基于壓縮感知的寬帶頻譜感知技術(shù)研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、認(rèn)知無線電在軟件無線電的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,能夠通過對(duì)外界頻譜環(huán)境的持續(xù)感知,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并使用授權(quán)頻段內(nèi)尚未被主用戶利用的空閑頻譜,是一種可以有效提高頻譜資源利用效率的智能無線電技術(shù),也能夠有效緩解隨著無線通信用戶數(shù)量急劇增加和無線通信技術(shù)迅速發(fā)展而變得日益嚴(yán)峻的頻譜資源稀缺問題。頻譜感知技術(shù)是構(gòu)建認(rèn)知無線電系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電應(yīng)用的核心技術(shù),也是保證認(rèn)知無線電系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并充分利用頻譜資源、保護(hù)授權(quán)主用戶免受有害干擾的重要前提。隨著無線通信業(yè)務(wù)

2、的高速發(fā)展,對(duì)無線頻譜資源需求急劇增加,為了進(jìn)一步提高對(duì)于頻譜資源的利用,寬帶頻譜感知技術(shù)成為認(rèn)知無線電領(lǐng)域的重要研究方向。
  在寬帶認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,由于主用戶通常對(duì)寬帶頻譜利用率較低,只占用其中少量頻譜資源,因此主用戶信號(hào)在頻域上具有稀疏性,可以利用壓縮感知實(shí)現(xiàn)寬帶頻譜感知。寬帶壓縮頻譜感知技術(shù)利用信號(hào)的頻域稀疏特性,通過隨機(jī)測量將高維信號(hào)投影到低維測量結(jié)果,并采用優(yōu)化算法準(zhǔn)確重構(gòu)原信號(hào),從而能夠以遠(yuǎn)低于奈奎斯特準(zhǔn)則的采樣速

3、率直接掃描寬帶頻譜,在降低認(rèn)知用戶采樣負(fù)擔(dān)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效快速的寬帶頻譜感知。然而,寬帶壓縮頻譜感知技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn):首先,無線衰落環(huán)境會(huì)造成隱終端問題,影響寬帶壓縮頻譜感知的檢測性能;其次,寬帶頻譜稀疏度先驗(yàn)信息受限會(huì)使認(rèn)知用戶在進(jìn)行寬帶壓縮頻譜感知時(shí)難以確定合適的采樣速率,進(jìn)而導(dǎo)致采樣開銷的浪費(fèi)或是導(dǎo)致感知性能的下降;此外,認(rèn)知無線電系統(tǒng)中可能存在一些惡意認(rèn)知用戶,通過在數(shù)據(jù)融合過程中發(fā)送虛假的感知信息來攻擊系統(tǒng),使寬帶壓縮頻譜感知

4、的性能嚴(yán)重降低。
  為解決上述問題,本文研究了在集中式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)和分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,如何通過結(jié)合壓縮感知理論和多認(rèn)知用戶聯(lián)合頻譜感知技術(shù)來提高系統(tǒng)在無線衰落環(huán)境下對(duì)于寬帶頻譜的感知性能。針對(duì)主用戶信號(hào)稀疏度先驗(yàn)信息受限的情況,本文基于順序壓縮感知提出能夠自適應(yīng)確定最佳隨機(jī)測量次數(shù)的寬帶頻譜感知算法。此外,對(duì)惡意認(rèn)知用戶攻擊下的可靠寬帶壓縮頻譜感知算法也進(jìn)行了研究。本文主要研究內(nèi)容和成果列舉如下:
  首先,本文對(duì)

