认知无线电系统关键技术研究

论文摘要

传统的无线通信当中,固定分配频段的方法使得频谱资源日益稀缺,然而调查显示目前的授权频段中频谱的使用并不充分。认知无线电技术因其能够以伺机接入方式使用已授权给主用户的却在某时刻空闲的频段,成为了解决上述矛盾的有效方法。本文重点研究了认知无线电中重要的频谱感知和频谱共享技术。应用频谱感知技术,可以使认知无线认知其无线电环境、了解主用户的工作状态,这项技术是认知无线电可以实现的前提。频谱共享技术实现并优化了认知系统和主用户系统的共存,这是认知无线电最终的目标。我们的主要研究点包含以下几个方面。首先,通过建模和仿真我们介绍了通过传统的接收机操作特征来衡量单用户及协作感知方式下的频谱感知性能。通过研究发现,频谱感知的灵敏度和频谱共享的效率可以通过平均检测时长和空闲信道利用率两个指标来衡量。这两个指标是有联系的,它们不仅和接收操作特征相关,而且受到认知系统时序结构的影响,需要联合考虑进行优化。我们研究的主要目标是：一方面在认知系统维持一定频谱感知时间比例的前提下,通过调整频谱感知的时长来缩短平均检测时长；另一方面是限定平均检测时长的情况下,最大化空闲信道利用率。后者是更为实际的方案。为了实现优化的目标,我们设计了在系统中调整频谱感知周期和频谱感知时间的较为实用的方法,并对这种方法进行了仿真分析。结果显示在保证认知用户频谱感知灵敏度的前提下,应用我们提出的方法能够使空闲信道利用率提升10个百分点左右。其次,协作感知虽然克服了单用户感知中隐藏终端效应及深衰落信道的问题,但是如何在协作的节点之间交换感知信息,是协作感知面临的实际问题。协作感知中,传统的硬合并方式虽然在感知性能上不及软合并方式,但是它却只需要在节点间交换很少量的信息。为了在感知性能和感知信息传输上寻找一个折中的方法,我们提出了一种分布式的变长量化方法来量化感知信息。这种方法的核心思想是让感知性能良好的认知用户有更多机会将信息精确地回传给中心节点,而那些性能较差的认知用户回传少量的信息甚至不进行回传。为了不增加下行开销,回传的信息量由认知用户自行决定。具体操作上看,首先通过简化了的认知用户频谱感知对数似然比结果,将原本在中心节点处的集中计算,分布在认知用户本地完成。认知用户根据对其结果的信心将感知信息量化成不同的长度回传给中心节点,系统总的开销量则在中心节点处通过下行广播来控制。为了进一步缩减开销量,我们设计了周期性差分量化的方法。通过仿真验证的结果表明,应用了这种新的方法后认知系统的感知性能接近理想的软合并方法,但平均开销量仅为1-2个比特。再次,要保证协作感知的可靠性,必须为这仅为数个比特的开销信息寻找一个良好的信道。然而认知系统本身没有稳定的授权频带,如果直接通过占用主用户频带来传输感知信息,不仅其本身可靠性很难保证,还有可能会对主用户产生强干扰。通过研究发现,未来可被认知系统伺机接入的主用户系统多为非扩频的宽带系统。因此我们设想可利用扩频通信方法将低速率的感知信息以较低的功率谱密度扩展到较宽的频段,再通过空间隔离来实现和主用户的频谱共享。我们以WRAN系统与DTV主用户系统之间以及认知系统与LTE主用户系统之间的共存为例仿真验证了我们的想法。分析和仿真结果表明无论是当WRAN系统位于DTV覆盖边缘,还是认知系统位于LTE小区交接处时,主用户系统的有效传输和经过扩频处理的认知系统感知开销信息传输之间的互干扰都在可容忍的范围内。最后,我们将多天线引入到认知无线电当中,来增强频谱共享和频谱感知技术。我们根据主用户和认知系统发射机之间的信道状况来进行多天线模式的选择,从而在对主用户产生有限干扰的前提下实现认知系统下行吞吐量的优化。我们还根据多天线接收信号之间的相关性,提出了利用接收到多路并行信号的自相关矩阵奇异值分解的方法来进行频谱感知。这种方法将信号能量集中在一个奇异值中,而噪声能量则分散在所有奇异值中,从而较多天线下能量检测提高了准确度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 认知无线电的出现
