【摘要】：無線頻譜作為無線通信的“血液”,是一種不可再生的寶貴自然資源,隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展以及無線業(yè)務(wù)的爆炸式增長,頻譜資源匱乏已然成為一個十分嚴峻的問題。認知無線電技術(shù)通過對未充分利用的授權(quán)頻段進行“二次利用”,能夠更為高效合理的利用頻譜資源。頻譜感知技術(shù)是認知無線電中的首要任務(wù)和關(guān)鍵技術(shù),傳統(tǒng)感知算法往往只考慮對單個窄帶信道進行檢測,這使得頻譜感知效率低下。多信道感知可以解決許多單信道感知中棘手的問題。首先,目前的授權(quán)系統(tǒng)大多為寬帶系統(tǒng),以IEEE802.22為例,每個電視信道帶寬為6MHz,而其中無線麥克風(fēng)信號僅占用200KHz帶寬,若該信道中只存在無線麥克風(fēng)信號,如果采用單信道感知策略,則整個信道將被認為處于占用狀態(tài),這將大大減少認知無線電利用空閑頻譜的機會。其次,當授權(quán)用戶重新占用信道時,認知無線電需進行頻譜的無縫切換,因此認知無線電需要許多備用的信道,采用多信道感知可滿足該要求。再者,認知無線電為了獲得較高的吞吐率進而保證一定的QoS(Quality of Service, QoS),其往往需要較大的帶寬進行數(shù)據(jù)傳輸。最后,在合作感知中,由于多個認知無線電可共享感知結(jié)果,如果每個認知無線電感知部分頻譜,通過信息共享則可達到對所有信道感知的效果。因此本文研究內(nèi)容主要關(guān)注認知無線電多信道頻譜感知方法,主要貢獻如下： 1)由于多信道聯(lián)合感知問題大多為非凸問題,研究人員提出采用遺傳算法對該問題進行求解。但是遺傳算法仍具有諸如局部搜索能力較弱、易早熟收斂、后期搜索緩慢和需要調(diào)整的參數(shù)多等缺陷。針對該問題,本文提出了基于免疫克隆的多信道聯(lián)合感知算法。實驗結(jié)果表明：所提算法在收斂速度以及穩(wěn)定性上均明顯優(yōu)于已有的基于遺傳算法的感知方法,并且所提算法在對主用戶造成相同的干擾條件下能提供更高的系統(tǒng)總吞吐率,并且隨著信道數(shù)目的增加,系統(tǒng)性能改善更為明顯。 2)多信道聯(lián)合感知問題由于具有非凸性使得求解困難,凸優(yōu)化方法只能求得該問題的次優(yōu)解,而智能算法(遺傳算法或免疫克隆算法)作為一種隨機算法,并不能保證找到全局最優(yōu)解。針對該問題,本文首次嘗試用確定性全局優(yōu)化方法對該問題進行求解。該問題首先被轉(zhuǎn)化為單調(diào)優(yōu)化問題,進而提出一種基于單調(diào)優(yōu)化框架的凸松弛分支定界(BRBCR)算法。實驗結(jié)果表明,所提算法較傳統(tǒng)的凸優(yōu)化方法可大幅度提升系統(tǒng)性能,收斂速度較PA(Polyblock Algorithm)以及傳統(tǒng)的BRB算法提高了2個數(shù)量級,即使信道數(shù)目多達16,收斂精度為10-6,該文算法16秒內(nèi)即可收斂。且算法收斂時間并不隨信道數(shù)目增加和收斂精度的提高而顯著變化,因此本文算法可應(yīng)用于大規(guī)模、高精度多信道聯(lián)合感知問題的實時求解中。此外,該算法還可為其他算法提供基準,對這些算法性能進行評估。 3)傳統(tǒng)的多信道頻譜感知與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法往往忽略SU與PU共存時SU所獲得的系統(tǒng)吞吐率,而當PU對干擾容忍能力較強時,忽略該部分吞吐率將使得系統(tǒng)性能有較大損失。另外,由于頻譜感知與功率分配聯(lián)合優(yōu)化問題中存在耦合約束,而傳統(tǒng)的迭代優(yōu)化算法并未考慮這點,使得當該耦合約束較為嚴苛?xí)r算法所求得的解較差。針對上述這些問題,本文提出了基于罰框架DC規(guī)劃的多信道頻譜感知與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法。實驗結(jié)果表明,本文所提算法較傳統(tǒng)聯(lián)合迭代優(yōu)化算法性能有較大提升。 4)傳統(tǒng)的多信道頻譜感知與資源分配聯(lián)合優(yōu)化方法往往將信道的香農(nóng)容量作為優(yōu)化目標,并沒有考慮實際通信系統(tǒng)的復(fù)雜性,香農(nóng)容量只能作為數(shù)據(jù)容量的上限,而數(shù)據(jù)容量往往還受限于BER以及編碼方式。針對該問題,本文提出了基于平均BER約束下的多信道頻譜感知與比特分配聯(lián)合優(yōu)化算法。采用基于罰框架DC規(guī)劃的迭代算法對該問題進行求解,實驗結(jié)果表明,本文所提算法較僅僅進行比特優(yōu)化方法可有效提升系統(tǒng)性能。另外,通過實驗發(fā)現(xiàn)了認知系統(tǒng)吞吐率隨著主用戶信號信噪比增長出現(xiàn)先增后降的現(xiàn)象。 5)由于傳統(tǒng)頻譜感知調(diào)度方法中未曾考慮信道占用相關(guān)性,本文提出了基于信道占用相關(guān)性的頻譜感知調(diào)度方法。該問題被建模為一非凸問題,首先對該問題進行降維,然后采用前文中所提出的免疫克隆算法進行求解。實驗結(jié)果表明,本文所提方法較傳統(tǒng)的頻譜感知調(diào)度方法在性能上有大幅提高,且隨著信道之間相關(guān)性增強,本文算法優(yōu)勢更加明顯
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【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN925

【參考文獻】

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本文編號：2413409