【摘要】：隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線設(shè)備數(shù)量的增加,頻譜資源的日益稀缺成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。作為一種智能的頻譜共享技術(shù),認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio,CR)被稱為未來(lái)最熱門的無(wú)線通信技術(shù)之一。基于CR技術(shù),從用戶(Secondary User,SU)可以感知空閑的授權(quán)頻帶進(jìn)行機(jī)會(huì)使用,也可以在對(duì)主用戶(Primary User,PU)造成最小干擾情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此,頻譜感知是認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù),它要求從用戶能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)是否存在空閑頻帶,以供其機(jī)會(huì)使用。本學(xué)位論文圍繞認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(CR Network,CRN)中的最優(yōu)感知策略展開(kāi)了深入研究,通過(guò)綜合考慮頻譜感知各種系統(tǒng)性能的折中,利用數(shù)值優(yōu)化理論對(duì)構(gòu)造的優(yōu)化問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)求解來(lái)確定最優(yōu)感知參數(shù)。首先推導(dǎo)了卡方分布高斯近似緊的漸進(jìn)誤差界,并將卡方分布平方根高斯近似和三次方根高斯近似應(yīng)用于頻譜感知性能分析;其次,考慮到虛警概率和漏檢概率兩個(gè)感知性能指標(biāo)的折中,構(gòu)造檢測(cè)錯(cuò)誤率函數(shù)推導(dǎo)了能量檢測(cè)器的最優(yōu)檢測(cè)門限閉合解析表達(dá)式;然后,考慮到感知性能和數(shù)據(jù)包成功傳輸概率的折中,構(gòu)造頻譜機(jī)會(huì)利用率函數(shù)確定了能量檢測(cè)器的最優(yōu)感知時(shí)長(zhǎng);最后,構(gòu)造多用戶協(xié)作感知的檢測(cè)錯(cuò)誤率函數(shù)和頻譜機(jī)會(huì)利用率函數(shù),分別確定了協(xié)作感知的最優(yōu)檢測(cè)門限和最優(yōu)感知時(shí)長(zhǎng)。論文的主要研究工作如下:1.針對(duì)卡方分布的準(zhǔn)確近似問(wèn)題,推導(dǎo)了卡方分布高斯近似緊的漸進(jìn)誤差界,將卡方分布平方根高斯近似和三次方根高斯近似應(yīng)用于頻譜感知性能分析,性能優(yōu)于傳統(tǒng)的高斯近似。首先通過(guò)對(duì)卡方分布高斯近似誤差函數(shù)的數(shù)值和理論分析,推導(dǎo)了高斯近似緊的漸進(jìn)誤差界,該誤差界可以快速確定滿足一定誤差要求的自由度參數(shù)。其次,給出了卡方分布平方根高斯近似和三次方根高斯近似兩種更準(zhǔn)確的近似方法,并將它們應(yīng)用于頻譜感知能量檢測(cè)器性能分析,推出了接收機(jī)工作性能(Receiver Operating Characteristc,ROC)曲線的閉合表達(dá)式,也得到了檢測(cè)器樣本數(shù)與信噪比之間的閉合關(guān)系式。數(shù)值結(jié)果表明,上述兩種近似方法的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的高斯近似方法,其中三次方根高斯近似誤差最小。2.針對(duì)頻譜感知最優(yōu)檢測(cè)門限問(wèn)題,利用虛警概率和漏檢概率兩個(gè)感知性能指標(biāo)的折中構(gòu)造出檢測(cè)錯(cuò)誤率函數(shù),推導(dǎo)了最優(yōu)檢測(cè)門限閉合解析表達(dá)式,檢測(cè)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的紐曼-皮爾遜(Neyman-Pearson,NP)準(zhǔn)則。首先根據(jù)檢測(cè)門限對(duì)虛警概率和漏檢概率的影響發(fā)現(xiàn),合適的門限設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)性能指標(biāo)的折中。其次,傳統(tǒng)NP準(zhǔn)則檢測(cè)門限的設(shè)置由給定的目標(biāo)虛警概率確定,但不能保證具有較低的漏檢概率,因此通過(guò)最小化檢測(cè)錯(cuò)誤率函數(shù)來(lái)確定檢測(cè)門限,可以使這兩個(gè)性能指標(biāo)達(dá)到有效折中。最后,基于檢測(cè)錯(cuò)誤率最小化推出了最優(yōu)檢測(cè)門限的閉合解析表達(dá)式,分析了不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)最優(yōu)檢測(cè)門限的影響。數(shù)值結(jié)果表明,最優(yōu)檢測(cè)門限可以降低信噪比要求,檢測(cè)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的NP準(zhǔn)則。3.針對(duì)頻譜感知最優(yōu)感知時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題,利用感知性能和數(shù)據(jù)包成功傳輸概率折中構(gòu)造頻譜機(jī)會(huì)利用率函數(shù),確定了主從用戶不同步系統(tǒng)的最優(yōu)感知時(shí)長(zhǎng),提高了空閑頻譜利用率。首先分析感知時(shí)長(zhǎng)對(duì)從用戶網(wǎng)絡(luò)感知性能的影響,較長(zhǎng)的感知時(shí)長(zhǎng)可以提高感知性能,增加空閑頻譜接入機(jī)會(huì),但數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)會(huì)減少,導(dǎo)致從用戶的傳輸數(shù)據(jù)量減少,或者因主從用戶發(fā)生碰撞導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。其次,針對(duì)主從用戶同步情況,利用感知性能和吞吐量折中構(gòu)造吞吐量函數(shù),通過(guò)最大化吞吐量確定了最優(yōu)感知時(shí)長(zhǎng)。最后,針對(duì)主從用戶不同步情況,利用感知性能和數(shù)據(jù)包成功傳輸概率折中構(gòu)造機(jī)會(huì)頻譜利用率函數(shù),通過(guò)最大化頻譜機(jī)會(huì)利用率確定了最優(yōu)的感知時(shí)長(zhǎng)。數(shù)值結(jié)果表明,通過(guò)確定最優(yōu)感知時(shí)長(zhǎng)降低了信噪比要求,提高了空閑頻譜的利用效率,且主從用戶同步信息有利于減少感知時(shí)長(zhǎng)。4.針對(duì)多用戶協(xié)作感知參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題,基于檢測(cè)錯(cuò)誤率最小化推導(dǎo)了軟判決最優(yōu)檢測(cè)門限的解析表達(dá)式,基于感知性能和從用戶網(wǎng)絡(luò)吞吐量折中確定了最優(yōu)感知時(shí)長(zhǎng)。首先利用檢測(cè)概率相對(duì)增長(zhǎng)量表征硬判決協(xié)作感知增益,并給出了幾種常用的軟判決合并方案。其次,基于檢測(cè)錯(cuò)誤率最小化推導(dǎo)了軟判決協(xié)作感知最優(yōu)門限的解析表達(dá)式,仿真結(jié)果表明,多用戶協(xié)作感知最優(yōu)門限隨用戶數(shù)增多而提高,這是因?yàn)槎嘤脩魠f(xié)作可以等效為提高感知信道信噪比。最后,基于感知性能和吞吐量折中得到了多用戶協(xié)作感知的最優(yōu)感知時(shí)長(zhǎng),數(shù)值結(jié)果表明,利用感知信道信息的軟判決協(xié)作方法可以有效減少感知時(shí)長(zhǎng),提高空閑頻譜的利用率。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN925
【圖文】：

