基于多天线的认知无线电动态频谱共享技术研究

摘要

无线通信快速发展的需求以及频谱资源拥挤的状况，极大地推动了新型无线通信技术的发展，特别是寻求新的频谱使用策略来提高频谱利用率。近年来出现的认知无线电新技术，为无线电频谱的使用提供了更加灵活、更加有效的方案，认知无线电频谱共享技术作为一个崭新的研究领域，在新一代的无线通信网络中将具有非常广阔的应用前景。本文正是基于这一背景开展的研究。
　　 认知无线电频谱共享技术研究的主要目的，在于通过授权主用户和认知用户之间、以及认知用户相互之间共享频谱，从而在保证主用户正常通信的前提下，极大的提高频谱利用率。针对这个目的，本文首先提出基于多天线选择和能量感知的频谱检测方案，在获得频谱使用感知结果的基础上对频谱共享技术展开讨论，提出了多天线认知无线电系统中的频谱共享的新算法和新策略，最后着重考虑主用户保护机制，提出了新的动态频谱接入多信道传输策略。具体而言，主要工作和创新如下：
　　 （1）构建了具有多天线系统的认知无线电频谱感知模型，为提高频谱检测的可靠性，提出了一种新的基于天线选择和能量感知的频谱检测算法。
　　 为提高认知无线电系统中频谱检测的可靠性，构建了具有多天线系统的认知无线电频谱感知模型，并基于该模型提出了一种新的基于天线选择和能量感知的频谱检测新算法。该算法利用认知用户多个接收天线的感知信息，根据认知用户与主用户之间信道的差异，充分利用多天线的空间分集，选择部分能够使检测概率最大化的天线进行合作检测，从而提高感知数据的可靠性。
　　 （2）研究了多天线技术对多用户认知无线电系统的影响，构建了多用户认知MIMO无线电系统模型，据此推导分析了多天线对主用户和认知用户中断概率性能的影响。
　　 构建了多用户认知MIMO无线电系统模型，详细的推导了系统在平坦瑞利衰落信道环境下的多天线下行高斯信道中，认知用户和主用户的中断概率，给出它们的闭合数学表达式。通过分析可以看到系统SINR（信干比）门限值的选取也决定了中断概率的变化。最后，通过仿真验证理论分析的正确性，比较了理论值和仿真值试验结果。大量的仿真结果表明，虽然认知用户的多天线技术对主用户的中断概率有一定的影响，即增大了主用户的中断概率，但是对于认知用户而言多天线技术则大大的降低了系统的中断概率。
　　 （3）建立了主用户和认知用户共存的认知无线电多用户系统模型，提出一种基于干扰温度和信干噪比的主用户和认知用户的频谱共享策略，达到在保证主用户正常通信的情况下提高认知用户的QoS性能的目的；此外，通过考虑主用户对认知系统的影响提出多天线频谱共享优化问题。
　　 为提高频谱利用率，实现认知无线电网络中主用户和认知用户的频谱共享目的，建立了主用户和认知用户共存的认知无线电多用户系统模型。由于干扰是频谱共享问题的主要因素，在干扰温度与信干噪比限制条件下对系统的性能进行分析，意在讨论认知用户的加入和退避对主用户及系统容量等方面的影响。通过推导系统容量以及大量的仿真表明，本文提出的主用户和认知用户频谱共享策略在保证主、认知用户的干扰温度与信干噪比限制的同时，由于充分的利用了频谱机会，相比于系统单独采用覆盖或平铺接入方式大大地提高了系统的实际吞吐量。对于多天线频谐共享优化问题，通过考虑主用户的影响，提出基于主用户行为的多天线频谱共享方案，并在频谱共享的覆盖接入和平铺接入两种不同的接入方式下，分别提出系统频谱共享优化算法。
　　 （4）为提高认知用户的接入效率，提出具有主用户保护机制的多信道传输策略。
　　 在认知无线电系统中提出一种新的动态频谱接入多信道传输策略。在频谱的动态模型基础上，提出具有主用户保护机制的多信道传输策略以提高频谱效率，并研究在完全和非完全感知情况下的系统性能。新的传输策略在提高认知用户的平均吞吐量和保护主用户性能的方面具有一定的优越性，既提高了认知系统平均吞吐量又保证了主用户的冲突概率在一定的范围内。

目录

文摘

英文文摘

基金项目

缩略语表

图表说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 认知无线电定义及国内外研究现状

1.3 认知无线电动态频谱接入技术研究现状

1.4 多大线技术的研究现状

1.5 认知无线电相关标准、相关研究项目

1.6 本文课题的研究意义

1.7 研究内容和本文的主要贡献

1.7.1 研究内容

1.7.2 本文的主要贡献

1.8 论文的结构安排

第二章 认知无线电频谱感知和动态频谱共享技术

2.1 引言

2.2 认知无线电频谱感知技术研究现状

2.2.1 主用户发射机检测

2.2.2 协作检测

2.2.3 主用户接收机检测

2.3 认知多天线技术

2.4 认知无线电动态频谱接入与频谱共享

2.4.1 频谱共享

2.4.2 机会频谱接入

2.4.3 基于马尔可夫链机会频谱接入

2.4.4 认知MAC协议

2.5 本章小结

第三章 基于天线选择的多天线频谱感知技术

3.1 引言

3.2 基于天线选择的多天线频谱感知技术

3.2.1 系统模型

3.2.2 基于天线选择的感知算法

3.3.仿真与分析

3.4 本章小结

第四章 多用户认知MIMO系统的中断概率分析

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 中断概率的分析

4.3.1 主用户的中断概率

4.3.2 认知用户的中断概率

4.4 仿真与结果分析

4.5 本章小结

4.6 附录

第五章 基于多天线的机会频谱共享技术研究

5.1 引言

5.2 在干扰温度和信干噪比限制下主用户和认知用户的共存性研究

5.2.1 系统模型

5.2.3 在两个限制条件下的系统吞吐量

5.2.4 系统仿真

5.3 基于主用户行为的多天线频谱共享方案

5.3.1 系统模型

5.3.2 频谱接入方式

5.3.3 系统仿真

5.4 本章小结

第六章 动态频谱接入技术中的多信道传输策略

6.1 引言

6.2 用户行为模型

6.2.1 主用户的行为模型

6.2.2 认知用户接入行为

6.3 问题的描述

6.3.1 完全感知情况下的动态频谱接入

6.3.2 非完全感知情况下的动态频谱接入

6.4 数值仿真分析

6.5 本章小结

第七章 结束语

7.1 论文总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间撰写的学术论文

攻读博士学位期间撰写的专利

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间荣获的主要奖励

致谢