认知无线电协作频谱检测的研究

论文摘要

随着频谱资源的逐步减少,以及人们对高速无线通信的强劲需求,认知无线电作为一种提高频谱利用率的通信方式近年来受到了学者的广泛关注。认知无线电的首要任务就是发现频谱空穴,并在检测到授权用户时退出使用该频段。考虑到单点频谱检测手段受到终端的限制,性能并不能满足越来越高的频谱检测要求,近年来,合作及协作的方式被引入到频谱检测的研究中。本文首先阐述了什么是频谱空穴,以及怎样进行频谱检测的问题。在对常用单点频谱检测的理论分析基础上,进一步分析了合作频谱检测的性能。并通过仿真分析说明,选择部分性能优越的用户,合作会获得更大的收益。在认知用户间利用放大前传协作通信的同时,认知网络也可以提高检测性能。针对该模型下现有研究中的非实际假设,即用户可以获得理想的协作信道估计,本文重新分析并推导了协作频谱检测系统的虚警概率和检测概率,分析指出协作检测系统的检测概率随着信道估计误差的增大而迅速恶化。同时,如果用户没有意识到信道估计误差,也会增大认知用户的虚警概率,降低了频谱利用率。接着,本文分析了协作信道的信道估计问题。首先通过分析协作信道包络的概率密度分布以及穿越电平率指出,协作信道处于深衰的概率更大,同时信道的波动也更大。然后分析了常用信道估计算法的,包括ZF、MMSE以及LMMSE,在协作信道估计中的应用及问题,指出由于信道噪声的非高斯性,导致MMSE准则难以求解。最后,文章选择了适合于上行链路的单载波直接序列码分多址（Direct Sequence—Code Division Multiple Access, DS-CDMA）通信模式作为平台,研究协作频谱检测系统的性能。文章分析了频域均衡的单载波DS-CDMA通信模式使用放大前传协作模式的系统开销,并分析了频谱信道估计中时延窗以及判决反馈算法在协作信道估计中的应用。通过仿真说明了时延窗对协作信道估计性能的改善,并分析了判决反馈在应用中的问题。最后,文章通过仿真系统误码率性能并对比理想的理论值说明了所搭建系统模型的正确性,并给出了此时的协作检测性能。仿真显示在搭建的系统中,协作检测能够在一定条件下获得收益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 认知无线电
• 1.3 认知无线电频谱检测的研究现状
• 1.4 协作信道估计
• 1.5 基于频域处理的DS-CDMA系统
• 1.6 本文的主要研究内容和结构
• 第2章 频谱检测的基本原理
• 2.1 频谱检测问题分析
• 2.1.1 频谱空穴
• 2.1.2 授权信号检测
• 2.2 单点频谱检测及其性能分析
• 2.2.1 匹配滤波检测
• 2.2.2 循环平稳特征检测
• 2.2.3 能量检测
• 2.3 合作频谱检测及其性能分析
• 2.3.1 合作的基本准则
• 2.3.2 部分用户合作
• 2.3.3 仿真结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 协作频谱检测系统性能分析
• 3.1 系统建模
• 3.1.1 信道模型分析
• 3.1.2 系统模型分析
• 3.2 基于能量检测的协作系统性能分析
• 3.2.1 协作检测概率的计算
• 3.2.2 仿真结果
• 3.3 非理想信道估计的影响
• 3.3.1 理论分析
• 3.3.2 仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 协作信道估计的研究
• 4.1 AF协作信道的研究
• 4.2 协作信道估计算法
• 4.2.1 迫零估计算法
• 4.2.2 MMSE算法
• 4.2.3 LMMSE估计
• 4.3 协作信道估计的理论性能分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于DS-CDMA的协作频谱检测系统
• 5.1 DS-CDMA系统模型
• 5.1.1 宽带信道模型
• 5.1.2 DS-CDMA系统模型
• 5.1.3 导频信号
• 5.1.4 频域信道估计
• 5.2 基于DS-CDMA的放大前传协作通信系统
• 5.3 协作信道估计的性能分析
• 5.4 基于DS-CDMA的协作频谱检测系统性能分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