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认知无线电网络中基于HMM的频谱感知技术研究

刘伯阳  
【摘要】:随着无线服务与移动设备数量的急剧增长,有限的频谱资源日趋紧张。传统的频谱管理方案由于频段不可重复利用且已被分配频段利用率较低,无法满足日益增长的无线服务对频谱资源的需求。作为一种十分具有前景的技术,认知无线电允许次用户在主用户空闲或对主用户造成的干扰低于其可容忍门限时接入主用户信道,可显著提高无线频谱资源的利用率,对频谱资源紧张的问题进行有效的缓解。其概念一经提出便获得通信界和工业界广泛的关注并开展了深入的研究。在认知无线电网络中次用户在接入主用户频段之前需对主用户信道状态进行感知。可见,频谱感知是认知无线电的核心技术之一,是认知无线电技术的基石。传统的频谱感知算法主要基于下述三种假设:主用户只有空闲与占用两个状态,在占用状态时使用单一固定功率发送数据;次用户在每个时隙均需执行频谱感知,根据感知结果对后续数据发送方案进行决策;次用户能量供应充足,不存在能量受限的情况。本论文针对上述频谱感知的三种传统假设分别进行拓展研究与分析,主要内容与贡献概括如下:首先,研究认知无线电网络中主用户具有多个发送电平时的频谱感知问题。提出了一种基于连续隐马尔可夫模型的盲频谱感知算法,不仅可对主用户是否空闲进行检测,而且可以对主用户发送电平进行识别。通过将小波奇异性检测特性与聚类算法相结合得到一种主用户发送电平数估计方法,并解决了连续隐马尔可夫模型的训练问题。根据实际需求,提出了两种感知策略并对其进行了对比。仿真结果表明,所提算法可以有效的对主用户真实状态进行感知并给出了两种感知策略分别适用的场景。然后,研究主用户信道占用状态具有马尔可夫特性次用户能量不受限制时次用户最佳频谱感知间隔设计问题。考虑瑞利衰落信道,用离散隐马尔可夫模型对频谱感知过程进行建模,次用户根据感知结果进行交替式/潜伏式信道接入机制选择。在平均感知能量损耗、次用户平均吞吐量、次用户平均减少的吞吐量以及次用户对主用户平均干扰量之间进行最佳折中,得到最佳频谱感知间隔。仿真结果证明了所提算法的正确性,并表明了所提感知策略较传统感知策略在感知能量损耗与次用户吞吐量方面具有明显的优势。其次,研究在主用户信道占用具有马尔可夫特性次用户能量受限时的最佳频谱感知间隔设计问题。考虑次用户能量有限需进行能量收集以维持正常运作。用离散隐马尔可夫模型对频谱感知过程进行建模。使用部分可观测马尔可夫决策过程对次用户最佳频谱感知间隔进行动态决策,在次用户平均吞吐量与次用户对主用户造成的平均干扰量之间取最佳的折中。给出了一种复杂度较低的次优频谱感知间隔决策方案。分析了使用马尔可夫决策过程对最佳感知间隔进行动态决策的前提条件,并给出了具体决策方法。仿真结果验证了所提算法的正确性与有效性,并证明了所提算法与传统使用固定感知间隔的机制相比,在对主用户造成少许干扰的代价下可大幅度提升次用户的平均吞吐量。最后,研究在主用户信道占用具有马尔可夫特性次用户能量受限时的次用户感知能量、触发能量与感知间隔的联合优化使得认知无线电网络整体满意度最大的问题。用离散隐马尔可夫模型对频谱感知过程进行建模。定义认知无线电网络整体满意度为次用户平均吞吐量与次用户对主用户造成的平均干扰量的函数。为使整个认知无线电网络满意度最高,将满意度最大化问题建模为一混合整型非线性规划问题,利用差分演化算法对次用户的感知能量、触发能量以及感知间隔进行了联合优化设计。仿真结果证明了所提算法的正确性与有效性。


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