認(rèn)知無線電中基于空間譜的頻譜感知技術(shù)研究.pdf

1、無線通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展促使人們對(duì)頻譜資源有著越來越大的需求，致使可用的頻譜資源越來越稀缺，導(dǎo)致了“頻譜危機(jī)”。據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)報(bào)告顯示，傳統(tǒng)的固定頻譜分配策略致使大部分現(xiàn)有頻段頻譜利用率偏低。為了提高頻譜利用率，采用動(dòng)態(tài)頻譜接入機(jī)制的認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它的基本思想是頻譜共享或頻譜復(fù)用。因此，檢測(cè)頻譜空穴的頻譜感知技術(shù)成為認(rèn)知無線電的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的頻譜感知技術(shù)主要基于時(shí)間、頻率以及地理維度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)頻譜利用率改善有限。近年來，多

2、天線技術(shù)的發(fā)展使得移動(dòng)終端具備了角度識(shí)別能力，促進(jìn)了空間維頻譜感知方法的發(fā)展，從而認(rèn)知用戶可以避開主用戶通信方向進(jìn)行空間角度維頻譜接入，為系統(tǒng)提供了額外的空間復(fù)用增益，進(jìn)一步提升了頻譜利用率。本論文針對(duì)空間頻譜感知技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，利用空間譜自身攜帶空間角度信息的特點(diǎn)，提出了一種基于空間譜的頻譜感知機(jī)制。在所提感知機(jī)制下，深入研究了感知方案、檢測(cè)算法以及實(shí)際應(yīng)用中的感知-吞吐量?jī)?yōu)化等問題。主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下:
　　(1)利用到達(dá)

3、角(Angle of Arrival，AoA)估計(jì)技術(shù)得到連續(xù)空間譜，提出基于到達(dá)角估計(jì)的空間頻譜感知算法。該算法采用到達(dá)角估計(jì)技術(shù)進(jìn)行空域?yàn)V波，從空間譜角度分析頻譜感知問題。首先，借助空間譜分布差異性設(shè)計(jì)了基于到達(dá)角估計(jì)的空間頻譜感知方案。其次，利用主用戶空間譜特征和噪聲空間譜固有特性，提出了基于譜值比和基于中心對(duì)稱性的檢測(cè)算法，并給出了相應(yīng)的理論分析。仿真結(jié)果表明，通過捕捉空間譜特征，所提算法取得了較高的檢測(cè)概率，而且能夠提供未被占

4、用的到達(dá)角信息。
　　(2)利用波束形成技術(shù)得到離散空間譜，提出基于波束形成的空間頻譜感知算法。該算法采用波束形成技術(shù)使空間扇區(qū)化，將頻譜感知問題轉(zhuǎn)化為離散的扇區(qū)化空間譜檢測(cè)問題。首先，利用扇區(qū)間的能量值差異，設(shè)計(jì)了基于波束形成的空間頻譜感知方案。其次，利用能量分布特征和似然比檢測(cè)原理，提出了基于能量比和基于能量加權(quán)的檢測(cè)算法，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析。所提算法利用空間分集增益提高了檢測(cè)性能，同時(shí)能夠提供未被占用的扇區(qū)信息，仿真結(jié)果

5、驗(yàn)證了算法的有效性。
　　(3)對(duì)空間頻譜感知進(jìn)行性能優(yōu)化分析，研究了基于空間譜的頻譜感知性能與網(wǎng)絡(luò)吞吐量折中優(yōu)化問題。首先推導(dǎo)和建立了空時(shí)分辨率約束關(guān)系:空時(shí)不確定準(zhǔn)則。其次，基于該準(zhǔn)則，將感知與吞吐量折中問題轉(zhuǎn)化為空間復(fù)用增益與接入時(shí)間的折中問題，提出了空時(shí)分辨率的折中方案。最后，通過數(shù)學(xué)分析，證明了必然存在一個(gè)對(duì)應(yīng)最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最優(yōu)空間分辨率，并設(shè)計(jì)了一種指數(shù)收斂的啟發(fā)式搜索算法求解最優(yōu)折中點(diǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提折中方案的