頻譜共享無線通信系統(tǒng)中檢測(cè)算法與性能分析.pdf

1、近幾十年，無線通信技術(shù)得到飛速發(fā)展，各種新技術(shù)和新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，以滿足人們對(duì)更高速優(yōu)質(zhì)通信體驗(yàn)的需求。然而，隨著適宜通信的頻段被分配殆盡，頻譜資源成為制約無線通信技術(shù)演進(jìn)的主要瓶頸之一，頻譜共享技術(shù)作為解決這些問題的重要途徑日益受到人們的重視。傳統(tǒng)的頻譜共享技術(shù)主要圍繞認(rèn)知無線電場(chǎng)景展開，在第5代移動(dòng)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的今天，頻譜共享技術(shù)又被賦予了新的含義，得到了更為廣泛的應(yīng)用，如環(huán)境反向散射通信和高速鐵路移動(dòng)通信等。

2、　　頻譜共享的核心思想是在同一空間內(nèi)，兩個(gè)及以上的無線通信系統(tǒng)共同利用同一段頻譜分別進(jìn)行通信以提高頻譜的有效利用率。在這種多個(gè)主體共存的空間中，主體之間的相互干擾、共同利用空間中資源時(shí)產(chǎn)生的沖突在所難免。那么如何合理地設(shè)計(jì)系統(tǒng)使得系統(tǒng)中各主體之間能夠和諧共處、高效有序的利用資源就具有重要意義。其中的一項(xiàng)關(guān)鍵要素就是對(duì)空間中其他主體行為的感知。對(duì)應(yīng)于頻譜共享系統(tǒng)，設(shè)計(jì)有效的檢測(cè)算法以感知各通信系統(tǒng)對(duì)頻譜的占用情況就成為舉足輕重的一個(gè)課題，

3、同時(shí)，精確的檢測(cè)算法又能夠優(yōu)化整個(gè)頻譜共享系統(tǒng)的通信效率，提高系統(tǒng)的吞吐量。
　　本論文圍繞著基于頻譜共享的無線通信系統(tǒng)的檢測(cè)算法及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響展開研究，針對(duì)基于認(rèn)知通信的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)，提出多種適用于不同場(chǎng)景的頻譜感知算法，分析了頻譜感知對(duì)系統(tǒng)容量性能的影響，探究了高速移動(dòng)場(chǎng)景下頻譜共享用戶的遍歷容量性能，最后研究了基于環(huán)境反向散射的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中存在的次用戶信號(hào)檢測(cè)問題。論文的創(chuàng)新性工作主要包括如下幾個(gè)方面:
　　(

4、1)傳統(tǒng)的頻譜感知算法通常只能分辨主用戶是否工作兩種狀態(tài)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的授權(quán)頻段用戶發(fā)射機(jī)具備功率控制功能，可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)發(fā)射功率之間切換，本文設(shè)計(jì)一種基于協(xié)作用戶信息軟合并的頻譜感知算法，在感知主用戶是否工作的同時(shí)，可以檢測(cè)得到主用戶所使用的發(fā)射功率，并應(yīng)用此信息對(duì)次用戶的吞吐量進(jìn)行優(yōu)化。此外還針對(duì)該場(chǎng)景的特殊性，分析了次用戶對(duì)主用戶所使用發(fā)射功率分辨能力對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響，研究發(fā)現(xiàn)次用戶并不需要檢測(cè)出全部的主用戶發(fā)射

5、功率就可以實(shí)現(xiàn)與全部檢測(cè)相近的吞吐量性能，這一發(fā)現(xiàn)有助于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì);
　　(2)針對(duì)基于能量檢測(cè)的頻譜感知算法在低信噪比場(chǎng)景下檢測(cè)精度受限的問題，設(shè)計(jì)了一種基于信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)特性的協(xié)作檢測(cè)算法，對(duì)噪聲的概率密度分布沒有特定假設(shè)的要求，具有更好的普適性;同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)需要預(yù)知主用戶信號(hào)循環(huán)頻率的問題，利用參與協(xié)作的各個(gè)次用戶接收到的信號(hào)構(gòu)建具備循環(huán)平穩(wěn)特征的檢測(cè)樣本，有效解決了這一問題;
　　(3)以高速鐵路移動(dòng)通

6、信為背景，引入車頂中繼天線，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)用戶與路面基站的通信，建立了相應(yīng)的時(shí)變頻選信道中繼通信系統(tǒng)模型，研究當(dāng)車廂內(nèi)用戶以頻譜共享方式接入車廂內(nèi)熱點(diǎn)后所能獲得的信道遍歷容量，推導(dǎo)得到了容量上界和下界的閉合表達(dá)式，同時(shí)得到了高信噪比下近似結(jié)果的閉合表達(dá)式。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高速移動(dòng)場(chǎng)景下的通信問題受到學(xué)術(shù)界的日益重視，所得到的理論結(jié)果補(bǔ)充了目前在高速移動(dòng)場(chǎng)景下時(shí)變頻選中繼信道遍歷容量分析方面研究的不足，可以為構(gòu)建車內(nèi)頻譜共享網(wǎng)絡(luò)提供上層

7、決策和資源管理方面的性能參考;
　　(4)研究了基于環(huán)境反向散射通信技術(shù)的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)兩種對(duì)環(huán)境信號(hào)的處理狀態(tài)時(shí)，利用差分編碼降低檢測(cè)對(duì)信道狀態(tài)信息的依賴，設(shè)計(jì)了一種基于中心極限定理的能量檢測(cè)算法;當(dāng)標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)三種不同狀態(tài)時(shí)，提出了一種可以使誤碼率最小的三進(jìn)制編碼策略，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測(cè)器，分析并推導(dǎo)了其誤碼性能的閉合表達(dá)式，證明了其在高信噪比區(qū)域存在地板效應(yīng)。最后通過仿真驗(yàn)證了當(dāng)標(biāo)簽具有三種狀態(tài)時(shí)能有效改善環(huán)境