感知无线电系统中的多天线技术应用研究

摘要

无线通信区别于其他通信方式的最主要特征在于无线信道的开放性，工作在同一频率上的无线通信系统之间会相互干扰。为了避免这种同频干扰，不同的无线通信系统通常工作在不同的频段上。所以说，无线频谱是一种非常宝贵的资源。然而，随着无线通信理论的进步和技术的发展，新的无线通信系统不断涌现，无线业务也在不断膨胀。因此，现有的无线频谱资源日趋紧张。
　　 感知无线电技术能够有效地提高无线频谱的使用效率，从根本上解决无线频谱资源相对不足的问题，引起了国内外研究学者的广泛关注。另一方面，多天线技术，或者多入多出技术，在时间维度和频率维度的基础上增加了空间维度，利用空间复用能够在不占用额外频谱资源的条件下，成倍地提高链路容量，一直是近几年无线通信领域研究的焦点。感知无线电和多天线技术均为提高频谱使用效率的有效方法。将多天线技术应用到感知无线电系统中，可以进一步大幅度地提高频谱使用效率。
　　 感知无线电系统中的关键技术主要包括三个部分：快速准确的频谱感测技术、自适应传输技术和频谱管理技术。本文系统地研究了感知无线电系统中的多天线技术，属于自适应传输技术的范畴。利用多天线技术，主网络和感知网络在空间维度上保持正交或者半正交，可以完全避免或者降低感知网络对主网络的干扰，能够使两个网络同时同频地工作，从而进一步提高频谱资源的使用效率。本文将感知无线电系统分为集中式和分布式两大类，分别展开研究，主要的创新点如下：
　　 第一，在集中式感知无线电网络中，主网络和感知网络共享同一段频谱资源。为了使感知网络和主网络同时同频地工作，我们在感知基站侧安装多根天线，在时间维度和频率维度的基础上引入空间维度。我们的目标是在感知网络对主网络的干扰小于干扰温度门限的前提下，最大化感知网络的容量。通过联合考虑波束成形、感知用户的调度以及功率分配三个环节，本文给出了该条件下感知无线电网络下行链路的整套解决方案，并对其复杂度进行了分析。最后，本文从通信仿真的角度对所提方案的性能进行了评估。仿真结果表明，本文所提出的解决方案对功率分配具有良好的健壮性。
　　 第二，同样是在集中式感知无线电网络中，我们的目标为在感知网络对主网络完全没有干扰的条件下，最大化感知网络的容量。在具体算法方面，同样包括波束成形、感知用户的选择以及功率分配三个部分。在波束成形方面，基于子空间理论，本文提出了投影法和正交基法两种波束成形算法。关于正交基法，文中给出了基于奇异值分解的和基于QR分解的两种实现方式。在感知用户的调度方面，文章给出了逐个选择法和逐个排除法两种调度算法，并指出了各自的应用场合。仿真结果表明，对于文中所提方案，即使是采用简单高效而非最优的等功率分配方案，系统性能也不会有太多的损失。
　　 第三，在分布式感知无线电网络中，我们考虑了一对主用户和一对感知用户共享同一段频谱的情况。利用无线信道时间维度上的相关性，本文提出了自适应波束成形算法。该算法能够根据主用户的工作状态，自适应地调整波束的方向，在理想信道估计的条件下可以完全避免对主用户造成干扰，同时还能够最大化感知链路的容量。即便在存在信道估计误差的时候，也可以通过功率控制有效地抑制对主用户的干扰。

目录

文摘

英文文摘

基金项目

符号说明

第一章 绪论

1.1 无线通信的发展历程

1.2 无线通信面临的主要问题及解决方案

1.3 感知无线电的产生背景及应用前景分析

1.4 感知无线电的发展现状

1.5 论文选题依据

1.6 论文主要贡献

1.7 论文结构安排

参考文献

第二章 感知无线电技术与多天线技术基础

2.1 感知无线电技术基础

2.1.1 感知无线电的基本概念

2.1.2 感知无线电中的关键技术

2.2 多天线技术基础

2.2.1 多天线系统的系统模型

2.2.2 多天线系统的信道衰落

2.2.3 多天线系统的分类

2.2.4 多天线系统的信道容量

2.2.5 空间分集与空间复用

2.3 感知无线电系统中的多天线技术

2.4 本章小结

参考文献

第三章 集中式感知无线电系统中的多天线技术I

3.1 研究背景和现状

3.2 子空间理论基础

3.2.1 子空间的基本概念

3.2.2 矩阵的基本空间

3.2.3 子空间的投影

3.3 联合波束成形与调度算法

3.3.1 系统模型

3.3.2 问题建模

3.3.3 调度算法

3.3.4 波束成形算法

3.3.5 功率分配算法

3.3.6 复杂度分析

3.3.7 仿真结果

3.4 本章小结

参考文献

第四章 集中式感知无线电系统中的多天线技术II

4.1 系统模型

4.2 问题建模

4.3 波束成形算法

4.3.1 投影法

4.3.2 正交基法

4.3.3 投影法与正交基法

4.4 调度算法

4.4.1 逐个选择法

4.4.2 逐个排除法

4.5 功率分配算法

4.6 复杂度分析

4.7 仿真结果

4.8 本章小结

参考文献

第五章 分布式感知无线电系统中的多天线技术

5.1 研究背景和现状

5.2 自适应波束成形算法

5.2.1 系统模型

5.2.2 问题建模

5.2.3 波束成形算法

5.2.4 功率分配算法

5.2.5 仿真结果

5.2.6 信道估计误差的影响

5.3 本章小结

参考文献

第六章 结束语

6.1 论文主要工作总结

6.2 下一步工作展望

附录 1 零均值循环对称复高斯随机变量的熵

附录 2 缩写说明

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文