• 1.2 认知无线电的目标
• 1.3 认知无线电的网络结构
• 1.4 认知无线电关键技术以及研究现状
• 1.4.1 频谱感知技术
• 1.4.2 频谱接入
• 1.4.3 频谱决定
• 1.4.4 频谱共享
• 1.4.5 频谱切换
• 1.4.6 频谱政策
• 1.5 论文主要工作和章节安排
• 1.5.1 频谱感知和频谱共享联合优化
• 1.5.2 协作感知信息的优化
• 1.5.3 协作感知信息的传输
• 1.5.4 多天线在频谱共享和频谱感知中的应用
• 1.6 参考文献
• 第二章 认知无线电中频谱感知和频谱共享联合优化研究
• 2.1 背景介绍
• 2.2 系统模型
• 2.2.1 能量检测模型
• 2.2.2 时序模型
• 2.3 接收机操作特性
• 2.3.1 接收机操作特性的概念
• 2.3.2 单用户感知接收机操作特性的建模
• 2.3.3 多用户协作感知中接收机操作特性的建模
• 2.3.4 协作感知接收机操作特性比较
• 2.4 频谱感知与频谱共享联合优化
• 2.4.1 平均检测时长
• 2.4.2 空闲信道利用率
• 2.4.3 空闲信道利用率和平均检测时长的联合优化
• 2.4.4 感知时序优化
• 2.5 本章结论
• 2.6 参考文献
• 第三章 协作感知中感知信息优化研究
• 3.1 背景介绍
• 3.2 系统模型
• 3.2.1 感知判决流程
• 3.2.2 硬合并和软合并协作感知流程比较
• 3.2.3 硬合并和软合并协作感知优缺点比较
• 3.2.4 缩小开销信息的重要性
• 3.3 协作感知中的分布式计算
• 3.3.1 协作感知中分布式计算的概念
• 3.3.2 对数似然比感知方法
• 3.4 变长量化方法
• 3.4.1 量化
• 3.4.2 已有文献的启示
• 3.4.3 变长量化
• 3.4.4 量化控制因子的引入
• 3.4.5 基于对数似然比的变长量化的具体方法
• 3.4.6 周期性差分量化
• 3.5 结果与分析
• 3.6 本章结论
• 3.7 参考文献
• 第四章 协作感知中感知信息传输研究
• 4.1 背景介绍
• 4.2 开销信息传输问题的引出
• 4.3 扩频方法的引入
• 4.4 性能评价
• 4.4.1 感知信息传输的可靠性
• 4.4.2 主用户传输的可靠性
• 4.5 评估假设
• 4.5.1 主用户系统为DTV情况
• 4.5.2 主用户为LTE系统情况
• 4.6 仿真结果
• 4.6.1 主用户系统为DTV情况
• 4.6.2 主用户系统为LTE情况
• 4.7 本章结论
• 4.8 参考文献
• 第五章 多天线在认知无线电系统中的应用
• 5.1 多天线与频谱共享和频谱感知
• 5.2 多天线在认知无线电频谱共享中的应用
• 5.2.1 背景介绍
• 5.2.2 系统模型
• 5.2.3 MIMO在认知无线电系统中的应用
• 5.2.4 两种多用户MIMO干扰控制方式
• 5.2.5 容量分析
• 5.2.6 转换距离的引入
• 5.2.7 实际部署中的问题
• 5.2.8 仿真评估
• 5.2.9 本节结论
• 5.3 多天线在频谱感知中的应用
• 5.3.1 本节概述
• 5.3.2 多天线感知模型的引入
• 5.3.3 频谱感知中的空间分集
• 5.3.4 多天线系统模型
• 5.3.5 多天线SVD模块的实现
• 5.3.6 性能仿真比较与分析
• 5.3.7 本节结论
• 5.4 本章结论
• 5.5 参考文献
• 第六章 结束语
• 6.1 主要研究成果总结
• 6.2 文章不足之处及未来研究方向展望
• 附录1 频谱感知中对数似然比的化简
• 附录2 缩略语
• 致谢
• 博士期间论文发表和专利申请情况