認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信業(yè)務(wù)需求的不斷增長，頻譜資源開始變得日益緊缺，從而嚴(yán)重限制了通信技術(shù)的發(fā)展。為了解決這一問題，認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它允許認(rèn)知用戶在頻譜空閑的狀態(tài)下，通過向主用戶臨時(shí)借用頻譜資源的方式接入網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到提高頻譜資源利用率的目的。
　　作為認(rèn)知無線電系統(tǒng)中最重要的一個環(huán)節(jié)，頻譜感知技術(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。為了保證主用戶不受認(rèn)知用戶的干擾，要求頻譜感知算法具有較高的感知精度。與此同時(shí)，為了盡可能多的為認(rèn)知用戶提

2、供接入機(jī)會，則要求感知算法具有較高的感知效率。因此，研究快速而準(zhǔn)確，且易于實(shí)現(xiàn)的頻譜感知算法具有非常重要的意義。基于此，本文針對認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，具體的研究內(nèi)容和成果如下：
　　1.在頻譜感知的基本模型下，利用似然比檢驗(yàn)的基本架構(gòu)，對最基本的三種經(jīng)典算法：匹配濾波檢測、能量檢測和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測進(jìn)行了更為系統(tǒng)的整理和分析，重新推導(dǎo)了三種算法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的構(gòu)造過程，從本質(zhì)上解釋了三種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為全

3、文的研究工作奠定了理論基礎(chǔ)。
　　2.針對超低信噪比環(huán)境下的頻譜感知問題，結(jié)合非線性動力學(xué)中的混沌理論，提出了一種基于Duffing振子的頻譜感知模型。由于Duffing振子具有初值敏感性和對噪聲的免疫特性，所以將認(rèn)知用戶接收端的接收信號作為激勵加入系統(tǒng)即可做出主用戶是否存在的判決?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中，待測頻率是可變的，而原始的Duffing系統(tǒng)只能檢測固定頻率的信號，不夠靈活，文中針對 Duffing系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，通過引入

4、無量綱變換系數(shù)提出了Duffing系統(tǒng)的等效模型，在應(yīng)用中只需調(diào)整變換系數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對不同頻率信號的檢測。與此同時(shí)，由于在頻譜感知的實(shí)際應(yīng)用中，通常需要對較寬的頻段進(jìn)行感知，而單一的Duffing頻譜感知模型只能檢測較窄頻帶內(nèi)的信號，因此，為了解決這一問題，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出了陣列式Duffing振子頻譜感知系統(tǒng)。此外，由于Duffing振子本身對于相位具有一定的敏感性，為此在系統(tǒng)中引入了相應(yīng)的預(yù)處理模塊，使其更加符合頻譜感知的實(shí)際應(yīng)用場景。

5、最后通過數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，證明了 Duffing系統(tǒng)等效模型的有效性，并且分析了 AWGN信道環(huán)境下所提方法的檢測性能，結(jié)果表明Duffing振子頻譜感知方案在信噪比達(dá)到-25 dB時(shí)仍然保持較高的檢測性能，可以實(shí)現(xiàn)超低信噪比環(huán)境下的可靠檢測。
　　3.針對多天線系統(tǒng)中的頻譜感知問題，提出了基于局部方差的頻譜感知算法。在采樣協(xié)方差矩陣的基礎(chǔ)上定義了局部方差的概念，并以此構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，設(shè)計(jì)了三種檢測方法。然后利用漸近分布理論，分別推導(dǎo)

6、了三種方法的漸近理論門限。由于在所提方法中，用到了采樣協(xié)方差矩陣的二階統(tǒng)計(jì)特性，對信號空間相關(guān)結(jié)構(gòu)的利用更加充分，因此相較于其他多天線頻譜感知算法，局部方差法的性能更佳。為了證明所提方法的優(yōu)越性，通過仿真全面對比了所提方法和其他相關(guān)方法的檢測性能，結(jié)果顯示，在相同的場景下，局部方差法的檢測精度更高，而要達(dá)到相同的檢測概率，局部方差法所需要的采樣點(diǎn)數(shù)和天線數(shù)更少，因而具有更高的檢測效率。
　　4.針對非圓信號提出了一種基于局部最大功

7、效不變檢驗(yàn)(LMPIT, locally most powerful invariant test)的頻譜感知算法。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，非圓信號是非常常見的一類信號，而對于非圓信號而言，其二階統(tǒng)計(jì)特性除了協(xié)方差還包括共軛協(xié)方差，但現(xiàn)有的算法均忽略掉了這一點(diǎn)?；诖?，文中針對非圓信號，在不變檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助LMPIT思想，利用由采樣協(xié)方差矩陣和采樣共軛協(xié)方差矩陣所構(gòu)成的增廣矩陣構(gòu)建檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，設(shè)計(jì)出了一種新的NC-LMPIT(nonci

8、rcular-LMPIT)感知算法，并根據(jù)漸進(jìn)分布理論，推導(dǎo)了所提方法的漸近理論門限。為了驗(yàn)證所提方法的檢測性能，分別從檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的特性、不同信道環(huán)境、不同采樣點(diǎn)數(shù)和天線數(shù)以及不同類型噪聲對檢測性能的影響等多個角度對所提方法的性能進(jìn)行了考察，同時(shí)還與 NC-HDM(noncircular-Hadamard)等方法進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，相較于其他感知算法， NC-LMPIT感知方法的檢測性能更佳。此外，在提出的方法中無需已知信道、噪聲以及