认知无线电频谱感知技术研究

论文摘要

认知无线电是无线通信领域的新兴技术,为解决频谱资源紧缺、实现频谱动态管理及提高频谱利用率提供了强有力的技术支撑。频谱感知技术是认知无线电的关键技术之一。本文主要研究了频谱感知技术的单用户和多用户实现以及正交频分复用（OFDM）和超宽带（UWB）两种传输方案下的频谱感知问题。针对单用户频谱感知,研究了能量检测、匹配滤波检测和循环谱特征检测算法,并对算法进行了性能分析和仿真验证,同时分别定量分析了噪声不确定性、频偏以及采样时偏对以上三种算法的性能影响;针对多用户频谱感知,研究了基于AND和OR融合准则的协作检测算法,对算法进行了性能分析和仿真验证,并给出了两融合准则的应用背景。在基于OFDM的认知无线电频谱感知问题研究中,简要介绍了OFDM的基本原理,推导了基于IFFT/FFT的OFDM信号模型,分析了OFDM在认知无线电应用中的技术优势,研究了在主用户信号不同先验知识条件下的频谱感知问题。在已知主用户信号模型和工作频段条件下,分别建立了多音信号模型和AR信号模型,设计了基于局部最大势检验的单载波独立检测算法,利用中心极限定理完成了算法的性能分析并进行了仿真验证;在仅已知主用户工作频段条件下,通过建立通信容量和干扰的优化模型,设计了基于能量检测的多载波联合检测算法,利用符合实际应用的强制约束条件将算法中的非凸优化问题转化为凸优化问题进行求解,仿真验证了多载波联合检测算法的性能优越性。在与WiMax共存的超宽带认知无线电频谱感知问题研究中,简要介绍了UWB、MB-OFDM和WiMax技术,分析了UWB和认知无线电结合的可行性、超宽带认知无线电与WiMax的共存问题以及WiMax上行链路和下行链路的信号检测问题,设计了基于估计器-相关器的频谱感知算法,并给出了检测性能的闭合解。在实际应用中,利用WiMax上行链路功率的计算结果将估计器-相关器简化为能量检测器,仿真验证了基于能量检测器的MB-OFDM接收机可以实现对WiMax上行链路信号的可靠有效检测。最后总结全文并指出了下一步的研究工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 认知无线电的研究背景及发展现状
• 1.2 认知无线电的关键技术
• 1.3 频谱感知技术的研究现状
• 1.4 本文的主要工作和内容安排
• 第二章 频谱感知技术的单用户和多用户实现
• 2.1 能量检测
• 2.1.1 能量检测器设计
• 2.1.2 不同信道条件下的能量检测性能分析
• 2.1.3 噪声不确定性对能量检测性能的影响
• 2.2 匹配滤波检测
• 2.2.1 基于导频信号的匹配滤波检测器设计
• 2.2.2 基于导频信号的匹配滤波检测性能分析
• 2.2.3 频偏对匹配滤波检测性能的影响
• 2.3 循环谱特征检测
• 2.3.1 循环自相关和循环谱密度函数
• 2.3.2 循环谱密度函数估计
• 2.3.3 循环谱特征检测及性能分析
• 2.3.4 采样时偏对循环谱特征检测的影响
• 2.4 协作检测
• 2.4.1 协作检测的应用背景
• 2.4.2 AND和OR融合准则及性能分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于OFDM的认知无线电频谱感知技术
• 3.1 OFDM基本原理
• 3.1.1 OFDM子载波调制
• 3.1.2 保护间隔和循环前缀
• 3.1.3 基于IFFT/FFT的OFDM信号模型
• 3.2 OFDM在认知无线电的应用
• 3.2.1 基于OFDM的频谱池结构
• 3.2.2 基于OFDM的频谱感知和频谱成形
• 3.3 单载波独立检测
• 3.3.1 信号模型
• 3.3.2 单载波独立检测算法
• 3.3.3 性能分析与仿真验证
• 3.4 多载波联合检测
• 3.4.1 信号模型
• 3.4.2 多载波联合检测算法
• 3.4.3 非凸优化问题的求解
• 3.4.4 性能分析与仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 与WiMax共存的超宽带认知无线电频谱感知技术
• 4.1 超宽带认知无线电技术
• 4.1.1 超宽带无线通信技术
• 4.1.2 超宽带技术与认知无线电的结合
• 4.2 频谱感知问题描述
• 4.2.1 超宽带认知无线电与WiMax的共存问题
• 4.2.2 WiMax上行链路和下行链路信号检测分析
• 4.3 检测器设计
• 4.3.1 信号模型
• 4.3.2 估计器-相关器
• 4.3.3 检测性能的近似闭合解
• 4.4 WiMax上行链路信号检测
• 4.4.1 WiMax上行链路功率计算
• 4.4.2 能量检测器
• 4.4.3 性能分析与仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果