认知无线电动态频谱管理技术研究

论文摘要

认知无线电能够智能地感知周围无线环境、发现并合理利用“频谱空穴”,以提高频谱利用率,从而缓解无线频谱需求膨胀与稀缺之间的矛盾,是通信领域的研究热点。动态频谱管理是认知无线电的关键技术,其包括频谱感知、频谱决策与共享以及频谱移动性管理等。本文主要研究认知无线电动态频谱管理关键技术。首先,介绍了研究背景和意义,并详细介绍了认知无线电动态频谱管理各项关键技术及其国内外研究现状。其次,研究了基于多子带信号采样和小波变换的宽带频谱感知方法。利用调制宽带转换器（Modulated Wideband Converter, MWC）实现宽带信号的低速率采样,并得到子带信号；提出一种噪声功率及检测门限估计方法；利用能量检测法实现对非噪声子带的频谱感知；最后利用小波变换对信号子带进行频谱边缘检测,以确定主用户信号占用频段的确切位置信息。仿真结果表明：所提出的宽带频谱感知方法能够在宽频带范围内以若干低速ADC （Analog to Digital Converter）完成对宽带频谱信号的采样、频谱感知,并得到主用户信号占用频段的确切位置信息,使宽带频谱感知的实际实现成为可能。然后,研究了基于信道性能和用户需求的频谱共享方法。针对各可用信道性能差异较大的情况,利用ON-OFF模型建模授权信道的使用情况并给出统计参数表示；然后推导了认知用户切换概率,并提出一种用信道状态变化率衡量信道性能的方法；在此基础上提出一种结合信道性能的频谱分配算法。仿真结果表明,该频谱分配算法在降低切换概率的同时提高了实际总效益。为了利用在频谱分配过程中认知用户所获取的多余分配量,构建了基于需求的频谱分配模型,并设定分配目标函数；然后提出一种基于需求的短时频谱切换的协同频谱分配算法。仿真结果表明,该算法能够有效利用多余分配量,提高了实际有用效益以及抗干扰能力。最后,研究了基于预留信道机制的频谱切换方法。利用IEEE 802.22标准草案提出的预留信道机制对三种基本频谱切换进行描述；为了降低预留信道机制的新呼阻塞率,在感知预留信道的基础上提出了对新呼用户排队缓冲的方法。仿真结果表明,该方法在保证切换性能的同时能够有效降低新呼阻塞率,并使语音性能恶劣等级（Grade of Annoyance, GoA）值大幅下降。针对认知无线电网络可用频谱的时变特性,提出一种基于严格位势博弈的动态预留信道选择方法,它将认知网络作为一种干扰减小网络,利用博弈交互原理实现动态参数的调整。仿真结果表明,该方法能够在增加少量网络总干扰的情况下动态选择预留信道,所预留的信道不受环境影响,适用于所有网络覆盖范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 认知无线电动态频谱管理关键技术
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 频谱感知
• 1.3.1.1 窄带频谱感知
• 1.3.1.2 宽带频谱感知
• 1.3.2 频谱决策与频谱共享
• 1.3.2.1 频谱决策
• 1.3.2.2 频谱共享
• 1.3.3 频谱移动性
• 1.4 本文主要工作及内容安排
• 第2章 基于多子带信号采样和小波变换的宽带频谱感知
• 2.1 多子带信号采样模型
• 2.2 基于多子带信号采样和小波变换的宽带频谱感知
• 2.2.1 基于能量法的单个子带频谱检测
• 2.2.2 基于小波变换的信号子带边缘检测
• 2.2.3 宽带频谱感知方法
• 2.3 算法仿真与性能分析
• 2.4 本章小节
• 第3章 基于信道性能和用户需求的频谱共享方法
• 3.1 频谱共享基本模型
• 3.2 一种结合信道性能的频谱共享算法
• 3.2.1 授权信道使用模型及统计参数表示
• 3.2.2 考虑切换概率的信道性能描述
• 3.2.3 结合信道性能的频谱分配算法
• 3.2.4 算法仿真与性能分析
• 3.3 短时频谱切换的协同频谱分配算法
• 3.3.1 模型及实际总效益
• 3.3.2 基于需求的短时频谱切换的协同频谱分配算法
• 3.3.3 算法仿真与性能分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于预留信道机制的频谱切换方法
• 4.1 频谱切换的预留信道机制描述及改进
• 4.1.1 频谱切换的预留信道机制描述
• 4.1.1.1 参数设定
• 4.1.1.2 模型构建
• 4.1.2 新呼用户排队缓冲的改进方法
• 4.1.3 算法仿真与性能分析
• 4.2 基于严格位势博弈的动态预留信道选择
• 4.2.1 认知无线电博弈模型
• 4.2.2 基于严格位势博弈的动态预留信道选择算法
• 4.2.2.1 严格位势博弈
• 4.2.2.2 动态预留信道选择算法
• 4.2.3 算法仿真与性能分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录