认知无线网络中的频谱感知和功率控制技术研究

摘要

随着无线通信的快速发展，有限的频谱资源变得越来越拥挤。然而，目前频谱资源的缺乏在很大程度上是由于低效率的静态频谱分配方案引起的，而不是物理上频谱本身的短缺。因此，与不断开放新的频段满足新增业务的需求相比，改变频谱资源的分配方式是更具有前景的一种方法。为了处理频谱资源紧缺和频谱低利用率之间的矛盾，认知无线电技术(CR)被认为是解决目前无线授权频谱低利用率的最佳方案。它可在不影响主用户(PU)通信的前提下，让认知用户或次级用户（SU）与PU共享频谱资源，从而提高无线频谱利用率。
　　 本文深入研究了认知无线电的频谱感知技术，探讨了认知中继网络的功率控制问题。主要工作和贡献如下：
　　 (1)提出一种基于感知结果可靠性的频谱感知算法。只有当认知用户本地感知结果可信时，才将其判决的二进制结果（0或1）发送到数据融合中心；否则，该认知用户用一价循环平稳特征算法重新检测该频段。认知无线电系统中频谱感知的作用是有能力以尽量快且准确地确定某频段是否有主用户存在。为了达到这个要求，提出了一种通过考虑感知结果可靠性的频谱感知算法。同时，在理论上推导了循环平稳特征捡测算法的感知性能，并用接收端特征曲线(ROC)来表征该算法的检测性能。由于一阶特征检测是在时域完成的，因此提出的算法具有实时操作和低功耗等优点。由于受无线信道阴影和衰落的影响，单个认知用户很难准确地检测到主用户，因此，又将该算法扩展到协作频谱感知算法。
　　 (2)针对协作频谱感知中衰落型报告信道（即SUs与融合中心间的链路）引入的误码，提出两种协作频谱感知算法：基于SU选择的协作频谱感知算法和基于分布式MIMO的协作频谱感知算法。由于协作频谱感知能够更准确地确定主用户的存在与否，因此，它被认为是认知无线电技术中的一个重要研究分支。在集中式协作频谱感知中，各认知用户需要通过报告信道发送其本地判决结果（0或1）到融合中心。目前，对协作频谱感知的研究很多都是假设报告信道为理想信道（即无误传输）。然而，在实际中，报告信道通常是受衰落的影响，这将降低频谱感知的检测性能。针对这个问题，首先，提出一种基于SU选择的协作频谱感知算法。该算法通过减小由衰落信道引进的误码概率来提高协作频谱感知的检测性能。其次，又提出一种基于分布式MIMO的协作频谱感知方法。通过在CR网络中，利用空间分集增益来降低由衰落报告信道引入的误码概率，从而提高检测性能。
　　 (3)构建了一种认知中继网络模型。该模型由源节点、目的节点、认知中继节点及主用户构成。认知中继节点以与PU共存的方式为源节点辅助传输信息到目的节点，只要保证其对PU通信造成的干扰在PU干扰门限值以下。首先，考虑单个认知中继节点的情形，当采用解码转发DF(Decode-and-Forward)中继模式时，分析了该模型在两种功率限制条件和三种无线信道情况下使接收端中断概率最小的功率控制策略；其次，考虑多个认知中继节点的情形，假设源节点、目的节点和认知中继节点之间的瞬时信道边信息(CSI)和认知中继节点到主用户之间的均值信道增益已知的前提下，研究该模型中认知中继节点分别采用放大转发(AF)和基于AF的中继选择(S-AF)下的功率分配策略，该策略以最小化系统中断概率为目标。