5、傳統(tǒng)的窄帶頻譜感知技術(shù)進(jìn)行介紹,并指出感知寬帶頻譜時(shí)認(rèn)知無線電系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。在詳細(xì)介紹壓縮感知原理的基礎(chǔ)上,分析寬帶壓縮頻譜感知技術(shù)特點(diǎn)。針對(duì)由無線衰落環(huán)境引起的隱終端問題,提出能夠解決該問題的多用戶聯(lián)合頻譜感知方法。最后對(duì)本文重點(diǎn)研究的多認(rèn)知用戶集中式和分布式寬帶認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析,并給出了衡量寬帶壓縮頻譜感知的性能指標(biāo),為本文研究工作的展開進(jìn)行了鋪墊。
  其次,為了解決信道衰落和噪聲環(huán)境所造成的隱終端問題,以

6、及感知寬帶頻譜所面臨的采樣負(fù)擔(dān)過大的問題,本文針對(duì)所提出的集中式和分布式的寬帶認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜感知場景,在壓縮感知理論基礎(chǔ)上分別給出了集中式協(xié)作和分布式協(xié)作的寬帶頻譜感知算法。認(rèn)知用戶以遠(yuǎn)低于奈奎斯特準(zhǔn)則的速率對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行采樣,并通過協(xié)作獲得空間分集增益,有效緩解無線衰落環(huán)境對(duì)感知性能所造成的不利影響。同時(shí),考慮到各個(gè)認(rèn)知用戶本地待重構(gòu)信號(hào)頻譜的聯(lián)合稀疏特性,系統(tǒng)利用迭代支持檢測技術(shù)從低維的壓縮測量結(jié)果中準(zhǔn)確重構(gòu)原信號(hào),并提升頻譜感

7、知性能。仿真表明,本文算法能夠降低系統(tǒng)的采樣負(fù)擔(dān),與基于基追蹤和基于分布式一致的常規(guī)壓縮頻譜感知算法相比,能夠更有效消除衰落環(huán)境的不利影響,更準(zhǔn)確地感知寬帶頻譜。
  再次,在寬帶壓縮頻譜感知過程中,寬帶頻譜稀疏度先驗(yàn)信息受限將導(dǎo)致認(rèn)知無線電系統(tǒng)在壓縮感知時(shí)采用過高或過低的采樣速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)測量,進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)采樣資源的浪費(fèi)、或者對(duì)原信號(hào)的重構(gòu)不夠準(zhǔn)確等問題。針對(duì)這一問題,本文結(jié)合順序壓縮感知理論和自適應(yīng)稀疏度匹配追蹤技術(shù),提出一

8、種新的寬帶壓縮頻譜感知算法。該算法通過順序測量依次獲得測量結(jié)果,再根據(jù)重構(gòu)誤差來自適應(yīng)地確定成功重構(gòu)原信號(hào)所需要的最佳隨機(jī)測量次數(shù)。仿真表明在事先無法確知寬帶頻譜實(shí)際稀疏度的情況下,相比基于壓縮采樣匹配追蹤的常規(guī)壓縮頻譜感知算法,本文算法在合理利用系統(tǒng)資源、避免不必要的采樣開銷的同時(shí),能夠確保系統(tǒng)的頻譜感知性能。
  最后,由于具有開放性和可配置型,認(rèn)知無線電系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中可能會(huì)受到惡意認(rèn)知用戶的攻擊,其中常見的攻擊方式是頻譜感知數(shù)

9、據(jù)偽造攻擊。為了解決這一問題,本文分析了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中常見的攻擊方式,并將聲望系統(tǒng)引入認(rèn)知無線電系統(tǒng),針對(duì)集中式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)提出了可靠的寬帶壓縮頻譜感知算法,根據(jù)認(rèn)知用戶在聯(lián)合頻譜感知過程中的表現(xiàn)確定用戶聲望和權(quán)重,消除惡意用戶的影響,保證系統(tǒng)感知性能。對(duì)于分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),本文在共識(shí)算法的基礎(chǔ)上提出根據(jù)動(dòng)態(tài)門限來調(diào)整融合權(quán)重的寬帶壓縮頻譜感知方法。仿真表明通過結(jié)合壓縮感知技術(shù),本文算法能夠有效減少認(rèn)知用戶感知寬帶頻譜的采樣開銷

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