基于频谱感知的动态频谱管理研究

摘要

随着无线通信业务需求的快速增长，对适用于无线通信的无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致频谱资源日益紧缺。然而现有的无线通信系统所采用的静态频谱分配机制却导致频谱资源浪费，使得频谱利用率低。动态频谱共享突破固定频谱分配的模式，提高频谱效率，是解决频谱紧缺和频谱浪费之间的矛盾的有效手段。认知无线电利用空闲的授权频谱，是实现动态频谱共享的关键技术之一。同时应用频谱感知也给频谱管理带来了新的挑战。
　　频谱感知作为认知无线电技术实现的前提，密切关联到后续的频谱管理。认知无线电频谱管理的各个方面，包括频谱感知、频谱决策、频谱共享和频谱切换，在已有的研究中一般是解耦进行研究的，对彼此间的相互影响考虑较少，没有充分挖掘这种影响可以带来的收益。如何在非理想的频谱感知的前提下更有效地进行频谱管理，如何结合频谱管理的其他方面对频谱感知进行改进，还有广阔的研究空间。
　　作为对上述问题的探讨，本文以分簇认知无线电系统为应用场景，对基于频谱感知的动态频谱管理展开讨论，以期避免对授权用户的干扰同时保证认知用户的服务质量。本文的主要工作及创新点如下:
　　论文探讨频谱感知的改进，实现认知无线电的宽频带频谱感知能力。针对分簇认知无线电网络特点，提出压缩频谱感知算法，通过将压缩采样技术用于频谱感知，有利于在宽频带上实现频谱感知。并给出了两个应用实例，探讨压缩频谱感知与频谱分配进行联合设计的可能。
　　将频谱感知代价引入频谱决策的衡量标准，定义了频谱感知代价函数，检测成本决定于检测错误、能量带宽开销、时延多个因素。将频谱感知代价作为频谱决策的一个指标指导频谱感知行为，以最小化频谱感知代价为目标，提出了序列式协作频谱感知算法。该算法采用序列检测作为处理检测的能量带宽开销与检测准确性之间的折中的有效手段，力图只采集和传输必要的样本，明显降低样本数量以及相应的采集传输代价。为了获得空间分集增益，并考虑到多个次用户能量消耗的公平性，在序列检测过程中每次同时激活多个次用户进行采样，对于设备能量受限的网络这一点尤为重要。为了控制序列采样机制增加的检测时延，提出条件均值激活及采样算法用于次用户激活及采样机制，通过选择各时刻激活的次用户个数来控制能量带宽开销和时延的折中。该算法通过理论分析得出可简单应用的结果，对一般性的信号检测场景具有一定的应用价值。
　　对频谱感知与频谱切换联合设计进行了探讨。将隐马尔科夫模型用于信道状态预测，考虑不完美的频谱感知的影响。将频谱感知性能参数（即虚警概率和漏警概率）引入隐马尔科夫模型的要素，增加信道状态预测的准确性。同肘考虑频谱切换性能对频谱感知参数设置的影响，如能量检测的检测门限、频谱感知周期等。应用此机制，对主用户的干扰明显降低;次用户频谱处理时延降低，有助于避免次用户服务阻塞。

目录

声明

致谢

摘要

缩略语

第一章 引言

1．1 立题背景

1．2 现行频谱管理概述

1．2．1 现行频谱管理方式

1．2．2 存在的问题

1．2．3 解决方法

1．3 基于频谱感知的频谱管理

1．3．1 认知无线电定义及其研究现状

1．3．2 频谱感知及其研究现状

1．3．3 认知无线电频谱管理及其研究现状

1．4 本文简述

1．4．1 选题动机

1．4．2 应用场景

1．4．3 主要贡献

1．4．4 结构安排

第二章 基于压缩采样的频谱感知

2．1 引言

2．2 压缩频谱感知

2．2．1 压缩采样理论

2．2．2 压缩频谱感知

2．3 仿真

2．3．1 仿真环境及参数设计

2．3．2 结果及分析

2．4 应用实例

2．4．1 序列式压缩频谱感知与分配

2．4．2 引入分配条件限制的压缩频谱感知

2．5 本章小结

第三章 基于频谱决策的序列式协作频谱感知

3．1 引言

3．2 频谱感知代价

3．2．1 系统模型

3．2．2 频谱感知代价函数

3．3 序列式协作频谱感知算法

3．3．1 序列式协作检测规则

3．3．2 序列式协作频谱感知算法

3．3．3 次用户激活采样机制

3．4 仿真

3．4．1 仿真环境及参数设计

3．4．2 结果及分析

3．5 本章小结

第四章 基于预测的频谱切换与认知联合设计

4．1 引言

4．2 信道占用状态预测

4．2．1 隐马尔科夫模型

4．2．2 信道占用预测隐马尔科夫模型

4．2．3 宽频带预测

4．2．4 单信道独立预测

4．3 基于预测的频谱切换与认知联合设计机制

4．3．1 机制流程

4．3．2 应用实例

4．4 仿真

4．4．1 仿真环境及参数设计

4．4．2 结果及分析

4．5 本章小结

第五章 结论

5．1 论文工作总结

5．2 下一步研究展望

参考文献

作者简历

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