基于多维空间的射频频谱检测技术研究

摘要

随着无线通信技术的应用和发展，频谱资源相对于日益增加的通信需求变得十分有限，频谱检测是发现空闲频谱和提高频谱资源利用率的关键技术。对应于信号传输的多维性，空闲频谱也具有多个维度。除了频率作为固有维度外，另外两个最基本的维度就是时间和空间。本学位论文深入研究认知无线电(CR，Cognitive Radio)网络环境在时间维度、空间维度以及联合时间与空间维度上的多维空间频谱检测。首先在时间维度上研究了CR网络频谱感知中能量检测的最优门限、CR网络中基于Dempster-Shafer(D-S)证据理论的合作频谱感知方法和CR网络噪声不确定环境下频谱感知中的双门限检测方法;然后在空间维度和时间维度上研究了适用于CR网络典型场景的空闲频谱检测方法和CR网络中采用平均检测概率约束的空时二维感知方法。
　　论文的主要研究成果如下：
　　1.针对频谱感知中的能量检测，得到了一个本地检测的最优门限和采用大数融合规则进行多用户合作频谱检测的次优门限。分析与仿真结果表明，单用户检测时，本地最优门限使得虚警概率和漏检概率相加后的系统错误概率最小;在较低信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)且采用大数融合规则进行多用户合作检测时，次优门限对应的系统错误概率接近最小值。
　　2.针对合作频谱感知，提出了一种基于D-S证据理论的频谱检测方法，该方法对冲突证据源和融合规则进行了修正。分析与仿真结果表明，同“与”、“或”融合及其他D-S证据理论融合方法相比，所提方法进一步提高了CR网络检测性能，并可作为加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gauss Noise)信道和Rayleigh信道等网络环境的通用频谱感知方法。
　　3.针对噪声不确定环境下频谱感知中的能量检测，提出了一种双门限的检测方法。该方法根据噪声不确定范围设置高、低两个检测门限，只对介于两检测门限之外的检测结果进行判决。分析与仿真结果表明，该方法克服了噪声不确定的影响，并且噪声不确定环境下得到的检测性能要优于噪声确定环境下采用精确噪声功率得到的检测性能。在AWGN信道及Rayleigh信道下应用该方法，检测性能均有显著改进。
　　4.针对CR网络中若干典型场景，提出了一种空闲频谱检测方法，通过排除空间虚警（SFA，Space False Alarm）影响，得到单个认知用户（从用户）在路径损耗和Rayleigh衰落影响下的空闲频谱检测概率，同时得到路径损耗影响下多用户合作检测及单用户在宽带环境下的空闲频谱检测概率。分析与仿真结果表明，所提方法的空闲频谱检测概率与采样次数有关;在该方法下采用多用户合作检测时的空闲频谱检测概率未必高于单用户检测;Rayleigh衰落会使空闲频谱检测概率进一步减小，而增加带宽则会使空闲频谱检测概率大大提高。
　　5.针对CR网络的空闲频谱检测，提出一种采用平均检测概率约束的空时二维感知方法。以检测概率在整个检测区域内的平均值，作为从用户接入授权用户（主用户）频谱的约束，并由此设置检测门限，在理论上得到时域、空域及空时二维空闲频谱接入概率。分析和仿真结果表明，该方法所得到的时域虚警概率和空域虚警概率均降低，空时二维空闲频谱的接入概率显著提高。

目录

声明

摘要

图表目录

缩略语

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 单个从用户本地频谱检测技术

1．2．2 多个从用户合作频谱检测技术

1．2．3 噪声不确定环境下频谱检测技术

1．2．4 多维频谱检测技术

1．3 论文研究内容和章节安排

第2章 CR网络频谱感知中基于能量检测的最优门限

2．1 引言

2．2 系统模型

2．3 能量检测方法

2．3．1 单个从用户能量检测方法

2．3．2 多个从用户能量检测方法

2．4 检测判决准则

2．4．1 Neyman-Pearson准则

2．4．2 最小错误概率准则

2．5 频谱检测的最优门限

2．5．1 单个从用户频谱检测的最优门限

2．5．2 多个从用户合作频谱检测的最优门限

2．6 仿真与讨论

2．6．1 单个从用户频谱检测性能仿真

2．6．2 多个从用户合作频谱检测性能仿真

2．7 本章小结

第3章 基于D-S证据理论的合作频谱感知方法

3．1 引言

3．2 基于D-S证据理论的合作感知

3．2．1 合作感知模型

3．2．2 D-S证据理论

3．3 修正了BPA函数和融合规则的D-S证据理论

3．3．1 采用预估和模糊度计算公式修正BPA函数

3．3．2 针对证据冲突修正融合规则

3．3．3 BPA函数和融合规则均修正后的D-S证据理论

3．4 仿真与讨论

3．5 本章小结

第4章 噪声不确定环境下的双门限能量检测方法

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 噪声不确定环境下的双门限能量检测方法

4．3．1 噪声不确定环境的SNR限

4．3．2 噪声不确定对能量检测的影响

4．3．3 双门限检测方法

4．4 仿真与讨论

4．5 本章小结

第5章 适用于CR网络典型场景的空闲频谱检测方法

5．1 引言

5．2 系统模型及空闲频谱检测概率分析

5．2．1 系统模型

5．2．2 空闲频谱检测概率分析

5．3 典型场景下各空闲频谱检测概率

5．3．1 路径损耗下多用户合作检测

5．3．2 路径损耗及瑞利衰落下的单用户检测

5．3．3 路径损耗下宽带中的单用户检测

5．4 仿真与讨论

5．5 本章小结

第6章 采用平均检测概率约束的空时二维感知方法

6．1 引言

6．2 系统模型

6．3 采用平均检测概率约束的空时二维频谱感知

6．3．1 时域感知

6．3．2 空域感知

6．3．3 采用平均检测概率约束的空时二维感知

6．4 空闲频谱接入概率分析

6．4．1 时域感知的空闲频谱接入概率

6．4．2 空域感知的空闲频谱接入概率

6．4．3 采用平均检测概率约束的空时二维感知的空闲频谱接入概率

6．5 仿真与讨论

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 主要研究成果

7．2 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的主要成果