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认知无线电频谱感知与频谱利用率优化技术研究

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2认知无线电概述

1.3研究内容与发展现状

1.4论文主要工作与贡献

1.5论文章节安排

第二章 系统模型与研究基础

2.1引言

2.2认知无线电系统模型

2.3能量检测频谱感知方法

2.4频谱利用率优化方法

2.5本章小结

第三章 主用户随机接入/离开条件下频谱感知性能分析方法

3.1引言

3.2系统模型

3.3频谱感知性能分析

3.4仿真分析

3.5本章小结

第四章 传输冲突下单门限静态检测最优频谱利用率分析与求解

4.1引言

4.2系统模型

4.3最优频谱利用率分析与求解

4.4仿真分析

4.5本章小结

第五章 传输冲突下双门限动态检测最优频谱利用率分析与求解

5.1引言

5.2系统模型

5.3最优频谱利用率分析与求解

5.4仿真分析

5.5本章小结

第六章 基于连续时间马尔可夫链的频谱利用率分析方法

6.1引言

6.2基于连续时间马尔可夫链的系统建模

6.3理想感知下频谱利用率分析方法

6.4非理想感知下频谱利用率分析方法

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1主要工作与成果

7.2工作展望

致谢

参考文献

作者简介

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摘要

随着高速数据业务的繁荣发展与智能移动终端的快速普及,人们对无线接入速率的需求呈爆发式增长。频谱作为无线通信的基本资源,正处于“稀缺”与“浪费”共存的尴尬境地。为有效缓解频谱稀缺压力,认知无线电技术应运而生。认知无线电系统通过感知周边频谱环境,在尽量不影响主用户传输的前提下,从时间、空间、能量等维度“见缝插针”地使用频谱资源,能够有效提高频谱利用率,使频谱摆脱目前所处窘境,从提出伊始一直受学术领域和产业界的高度重视。在认知无线电系统中,主用户行为与频谱可用机会直接相关,而主用户占用频谱时机的不确定性,导致频谱可用机会在时频等多个维度的不规则性,极大增加了频谱感知与利用的难度。鉴于此,本文从主用户行为出发,分别对主用户在不同时机占用频谱的情况进行建模,重点围绕认知无线电系统频谱感知性能以及不同场景、不同检测模式下的最优频谱利用率展开理论研究,力求指导和完善实际认知系统设计。
  本研究主要内容包括:⑴针对已有研究缺乏对主用户行为随机性的考虑,难以有效支撑实际认知系统频谱感知性能分析的问题,采用马尔可夫过程刻画主用户在次用户感知时隙内的随机接入/离开行为,提出一种主用户随机接入/离开行为下的频谱感知性能分析方法。该方法首先利用聂曼-皮尔逊准则,获得不同主用户信号有效长度的似然比函数;其次,根据主用户在感知时隙内的不同行为,将所有可能出现的情况划分为4种典型场景,推导出相应主用户信号有效长度的概率分布,并利用全概率公式得出不同有效长度的出现概率;然后,结合变量代换分析,采用能量检测感知方法,依据条件概率公式求出次用户平均检测概率的闭式解;最后通过数值仿真验证了理论推导结论的合理性和正确性。结果表明主用户随机接入/离开行为对频谱感知性能的影响最大超过50%,在实际中应予以重视。⑵针对已有研究未充分考虑主次用户传输冲突,所得结论难以指导实际时隙设计的问题,提出一种主次用户传输冲突下的单门限静态检测最优频谱利用率分析方法,并给出最佳感知时隙设计参考。该方法依据排队论思想,采用单个服务台下M/M/1模型表征主用户随机接入行为,综合考虑感知时隙与传输时隙比例、频谱检测概率、主次用户传输冲突概率等因素,推导出频谱利用率与感知时间之间的函数关系式,在此基础上,论证了函数二阶导数为负,说明最优频谱利用率的存在性,并通过求解函数驻点,推导出最佳感知时间,给出设计参考。仿真结果表明,主次用户传输冲突对最优频谱利用率的影响达到20%以上,实际应适当增加感知时间,以减少冲突,提高频谱利用率。⑶相比单门限静态检测,双门限动态检测不固定感知时隙,系统参数更为复杂,尚缺乏直接有效的理论指导,针对这一问题,提出一种主次用户传输冲突下的双门限动态检测最优频谱利用率分析方法,并给出最优频谱利用率下的系统参数设计参考。该方法充分考虑双门限检测的特点,先依据判决门限与虚警概率、频谱检测概率的相互关系,推导获得期望感知时间的表达式,在此基础上,综合主次用户传输冲突概率、频谱检测概率以及期望感知时间等因素,构建出频谱利用率和虚警概率之间的函数关系式,并通过函数导数分析了函数凸性,求出最优频谱利用率,给出相应的参数设置参考。仿真结果表明,主次用户传输冲突的引入对双门限动态检测下的最优频谱利用率影响最大可以达到30%,应在实际中予以考虑。⑷为分析系统整体的频谱利用率,已有研究通常采用连续时间马尔可夫链对主次用户行为进行统一建模,但由于在应用场景或假设条件等方面存在一定限制,难以有效评估实际系统性能,针对这一问题,面向多信道、多用户、非确定状态数量的一般化认知无线电系统,提出一种基于连续时间马尔可夫链的频谱利用率分析方法。该方法在二元检测的分析框架下,首先针对理想感知情况,根据主次用户的行为状态转移构建二维马尔可夫过程,求出相应的转移概率,依据生灭过程的相关理论,求解出系统中各个状态的平稳分布,进而获得主次用户冲突概率及系统频谱利用率的函数表达式;进一步地,引入检测误差,修正状态转移关系,推导求得非理想感知下相应分布及函数表达式。数值仿真验证了新模型的合理性和理论分析的正确性。

著录项

  • 作者

    陈松;

  • 作者单位

    解放军信息工程大学;

    中国人民解放军信息工程大学;

  • 授予单位 解放军信息工程大学;中国人民解放军信息工程大学;
  • 学科 军事信息学
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 胡捍英;
  • 年度 2015
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 信号分析;
  • 关键词

    无线通信; 频谱利用; 信号分析; 认知无线电;

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