认知无线电中多用户协作频谱感知技术研究

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无线频谱是无线通信系统中宝贵的、不可再生的资源。目前各个国家基本上采取静态的频谱分配政策，且可用的频谱资源也基本上分配完毕。但是随着无线通信的快速发展，越来越多的通信业务需要新的频段。如此同时，一些授权频段的频谱利用率极低，很多频段基本处于空闲状态。认知无线电被认为是提高频谱利用率的潜在技术之一。在认知无线电系统中，认知用户通过频谱感知实时检测频谱空洞并伺机接入该频段。频谱感知技术主要分为独立感知和协作感知两种方式。协作感知能有效地克服独立感知中存在的阴影、衰落和隐藏终端等问题，通过硬合并或软合并方式来融合各认知用户发送的数据，以对主用户是否存在做出综合判决。针对协作频谱感知技术的研究，本文主要工作和创新点如下：
　　（1）研究了能量检测（Energy Detection，ED）法的感知性能，考虑到循环平稳特征检测（Cyclostationary Feature Detection，CFD）的特点，对ED算法进行改进，提出了基于能量的ED-CFD双门限协作感知算法，推导了算法的检测概率和虚警概率的闭合表达式。该算法中，当信号能量位于两个门限之外时，由认知用户直接进行ED检测并发送决结果至数据融合中心（Fusion Center，FC）， FC再采用OR规则进行硬合并；仅当能量处于中间区域时才发送观测信号至FC，并由FC采用CFD算法进行二次软判决。仿真表明ED-CFD双门限协作感知算法检测性能优于ED协作方式，在能量不确定性概率较大时也优于CFD协作方式，但网络开销较CFD方式有很大下降。
　　（2）在认知无线电网络（Cognitive Radio Network，CRN）中，当参与协作的认知用户离主用户的距离相近时其感知结果相似，为了减少网络开销，不需要每个认知用户都向FC报告检测结果。同时，由于认知用户和主用户之间的距离不同，报告的可信度也不一样。针对此研究提出了一种基于能量的分簇加权协作感知算法。该算法首先假定认知用户已经利用无线传感器网络的某种分簇算法进行了分簇，簇内认知用户各自利用ED算法完成本地判决，并发送判决结果给簇头，由簇头代表本簇做出簇内决策并发给FC，FC对各簇头发送的簇内决策进行距离加权并做出最终判决。仿真表明该算法既能取得较高的检测概率，也能取得较低的虚警概率，是一种全局较优的感知算法。
　　（3）研究提出了一种利用接收信号协方差矩阵最大最小特征值合并（Combination of Maximum-Mimimum Eigenvalue，CMME）的协作盲感知算法，该算法将λmaxλmin/(λmax+λmin)作为判决统计量来检测主用户信号，同其它同类算法相比，CMME算法检测概率有较大提高。但CMME算法需要所有认知用户都发送观测数据至FC，网络开销较大，考虑到带宽受限和ED算法特点，将CMME算法进行改进，设计了ED-CMME单门限协作感知算法，该算法仅当所有认知用户的能量都低于判决门限时才采用CMME方式进行二次检测，较CMME算法减少了网络开销。但实际中，只要判决门限设置合理，若所有认知用户的判决结果都为零，则主用户信号有可能确实不存在，此时无需进行二次判决，据此提出了ED-CMME双门限协作感知算法。该算法中设定了两个判决门限，仅当部分认知用户能量位于中间区域且FC无法做出判决时才需要进行CMME检测。ED-CMME双门限协作感知算法与所提的CMME和ED-CMME单门限感知方式相比，网络开销进一步下降。同时，当信号能量不确定性概率较大时其检测性能也比这两种方式更好。
　　（4）研究了中国移动多媒体广播（China Mobile Multimedia Broadcasting， CMMB）信号的频谱感知技术。首先将本文提出的几种频谱感知算法应用于CMMB信号检测中，结果表明所提算法均可有效的检测出主用户信号。接着根据CMMB信号特点，研究提出了一种基于数据平滑的离散导频检测算法。该算法首先利用一阶滞后滤波器对接收数据进行平滑处理，再将特定时延处的循环自相关（Cyclic Autocorrelation Function，CAF）函数作为判决统计量。该算法较基于二阶或高阶累积形式的CFD算法复杂度大大降低，能简单有效地检测出CMMB信号。

著录项

作者
刘会衡;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科通信与信息系统
授予学位博士
导师姓名陈伟;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TN925.93;
关键词
认知无线电网络; 多用户协作频谱感知技术; 信号处理; 算法优化;

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