感知无线电物理层关键技术研究

摘要

为解决频谱短缺与频谱利用率低下的矛盾，在频谱管理中将采用动态频谱分配方式，允许多个系统在避免相互干扰的前提下动态地共享频谱资源。感知无线电技术是实现动态频谱共享的一种主流方案。它通过检测所处无线环境的空闲频段，选择可被自己使用的频段进行通信。在近两年间，受到市场的强力驱动，对感知无线电技术的研究开始展开，并不断升温。本论文就是在此背景下，选择了感知无线电的物理层技术作为主要研究方向。 频谱检测技术是感知无线电系统实现动态频谱共享的关键，它分为基础型频谱检测技术与增强型频谱检测技术。在基础型频谱检测技术方面，本论文重点研究了能解决各种通信信号共存的频谱检测问题的循环平稳频谱检测法。针对基于谱相关函数的循环平稳频谱检测，本论文提出了谱相关函数的一种近似概率分布，这使得本论文能够对以它为基础的增强型频谱检测技术进行准确的量化分析。在增强型频谱检测技术方面，本论文分别研究了协作频谱检测和多天线频谱检测技术。 协作频谱检测利用位于不同空间位置的多个感知无线电节点提供的空间分集能力来抵抗无线信道衰落，在性能上需要兼顾检测的可靠性与有效性。本论文首先提出用租借系统接收到的授权系统信号的平均信噪比(Signal-to-Noise power Ratio，SNR)和频谱检测需要达到的检测率来描述授权系统对租借系统频谱检测的要求。然后以这个模型为基础，研究了协作频谱检测的性能与协作节点数、检测时间等检测参数的量化关系，提出了以协作检测效率为优化目标、以协作检测率和误检测率为限制条件的最优化问题及其算法，解决了在实际应用中通过配置合适的检测参数使整个系统性能达最优的问题。对使用循环平稳检测法的协作频谱检测的性能分析表明，随着协作节点数的增加，协作检测效率也将随之增加，但当协作节点数达到一定值后，协作检测效率不升反降。多天线频谱检测利用多个天线提供的空间分集能力来抵抗无线信道衰落。为了获取最大空间分集增益，感知无线电检测器需要在没有授权系统任何先验信息的条件下，在频谱检测前对多天线信号进行合并。针对这个问题，本论文提出了一种多天线合并频谱检测方法。它利用信号的循环平稳特性，获取了多天线信道频域响应的一些信息，并在频域上完成了检测前合并。本论文推导了多天线合并频谱检测的检测率和平均SNR的理论计算公式，证明该方法能获取多天线提供的最大空间分集增益。仿真结果还表明，在对多天线信号进行EGC合并时，该方法在抵抗信道频域响应的估计误差方面具有良好的性能，因而实用性较高。 本论文还研究了感知无线电系统的信道估计技术。由于感知无线电系统的可用频段随时间跳变，并且不连续，信道估计技术需要适应这些特点，并保障估计性能。本论文针对基于OFDM的感知无线电系统，提出了一种利用不连续频段间的频域相关性提高信道估计性能的方法，推导了这种联合信道估计方法的均方误差的理论计算公式，并通过了仿真验证。本论文对比了该方法与对各不连续频段分别进行信道估计的性能，仿真结果表明不连续频段间相关性越大，联合信道估计获得的性能增益就越高。通过仿真，本文还研究了导频方案、授权系统带宽及信道相关带宽对该方法性能的影响。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明、英文缩略语

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 动态频谱分布与感知无线电

1.1.2 感知无线电技术的发展与应用

1.2 论文的主要工作、研究内容

1.3 论文内容安排

第2章 感知无线电系统及其物理层技术

2.1 引言

2.2 无线信道特性

2.2.1 路径损耗与阴影衰落

2.2.2 多径衰落

2.3 感知无线电技术与动态频谱分配

2.3.1 动态频谱分配

2.3.2 实现动态频谱共享的基本方案

2.3.3 感知无线电技术

2.4 感知无线电物理层技术

2.4.1 感知无线电频谱检测技术

2.4.2 感知无线电信道估计技术

2.4.3 感知无线电自适应传输技术

2.5 本章小结

第3章 协作频谱检测技术

3.1 引言

3.2 授权系统与租借系统的干扰关系模型

3.3 协作频谱检测系统模型

3.3.1 单个节点的本地频谱检测

3.3.2 协作方案

3.4 单个节点的检测率与误检测率

3.4.1 能量检测器

3.4.2 循环平稳检测器

3.5 协作频谱检测的最优化问题

3.5.1 协作频谱检测的性能指标

3.5.2 限制协作检测率的检测效率最优化问题

3.5.3 限制协作检测率和误检测率的检测效率最优化问题及算法

3.6 协作频谱检测的性能分析

3.6.1 协作频谱检测降低各节点的检测时间

3.6.2 使用能量检测器的协作频谱检测性能

3.6.3 使用循环平稳检测器的协作频谱检测性能

3.7 本章小结

第4章 多天线频谱检测技术

4.1 引言

4.2 多天线频谱检测系统模型

4.2.1 CR-SIMO系统模型

4.2.2 多天线频谱检测需要解决的问题

4.3 基于循环平稳特性的多天线频谱检测技术

4.3.1 估计各天线信道频域响应间的关系

4.3.2 合并多天线频域信号

4.3.3 多天线合并谱相关函数

4.4 多天线频谱检测的理论分析

4.4.1 多天线合并谱相关函数的概率分布

4.4.2 多天线合并谱相关函数的检测率

4.4.3 多天线合并谱相关函数的SNR

4.5 多天线频谱检测的仿真与分析

4.5.1 仿真验证检测率公式

4.5.2 仿真验证SNR公式

4.5.3 信道估计误差对多天线频谱检测性能的影响

4.5.4 天线相关性对对多天线频谱检测性能的影响

4.6 CR-MIMO的频谱检测技术

4.7 本章小结

第5章 基于OFDM的感知无线电系统信道估计技术

5.1 引言

5.2 基于OFDM的感知无线电系统

5.2.1 OFDM系统

5.2.2 OFDM系统的导频设计与信道估计

5.2.3 CR-OFDM系统及其信道估计存在的问题

5.3 CR-OFDM系统的信道估计

5.3.1 信道估计模型

5.3.2 联合LMMSE信道估计算法

5.3.3 物理意义分析

5.4 CR-OFDM系统LMMSE信道估计的理论分析

5.5 CR-OFDM系统LMMSE信道估计的仿真与分析

5.5.1 导频方案对信道估计性能的影响

5.5.2 频段距离对信道估计性能的影响

5.5.3 信道相关带宽对信道估计性能的影响

5.6 本章小结

第6章 全文总结

6.1 已经取得的研究成果

6.2 进一步研究的方向

附录

参考文献

攻读博士学位期间发表和完成的学术论文

致 谢