基于认知无线电的频谱感知技术研究

论文摘要

随着无线通信业务的快速增长,日益增长的频谱需求与有限的频谱资源之间的矛盾已成为制约无线通信发展的主要瓶颈之一。认知无线电作为一种智能频谱共享技术,依靠人工智能的支持,感知无线通信环境,根据一定的学习和决策算法,实时自适应的改变系统工作参数,动态的检测和有效的利用空闲频谱,理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的频谱复用和共享。频谱感知是构建认知无线电系统的前提之一,通过频谱感知搜集无线环境的统计信息,既能为高层的频谱管理提供辅助,也能为系统的功率控制提供必要的参数支持,论文重点研究认知无线电中的频谱感知技术,主要内容有:（1）在全面总结已有认知无线电频谱感知技术的原理、特点和性能的基础上,针对未知信号类型,分析了能量检测法在理想和衰落信道环境中对授权用户信号的感知性能和存在的不足,将多个认知用户协作感知和分集接收技术融入能量检测法,提出一种改进算法。改进的频谱感知算法既保留了能量检测法易于实现和无需先验信息的特点,又能有效提高检测的可靠性。分别在加性白高斯噪声信道、典型的多径衰落信道环境下进行了性能仿真和分析。（2）针对确定的线性调频信号和相位调制信号模型,分析了采用匹配滤波器感知授权用户信号的性能。利用高斯噪声的高阶累积量恒为零的特性,提出一种将高阶累积量和匹配滤波器相结合来消除高斯噪声,提高感知能力的方法,对提出的频谱感知算法进行了性能仿真和分析。（3）通过对基于认知无线电的无线区域网接口标准--IEEE802.22的认识和理解,针对该标准适用的TV频段,研究了通过匹配滤波器检测接收机本振耗散来感知频谱的方法。（4）认知无线电中传输场景分析包括频谱感知、频谱分析和频谱判决,为了实施频谱分析和估计,针对Welch法和多窗谱估计法进行了性能仿真,分析了两种方法中重要参数对估计能力的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容及论文结构
• 2 认知无线电概述
• 2.1 认知无线电概念及原理
• 2.2 认知无线电关键技术
• 2.2.1 频谱感知技术
• 2.2.2 宽带射频前端技术
• 2.2.3 频谱资源的共享与分配策略
• 2.2.4 信道状态估计和容量预测
• 2.2.5 认知无线电网络架构和MAC协议机制
• 2.2.6 可重配置的自适应数据传输技术
• 2.3 本章小结
• 3 认知无线电中的频谱感知技术
• 3.1 概述
• 3.2 基于发射机的频谱感知
• 3.2.1 能量检测
• 3.2.2 匹配滤波器检测
• 3.2.3 循环特征检测
• 3.2.4 三种检测方法比较
• 3.2.5 双门限检测法
• 3.3 协作检测
• 3.4 基于干扰的检测
• 3.5 本章小结
• 4 能量检测法
• 4.1 系统模型
• 4.2 无线信道传播模型
• 4.2.1 瑞利模型
• 4.2.2 莱斯模型
• 4.2.3 Nakagami-m模型
• 4.3 单用户在理想环境中的频谱感知
• 4.4 单用户在多径衰落环境中的频谱感知
• 4.4.1 独立瑞利信道环境
• 4.4.2 Nakagami-m信道环境
• 4.5 多用户协作检测
• 4.6 分集接收技术
• 4.6.1 AWGN信道中采用平方律合并分集
• 4.6.2 独立瑞利信道中采用平方律合并分集
• 4.6.3 相关瑞利信道中采用平方律合并分集
• 4.6.4 独立瑞利信道中采用平方律选择分集
• 4.7 能量检测法仿真及分析
• 4.7.1 AWGN信道下的仿真及分析
• 4.7.2 多径衰落信道下的仿真及分析
• 4.8 本章小结
• 5 匹配滤波器检测
• 5.1 基本原理
• 5.2 高阶累积量和匹配滤波器相结合的信号检测算法
• 5.3 匹配滤波器检测仿真及分析
• 5.3.1 线性调频信号仿真及分析
• 5.3.2 相位调制信号仿真及分析
• 5.4 采用匹配滤波器检测接收机本振耗散的方法
• 5.4.1 IEEE802.22标准
• 5.4.2 采用匹配滤波器检测接收机本振耗散的方法
• 5.5 本章小结
• 6 基于干扰的频谱估计
• 6.1 基本原理
• 6.1.1 谱估计方法
• 6.1.2 多窗谱估计联合奇异值分解方法
• 6.2 频谱分析仿真及分析
• 6.2.1 Welch法仿真及分析
• 6.2.2 多窗谱估计仿真及分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 未来工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录