頻譜共享無線通信系統(tǒng)中檢測算法與性能分析.pdf

1、近幾十年，無線通信技術(shù)得到飛速發(fā)展，各種新技術(shù)和新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，以滿足人們對更高速優(yōu)質(zhì)通信體驗的需求。然而，隨著適宜通信的頻段被分配殆盡，頻譜資源成為制約無線通信技術(shù)演進(jìn)的主要瓶頸之一，頻譜共享技術(shù)作為解決這些問題的重要途徑日益受到人們的重視。傳統(tǒng)的頻譜共享技術(shù)主要圍繞認(rèn)知無線電場景展開，在第5代移動通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的今天，頻譜共享技術(shù)又被賦予了新的含義，得到了更為廣泛的應(yīng)用，如環(huán)境反向散射通信和高速鐵路移動通信等。

2、　　頻譜共享的核心思想是在同一空間內(nèi)，兩個及以上的無線通信系統(tǒng)共同利用同一段頻譜分別進(jìn)行通信以提高頻譜的有效利用率。在這種多個主體共存的空間中，主體之間的相互干擾、共同利用空間中資源時產(chǎn)生的沖突在所難免。那么如何合理地設(shè)計系統(tǒng)使得系統(tǒng)中各主體之間能夠和諧共處、高效有序的利用資源就具有重要意義。其中的一項關(guān)鍵要素就是對空間中其他主體行為的感知。對應(yīng)于頻譜共享系統(tǒng)，設(shè)計有效的檢測算法以感知各通信系統(tǒng)對頻譜的占用情況就成為舉足輕重的一個課題，

3、同時，精確的檢測算法又能夠優(yōu)化整個頻譜共享系統(tǒng)的通信效率，提高系統(tǒng)的吞吐量。
　　本論文圍繞著基于頻譜共享的無線通信系統(tǒng)的檢測算法及其對系統(tǒng)性能的影響展開研究，針對基于認(rèn)知通信的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)，提出多種適用于不同場景的頻譜感知算法，分析了頻譜感知對系統(tǒng)容量性能的影響，探究了高速移動場景下頻譜共享用戶的遍歷容量性能，最后研究了基于環(huán)境反向散射的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中存在的次用戶信號檢測問題。論文的創(chuàng)新性工作主要包括如下幾個方面:
　　(

4、1)傳統(tǒng)的頻譜感知算法通常只能分辨主用戶是否工作兩種狀態(tài)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的授權(quán)頻段用戶發(fā)射機具備功率控制功能，可以實現(xiàn)在多個發(fā)射功率之間切換，本文設(shè)計一種基于協(xié)作用戶信息軟合并的頻譜感知算法，在感知主用戶是否工作的同時，可以檢測得到主用戶所使用的發(fā)射功率，并應(yīng)用此信息對次用戶的吞吐量進(jìn)行優(yōu)化。此外還針對該場景的特殊性，分析了次用戶對主用戶所使用發(fā)射功率分辨能力對系統(tǒng)吞吐量的影響，研究發(fā)現(xiàn)次用戶并不需要檢測出全部的主用戶發(fā)射

5、功率就可以實現(xiàn)與全部檢測相近的吞吐量性能，這一發(fā)現(xiàn)有助于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計;
　　(2)針對基于能量檢測的頻譜感知算法在低信噪比場景下檢測精度受限的問題，設(shè)計了一種基于信號循環(huán)平穩(wěn)特性的協(xié)作檢測算法，對噪聲的概率密度分布沒有特定假設(shè)的要求，具有更好的普適性;同時針對傳統(tǒng)循環(huán)平穩(wěn)檢測需要預(yù)知主用戶信號循環(huán)頻率的問題，利用參與協(xié)作的各個次用戶接收到的信號構(gòu)建具備循環(huán)平穩(wěn)特征的檢測樣本，有效解決了這一問題;
　　(3)以高速鐵路移動通

6、信為背景，引入車頂中繼天線，實現(xiàn)車內(nèi)用戶與路面基站的通信，建立了相應(yīng)的時變頻選信道中繼通信系統(tǒng)模型，研究當(dāng)車廂內(nèi)用戶以頻譜共享方式接入車廂內(nèi)熱點后所能獲得的信道遍歷容量，推導(dǎo)得到了容量上界和下界的閉合表達(dá)式，同時得到了高信噪比下近似結(jié)果的閉合表達(dá)式。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高速移動場景下的通信問題受到學(xué)術(shù)界的日益重視，所得到的理論結(jié)果補充了目前在高速移動場景下時變頻選中繼信道遍歷容量分析方面研究的不足，可以為構(gòu)建車內(nèi)頻譜共享網(wǎng)絡(luò)提供上層

7、決策和資源管理方面的性能參考;
　　(4)研究了基于環(huán)境反向散射通信技術(shù)的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)標(biāo)簽可以實現(xiàn)兩種對環(huán)境信號的處理狀態(tài)時，利用差分編碼降低檢測對信道狀態(tài)信息的依賴，設(shè)計了一種基于中心極限定理的能量檢測算法;當(dāng)標(biāo)簽可以實現(xiàn)三種不同狀態(tài)時，提出了一種可以使誤碼率最小的三進(jìn)制編碼策略，并設(shè)計了相應(yīng)的檢測器，分析并推導(dǎo)了其誤碼性能的閉合表達(dá)式，證明了其在高信噪比區(qū)域存在地板效應(yīng)。最后通過仿真驗證了當(dāng)標(biāo)簽具有三種狀態(tài)時能有效改善環(huán)境