了采用平均功率为检测统计量时,通过合作中继后,合作频谱感知性能得到的改善。 同瞬时功率为统计量的情况相似:功率限制方案适用于认知用户传输衰减慢于主用户衰减的情形。如果认知用户的发送功率远小于主用户的功率或者认知用户随距离变化的路径衰减快于主用户,那么U_1很难获得合作增益。此外,利用beta参数就可以得到关于合作频谱感知性能的直观评价。 不同于取瞬时功率为统计量的情况,当认知无线电用户的接收功率大于3dB时,多采样点情况感知能力的改善极小。此外,采样点数较多时,采用合作中继主要改善小信号的频谱感知性能。


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