认知无线电中自适应发射信号设计研究

论文摘要

为了解决频谱资源稀缺与爆炸式增长的无线通信服务对频谱资源需求的矛盾,认知无线电(Cognitive Radio, CR)被作为一种有效的解决方案而提出。在认知无线电系统中,认知无线电用户可以自主的寻找某段频谱的授权用户(Licensed User, LU)不占用该频段的“频谱空洞”(即时间上或空间上的空闲频谱),在这些频谱内来传输自己的数据。认知无线电的对于无线资源频谱利用率的提高有重大意义。本论文主要研究了认知无线电用户在接入空闲频谱之后,如何设计自身的发射信号,以使得其自身资源利用最优化,并且同时保证授权用户(也称主用户)的传输不被破坏的问题。这一技术能保证认知无线电用户的合法接入以及更加有效的利用有限的频谱资源。本论文主要在以下方面进行了研究:对于单用户多载波的认知无线电系统,在接入授权用户的空闲频谱之后,如何抑制正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)符号的高边带泄露特性以控制对授权用户的干扰是一个重要的问题。本文首先介绍了现存的一些边带抑制方法,并分析其性能以及它们与认知无线电系统的不适应性。在此基础上,本文提出了两种认知用户发射信号优化模型,在这两种模型下,认知无线电用户可以在保证对授权用户的严格干扰限制下,达到自身容量的近似最优化。对于多用户窄带多入单出(Multiple Input Single Output, MISO)的认知无线电小区,本文将认知基站下行功率控制与对授权用户干扰控制的问题设计成了一个下行链路波束成形(Beamforming)的问题。通过数学转换可以看到,该问题在逐符号优化的情形下是一个标准的二次凸锥规划问题(Second Order Cone Programming, SOCP),可以通过标准的凸优化算法求解。另外,为了简易的硬件实现,该问题还可以被对偶成传统环境下的上行链路问题,从而用定点迭代法求解。仿真显示迭代法的性能几乎与凸优化解法一致。本文还研究了在多用户宽带多载波多入多出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)认知无线电小区中,上行发射信号的设计。在抑制对授权用户干扰的同时,通过预滤波与接收端的匹配滤波接收,可以选择一个空间信道进行选择,使得认知用户之间可以免除高的用户同频干扰,从而达到认知用户的容量最大化。本文为该问题设计了一种基于子梯度法的迭代解法,从仿真结果来看,采用这种收发结构的认知无线电系统容量优于其他用于对比的结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.2.1 认知无线电研究背景
• 1.2.2 认知无线电自适应发射信号设计研究背景
• 1.3 主要研究内容和贡献
• 1.4 本论文的结构安排
• 第二章 自适应发射信号设计基础
• 2.1 引言
• 2.2 凸优化基础
• 2.2.1 凸集
• 2.2.2 凸函数
• 2.2.3 凸优化问题
• 2.2.4 拉格朗日对偶
• 2.2.5 KKT条件
• 2.3 单用户自适应传输技术简介
• 2.3.1 注水算法
• 2.3.2 注水算法在认知无线电中的改进
• 2.3.3 小结
• 2.4 多用户自适应传输技术简介
• 2.5 多天线多用户自适应传输技术简介
• 第三章 单用户认知无线电系统发射信号设计
• 3.1 引言
• 3.2 系统建模
• 3.2.1 发射机模型
• 3.2.2 信号模型
• 3.3 问题场景描述
• 3.3.1 CCs方法原理
• 3.3.2 SW方法原理
• 3.3.3 两种方法小结
• 3.4 改进的插入CCs与SW方法
• 3.4.1 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 认知无线电中多天线多用户系统发射信号设计.
• 4.1 引言
• 4.2 系统场景
• 4.3 问题建模
• 4.3.1 SOCP解法
• 4.3.2 认知无线电波束成形的上下行对偶
• 4.3.3 数值迭代算法
• 4.4 仿真结果
• 4.5 小结
• 第五章 多天线宽带 MU-SVD
• 5.1 引言
• 5.2 系统模型
• 5.2.1 信道模型
• 5.2.2 信号模型
• 5.2.3 干扰估计
• 5.3 问题建模
• 5.3.1 MF接收模型
• 5.3.2 OFDMA接收模型
• 5.3.3 SD接收模型
• 5.4 发射信号设计算法
• 5.5 数值仿真结果
• 5.6 小结
• 第六章 全文总结与下一步工作
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间研究成果
• 个人简历