認(rèn)知無線電集中式聯(lián)合頻譜感知算法研究博士學(xué)位論文

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1、博士學(xué)位論文認(rèn)知無線電集中式聯(lián)合頻譜感知算法研究RESEARCHONCENTRALIZEDCOOPERATIVESPECTRUMSENSINGALGORITHMFORCOGNITIVERADIO劉鑫哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012年6月國內(nèi)圖書分類號：TN929.5學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：621.396密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文認(rèn)知無線電集中式聯(lián)合頻譜感知算法研究博士研究生：劉鑫導(dǎo)師：譚學(xué)治教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：信息與通信工程所在單位：電子與信息工程學(xué)院答辯日期：2012年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TN929.5U.D.C:621

2、.396DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONCENTRALIZEDCOOPERATIVESPECTRUMSENSINGALGORITHMFORCOGNITIVERADIOCandidate：LiuXinSupervisor：Prof.TanXuezhiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：InformationandCommunicationEngineeringAffiliation：SchoolofElectronicsandI

3、nformationEngineeringDateofDefence：June,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展以及無線用戶的急劇增長，頻譜資源的匱乏已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)峻的問題。認(rèn)知無線電基于軟件無線電，是一種有效地提高頻譜資源利用率的智能無線電技術(shù)。它能夠持續(xù)地感知外界的頻譜環(huán)境，使用已經(jīng)分配給授權(quán)用戶但是暫時(shí)未被使用的空閑頻譜，以實(shí)現(xiàn)頻譜資源的最大化利用。頻譜感知作為認(rèn)知無線電的核心技術(shù)需要迅速、準(zhǔn)確地識別空閑頻譜。由于單用戶的頻譜感知會產(chǎn)生隱終端問題，

4、分布式聯(lián)合頻譜感知會增加終端的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，因此本文主要對認(rèn)知無線電的集中式聯(lián)合頻譜感知進(jìn)行了研究。通過采用門限優(yōu)化、分簇、加權(quán)和雙門限等方法提高了聯(lián)合頻譜感知算法的性能；通過對周期性聯(lián)合頻譜感知機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，使得聯(lián)合頻譜感知算法能夠有效地應(yīng)用到實(shí)際場景中。集中式聯(lián)合頻譜感知有硬判決和軟判決兩種決策方式。硬判決中參與合作的每個(gè)認(rèn)知用戶向融合中心發(fā)送1比特的決策信息，雖然開銷小，但是由于融合中心獲得的關(guān)于授權(quán)用戶的信息較少，不能夠?yàn)楹喜⑻峁┳銐虻男畔⒘?，因此檢測性能受到了一定的限制。軟判決中，每個(gè)認(rèn)知用戶將對授權(quán)用戶的觀測值發(fā)送給融合中心，融合中心的合并算法集中了授權(quán)用戶的充足信

5、息，因此具有較好的檢測性能，但是認(rèn)知用戶發(fā)送的信息量較大。本文分別對認(rèn)知無線電在硬判決和軟判決下的聯(lián)合頻譜感知算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，充分考慮了檢測門限、信道狀態(tài)和單用戶檢測對聯(lián)合頻譜感知性能的影響，主要圍繞感知算法的設(shè)計(jì)、感知性能的分析和仿真來展開。此外，為了將提出的感知算法進(jìn)一步應(yīng)用到實(shí)際場景中，本文還提出了周期性聯(lián)合頻譜感知機(jī)制，并對感知周期、本地感知時(shí)間、合作用戶數(shù)和搜索時(shí)間等感知機(jī)制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。首先，針對認(rèn)知無線電頻譜感知的類型，包括發(fā)射端頻譜感知和接收端頻譜感知，對現(xiàn)有的單用戶頻譜感知方法進(jìn)行了分析和比較。本文詳細(xì)地闡述了各種頻譜感知方法實(shí)現(xiàn)的原理，并

6、對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。本文進(jìn)一步分析了單用戶頻譜感知可能產(chǎn)生的隱終端問題，并對克服隱終端問題的聯(lián)合頻譜感知方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。其次，針對硬判決聯(lián)合頻譜感知，提出了“AND準(zhǔn)則”，“OR準(zhǔn)則”和“K-OUT-N準(zhǔn)則”等不同融合準(zhǔn)則下，聯(lián)合頻譜感知門限的優(yōu)化算法。該算法中各認(rèn)知用戶根據(jù)自身的接收信噪比和噪聲方差采用局部最優(yōu)門限，仿真表明：-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文相比傳統(tǒng)的所有用戶采用相同門限的聯(lián)合頻譜感知算法，雖然當(dāng)各用戶的接收信噪比和噪聲方差相同時(shí)，提出算法的性能略有降低，但是當(dāng)各用戶的接收信噪比和噪聲方差不同時(shí)，提出算法的性能會有顯著地提高。針對信道衰落

7、會降低聯(lián)合頻譜感知的性能，提出了分簇聯(lián)合頻譜感知算法，算法中認(rèn)知用戶被分成若干個(gè)簇，離融合中心較近的簇頭節(jié)點(diǎn)向融合中心發(fā)送本簇的判決信息，并由融合中心做出最終決策。仿真表明：相比傳統(tǒng)的“OR準(zhǔn)則”聯(lián)合頻譜感知算法，在理想信道下，提出算法的檢測概率基本保持不變，但是在瑞利衰落信道下，提出算法的檢測概率會有所提高。再次，針對軟判決聯(lián)合頻譜感知中各用戶的判決結(jié)果對融合決策的影響不同，提出了基于加權(quán)的軟判決聯(lián)合頻譜感知算法，算法通過為認(rèn)知用戶分配不同的權(quán)重來表現(xiàn)每個(gè)用戶對融合決策所作的貢獻(xiàn)。針對軍用和民用兩個(gè)不