多天線協(xié)作頻譜感知技術(shù)研究.pdf

1、近年來隨著智能無線通信終端數(shù)量和業(yè)務(wù)的不斷增長，使得無線頻譜資源變得越來越緊張。在固定分配頻譜資源的傳統(tǒng)頻譜管理方式下，很難再為不斷增加的無線通信業(yè)務(wù)提供足夠的頻譜資源。認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）是一種能夠解決上述難題、具有廣闊應(yīng)用前景的新興技術(shù)，近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。頻譜感知通過實(shí)時檢測主用戶（Primary User，PU）信號尋找PU系統(tǒng)頻譜空洞，它是CR未來得以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
　　

2、在實(shí)際應(yīng)用場景中，往往要求頻譜感知周期非常短，以便CR用戶（Secondary User，SU）可充分利用空閑頻譜資源。為了在極短的頻譜感知周期內(nèi)感知PU信號，論文第二章提出了兩種基于多天線協(xié)作的單用戶頻譜感知算法。第一種為基于廣義似然比（Generalized Likelihood Ratio Test，GLRT）的過采樣頻譜感知算法。該算法利用過采樣技術(shù)能夠在較短的頻譜感知周期內(nèi)獲得足夠多的信號樣本。同時，該算法充分利用多輸入多輸出

3、（MultipleInput Multiple Output，MIMO）信道的時間和空間相關(guān)特性，提高單用戶頻譜感知技術(shù)的頻譜感知性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提算法較現(xiàn)有能量檢測（Energy Detection,ED）和現(xiàn)有GLRT算法具有更好的頻譜感知性能，尤其在信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）較低的場景中，性能增益更加明顯。其次，針對PU對信道占用狀態(tài)的“駐留”特性，第二章還提出了一種基于能量檢測的多時隙協(xié)同

4、頻譜感知算法。在該算法中，SU線性合并不同頻譜感知時隙的本地頻譜感知檢測統(tǒng)計量，從而可獲得更多的頻譜感知信息。論文分析了該算法在高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道下的頻譜感知性能。數(shù)值仿真結(jié)果表明，提出的基于能量檢測的多時隙協(xié)同頻譜感知算法較傳統(tǒng)的單用戶單時隙ED算法具有更好的頻譜感知性能。
　　在衰落信道下，由于可以利用空間分集增益，多用戶協(xié)同頻譜感知通過讓多個SU同時參加頻譜

5、感知，可以獲得較單用戶頻譜感知更優(yōu)的性能。第三章研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的多用戶協(xié)同頻譜感知技術(shù)，即各SU配置不同數(shù)目的接收天線，同時各接收天線對應(yīng)不同信號采樣率。考慮到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下SU的本地頻譜感知數(shù)據(jù)可靠性的差異，第三章首先提出了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下存在本地頻譜感知數(shù)據(jù)上報誤差時，基于歸一化能量檢測的最優(yōu)協(xié)同頻譜感知算法。同時，第三章還給出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下存在本地頻譜感知數(shù)據(jù)上報誤差時，基于歸一化能量檢測的最優(yōu)協(xié)同頻譜感知算法、傳統(tǒng)等增益合并（Equa

6、l Gain Combination，EGC）和最大歸一化能量（Maximum Normalized Energy，MNE）合并算法在本地頻譜感知數(shù)據(jù)上報誤差下的理論頻譜感知性能。此外，為了規(guī)避對接收SNR和本地頻譜感知數(shù)據(jù)上報誤差方差這些先驗(yàn)信息的需求，第三章進(jìn)一步提出了一種次優(yōu)的協(xié)同頻譜感知算法。仿真結(jié)果表明，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下存在本地頻譜感知數(shù)據(jù)上報誤差時，基于歸一化能量檢測的最優(yōu)協(xié)同頻譜感知算法及次優(yōu)算法均可獲得比現(xiàn)有EGC算法和MNE

7、算法更優(yōu)的性能。另外，為了克服傳統(tǒng)ED算法受噪聲不確定性影響的問題，第三章還提出了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下基于廣義似然比的協(xié)同頻譜感知算法。該算法的全局檢測統(tǒng)計量為SU本地頻譜感知檢測統(tǒng)計量的線性合并。該算法同樣考慮了SU接收天線數(shù)目不同、接收信號樣本數(shù)目不同和接收信噪比不同導(dǎo)致的本地頻譜感知數(shù)據(jù)可靠性差異。本章還分析證明了該算法對噪聲不確定性的魯棒性。數(shù)值仿真結(jié)果表明，本章提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下基于廣義似然比的協(xié)同頻譜感知算法較現(xiàn)有EGC算法具有更優(yōu)

8、的頻譜感知性能，尤其在 SU本地頻譜感知數(shù)據(jù)可靠性差異較大的場景下，增益更為明顯。
　　為了以低系統(tǒng)開銷快速地檢測到PU空閑信道，第四章提出了一種基于數(shù)據(jù)庫的寬帶頻譜感知信道選擇策略。在該信道選擇策略中，CR系統(tǒng)選擇空閑概率較大的PU信道優(yōu)先感知。數(shù)字計算結(jié)果表明，提出感知信道選擇策略較傳統(tǒng)的信道隨機(jī)選擇策略，能以更大概率的檢測到PU空閑物理信道。
　　第五章對全文的主要貢獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，同時指出了本文和相關(guān)領(lǐng)域暫未考慮的一些具