基于认知无线网络的频谱感知与信道切换技术研究

摘要

随着社会的进步和科技的发展，人们对各种通信业务，特别是无线通信业务的需求越来越大。在这种状况下，频谱资源的不可再生性和稀缺性，就直接限制了无线通信技术发展与应用。认知无线电技术的研究和应用，就是针对无线通信系统频谱资源匮乏和当前实际利用效率低下的现实问题而提出来的，这一技术的演进和发展，为全面提升频谱资源效用提供了高效利用，提供了具体的技术解决方案和实施策略。
　　本论文主要针对认知无线认知网络技术中的检测开销、信道预测避让、系统效能优化和部分认知用户优选等关键技术问题进行研究，分别提出了一系列算法和策略，并进行了仿真验证。本论文的研究成果对于解决现实技术难点，推动技术应用具有一定的参考借鉴作用，整理如下：
　　（1）减少检测开销是解决系统资源受限问题的一个有效途径。本文提出了一种基于信号能量检测的系统感知优化算法。该方法采用二元假设理论、能量检测方法和信息融合技术，对无线通信系统的虚警概率和探测概率进行推导和估计，设立了基于最小检测开销的约束条件，并推导出感知用户数量的数学表达式。数学推导和系统仿真都验证了一定存在相应的认知用户数量和感知时长，能够对应于信道检测开销最小值，并证明了信道检测开销最小值存在的必然性和唯一性。
　　（2）及时并准确地完成信道切换，是解决首要用户和次要用户发生碰撞相关问题的关键。相比传统的被动式信道避让方法，基于信道预测的主动式信道切换方法明显地具有更高的准确率和更好的鲁棒性。本论文采用基于主动的信道感知模式，首先对信道资源信息进行历史搜集和提前预测，然后根据实时采集数据的变化状态来判断定首要用户即将出现的概率，同时又兼顾信道感知过程中产生的感知开销，在现有算法的基础上，提出了信道切换的改进型算法。通过仿真，与已有文献中给出的信道切换方法进行数据对比，实验结果表明本文的方法在对信道干扰最小的前提下，有效地降低切换次数约22％。
　　（3）考虑到认知无线网络中的合作频谱感知技术特点，提出了一种基于 IEEE802.22系统模型的系统效能的特征描述和优化策略。该方法首先采系统效用函数对认知用户在感知过程中的各类能量消耗与开销进行了分析，然后采用吞吐量模型对系统的效能进行建模表征。同时，本论文引入吞吐量归一化函数，有效地简化了系统能效地评估问题。最后，在对频谱感知工作时序分析的基础上，提出最大系统效用的优化算法。通过仿真验证了，参与感知认知用户的数量和感知过程的时间这两个指标参数与系统效用性能之间的相互作用关系，以及使系统效用性能达到最大值的基本条件。
　　（4）在分析系统效能优化算法的基础上，对优化算法的研究进行了拓展和延伸。讨论了选用部分用户进行系统效能优化的策略和方法，推导出最优感知用户数量的表达式，提出了基于最优用户的系统效能优化算法，系统仿真说明了最优用户数量能够对应系统吞吐量的峰值，并与传统的与算法、或算法相比，呈现出明显得优势。部分用户参与的算法和全体用户参与的算法相比较，仿真结果显示，虽然部分用户参与的算法不能够达到吞吐量的峰值，但是仍然优于全体用户参与的算法。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2认知无线电技术的研究现状

1.3主要研究内容及组织结构

1.4本章小结

第二章 认知无线电体系结构及关键技术

2.1认知无线电的体系结构

2.2认知无线电关键技术

2.3本章小结

第三章 基于能量检测的信道检测开销优化

3.1引言

3.2多用户合作频谱感知

3.3感知信号能量检测

3.4系统模型

3.5基于能量检测的信道检测优化策略

3.6仿真结果及分析

3.7本章小结

第四章 基于主动模式的信道切换优化

4.1引言

4.2信道切换技术

4.3系统模型

4.4基于主动模式的信道切换优化策略

4.5仿真和结果分析

4.6本章小结

第五章 基于合作频谱感知的系统效能优化

5.1引言

5.2合作频谱感知时序机制

5.3系统模型

5.4最佳系统效能优化方案及算法

5.5最优用户数量效能优化方案及算法

5.6本章小结

第六章 结束语

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

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