寬帶頻譜壓縮感知算法研究.pdf

1、頻譜感知（Spectrum Sensing）技術(shù)旨在尋找授權(quán)頻帶內(nèi)未被使用的空閑頻譜資源，是利用動(dòng)態(tài)頻譜接入機(jī)制解決可分配頻譜資源日益匱乏與授權(quán)頻帶被大量閑置之間矛盾的前提條件。隨著無線電技術(shù)與業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，寬帶頻譜感知技術(shù)因其能提供更靈活的接入選擇等諸多優(yōu)點(diǎn)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，已成為頻譜感知研究中一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。然而經(jīng)典的奈奎斯特采樣定理要求以兩倍于信號(hào)最高頻率的采樣率獲取采樣數(shù)據(jù)，因此寬帶頻譜感知需要極高的采樣速率，從而對(duì)

2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)以及采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過發(fā)掘頻譜資源利用率低而具備的稀疏性，寬帶頻譜壓縮感知技術(shù)將壓縮感知理論與寬帶頻譜感知研究相結(jié)合，有效地降低了寬帶頻譜感知對(duì)采樣速率的要求，從而解決了過高采樣速率帶來的一系列問題。目前，寬帶頻譜壓縮感知的研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在著許多問題有待解決。論文主要圍繞著寬帶頻譜壓縮感知研究中存在的若干問題進(jìn)行討論、展開研究，旨在對(duì)不同的感知場(chǎng)景設(shè)計(jì)有效、可靠的寬帶頻譜壓縮感知算法。

3、本文的主要研究成果如下：
　?。?）在單節(jié)點(diǎn)寬帶頻譜壓縮感知算法研究方面，針對(duì)無線衰落信道以及噪聲不確定性等諸多不利因素帶來的感知性能不理想等問題，通過發(fā)掘?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景中除了寬帶頻譜稀疏性之外的一些較易獲得的先驗(yàn)信息，如部分信道占用狀態(tài)、信道占用概率以及信道劃分信息，分別提出了基于部分占用狀態(tài)的寬帶頻譜壓縮感知算法、基于占用概率的增強(qiáng)型寬帶頻譜壓縮感知算法以及基于非零子塊迭代檢測(cè)的寬帶頻譜壓縮感知算法，并仿真了所提算法在無噪聲和有

4、噪聲時(shí)的性能。仿真結(jié)果表明所提算法均能有效地利用相應(yīng)的先驗(yàn)信息，顯著地提高單節(jié)點(diǎn)寬帶頻譜壓縮感知算法的頻譜重構(gòu)和頻譜感知性能。此外，仿真實(shí)驗(yàn)還討論了非理想先驗(yàn)信息以及算法參數(shù)對(duì)所提算法的影響。
　?。?）在多節(jié)點(diǎn)合作式寬帶頻譜壓縮感知算法研究方面，針對(duì)現(xiàn)有算法大多存在的合作開銷過大問題，利用多節(jié)點(diǎn)合作式感知場(chǎng)景中單個(gè)感知節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的大動(dòng)態(tài)范圍特征及不同節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的聯(lián)合稀疏特性，提出了基于支集融合的分布式寬帶頻譜壓縮感知算法，算

5、法采用迭代機(jī)制，利用鄰近節(jié)點(diǎn)之間的局部通信自適應(yīng)地獲得可靠的融合支集信息，并將其作為先驗(yàn)信息參與下一次迭代時(shí)的本地頻譜重構(gòu)。仿真實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)有的分布式算法作為參照，比較了所提算法的精確重構(gòu)概率、檢測(cè)概率、計(jì)算復(fù)雜度和通信負(fù)擔(dān)。仿真結(jié)果表明所提算法能夠以較低的合作開銷，獲得較好的頻譜重構(gòu)和頻譜感知性能。此外，仿真實(shí)驗(yàn)還分析了所提算法對(duì)算法參數(shù)選取的穩(wěn)定性。
　?。?）在多節(jié)點(diǎn)合作式寬帶頻譜壓縮感知算法研究方面，分析了現(xiàn)有算法由于均涉及頻

6、譜重構(gòu)過程，因而普遍計(jì)算量過大且需要一些諸如環(huán)境噪聲能量或者接收信號(hào)稀疏度等難以獲得的額外信息，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。鑒于寬帶頻譜感知通常僅關(guān)注于獲得整個(gè)寬帶頻譜的占用狀態(tài)，提出了基于Karcher均值的分布式寬帶頻譜壓縮感知算法，算法中使用聯(lián)合稀疏信號(hào)的Karcher均值作為表征頻譜占用狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)了從壓縮采樣數(shù)據(jù)到頻譜占用狀態(tài)的直接估計(jì)，從而省去了需耗費(fèi)大量運(yùn)算資源的頻譜重構(gòu)過程。為節(jié)省單個(gè)節(jié)點(diǎn)有限的通信資源，設(shè)計(jì)了一種分布式

7、交替乘子法，僅利用鄰近節(jié)點(diǎn)之間的局部通信，以分布式計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)了整個(gè)感知過程。仿真實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)有的分布式算法作為參照，比較了所提算法的檢測(cè)概率、計(jì)算復(fù)雜度和通信負(fù)擔(dān)，仿真結(jié)果表明無需額外信息的所提算法能夠以較低的通信資源開銷和極低的計(jì)算資源開銷獲得較好的頻譜感知性能。此外，仿真實(shí)驗(yàn)還測(cè)試了算法參數(shù)和感知網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)所提算法性能的影響。
　?。?）針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境中寬帶非平穩(wěn)信號(hào)增多導(dǎo)致的頻域不再具備稀疏性的情況，分析了現(xiàn)有寬帶頻譜壓縮