以便及時(shí)騰出該頻帶。因此，頻譜感知的兩大功能為：一是感知頻譜空洞，提供其所在區(qū)域內(nèi)所有空閑頻譜信息；二是檢測(cè)隨時(shí)可能出現(xiàn)的主用戶，以便及時(shí)騰出信道，避免對(duì)主用戶造成干擾。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知場(chǎng)景如圖1.2所示。主用戶(PU)在授權(quán)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從用戶(SU)試圖接入空閑頻帶進(jìn)行機(jī)會(huì)使用。為了避免對(duì)主用戶產(chǎn)生干擾，從用戶必須進(jìn)行頻譜感知找到頻譜空洞。由于認(rèn)知無(wú)線電的特殊應(yīng)用場(chǎng)景，頻譜感知有其自身的特點(diǎn)，它不同于信號(hào)

圖 5.1 多用戶協(xié)作感知場(chǎng)景對(duì)于認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，主用戶信道經(jīng)常是處于空閑狀態(tài)的，從用戶通用戶信道進(jìn)行機(jī)會(huì)使用。假設(shè)信道的兩種狀態(tài)為主用戶存在和不存在，先通過(guò)信號(hào)檢測(cè)感知主用戶的工作狀態(tài)，若信道空閑，則從用戶可以機(jī)用戶信道。在頻譜感知階段，從用戶的接收信號(hào)可以表示為 ( ) = ( ) , 0 ( ) + ( ), 1 0和 1分別表示主用戶不存在和存在兩種假設(shè)， = 1,2,…, ， = 1,2,…示樣本數(shù)。 ( )表示復(fù)值的主用戶信號(hào)，每個(gè)采樣值假設(shè)是獨(dú)立同分布的，其均值E[ ( )] = 0，方差E[| ( )|2] = 。噪聲 ( )為獨(dú)立同分布的循高斯（Circularly Symmetric Complex Gaussian，CSCG）過(guò)程，其均值為E[| ( )|2] = 2，即 ( )~ (0, 2)。不失一般性，這里假設(shè)噪聲方差為 1，即 2= 1。假設(shè)感知信道是平衰落知時(shí)間內(nèi) 是常數(shù)。類似于文獻(xiàn)[89]，假設(shè)任意兩個(gè)從用戶之間的距離，用戶與主用戶之間的距離，因此可假設(shè)每個(gè)信道增益| |都是瑞利的，且方差E[| |2] = 2。假設(shè)主用戶信號(hào) ( )，噪聲 ( )和信道衰落

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 岳文靜;鄭寶玉;孟慶民;崔景伍;解培中;;衰落信道下提高協(xié)作頻譜感知能力的方法[J];中國(guó)科學(xué):信息科學(xué);2011年02期

本文編號(hào)：2799003