寬帶認(rèn)知無線電中壓縮頻譜感知技術(shù)研究.pdf

1、寬帶認(rèn)知無線電能在寬頻帶內(nèi)尋找可用的頻譜資源，因而認(rèn)知無線電用戶能獲得更多的通信機(jī)會。然而，由于寬帶頻譜感知需要在極短的時間內(nèi)完成對寬帶信號的采樣，這要求認(rèn)知無線電設(shè)備的射頻前端模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)具有很高的采樣速率。以目前的ADC制作工藝，需要花費很大的代價才能制造出滿足寬帶頻譜感知要求的高速ADC。壓縮感知利用采樣信號在某一投影空間的稀疏性，可以用低于信號奈奎斯特采樣速率對寬帶信號進(jìn)行采樣并重構(gòu)，從而可以大大降低ADC的采樣速

2、率。在寬帶認(rèn)知無線電中，由于主用戶通常不會在同一時間占用整個寬頻帶，因而主用戶信號在頻域上具有稀疏性，可以采用壓縮感知技術(shù)進(jìn)行寬帶頻譜感知。然而，壓縮感知對噪聲比較敏感。當(dāng)壓縮采樣信號的信噪比下降時，會導(dǎo)致壓縮頻譜信號重構(gòu)的失敗，進(jìn)而導(dǎo)致得到錯誤的頻譜感知結(jié)果。由于錯誤的頻譜感知結(jié)果會造成對主用戶的嚴(yán)重干擾，因而提高壓縮頻譜感知的抗噪性尤為重要。另一方面，壓縮頻譜感知的性能還與頻譜的稀疏度有關(guān)，一旦主用戶占用大多數(shù)頻帶，頻譜將失去稀疏性

3、，從而導(dǎo)致壓縮頻譜感知失敗，進(jìn)而可能產(chǎn)生對主用戶的嚴(yán)重干擾。因此，檢測出頻譜的非稀疏性對保護(hù)主用戶尤為關(guān)鍵。
　　 基于上述存在的問題，本文研究了在同構(gòu)寬帶認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)寬帶認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，如何通過多用戶的協(xié)作聯(lián)合壓縮感知提高頻譜感知的性能。進(jìn)一步，本文在多用戶聯(lián)合重構(gòu)頻譜信號的基礎(chǔ)上，提出了一套頻譜非稀疏性檢測方案?；趬嚎s感知技術(shù)的寬帶頻譜感知是當(dāng)前寬帶認(rèn)知無線電技術(shù)研究中的前沿課題，本文所取得的創(chuàng)新性、前沿性的研究

4、成果，可以簡要列舉如下：
　　 1.空時協(xié)作式貝葉斯壓縮頻譜感知
　　 針對同構(gòu)寬帶認(rèn)知無線電中壓縮頻譜感知在低信噪比環(huán)境下頻譜檢測性能下降的問題，提出一種空時協(xié)作式協(xié)作貝葉斯壓縮頻譜感知算法(ST-BCSS)。所謂同構(gòu)寬帶認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是指所有認(rèn)知無線電用戶受到同一主用戶的頻譜活動的影響。現(xiàn)有的多用戶協(xié)作感知直接將各個認(rèn)知用戶對寬帶接收信號的壓縮采樣結(jié)果進(jìn)行融合。而這一類直接融合頻譜壓縮采樣結(jié)果的協(xié)作算法會使處于低信噪

5、比的認(rèn)知用戶的協(xié)作信息影響其他的認(rèn)知無線電用戶的壓縮頻譜信號重構(gòu)。ST-BCSS算法首先應(yīng)用層次化的正態(tài)分布概率模型來表示壓縮頻譜信號的重構(gòu)。不同于直接以壓縮采樣數(shù)據(jù)作為協(xié)作信息的協(xié)作檢測算法，ST-BCSS基于概率模型結(jié)合當(dāng)前的壓縮頻譜感知的結(jié)果，提取出概率模型參數(shù)作為協(xié)作信息進(jìn)行協(xié)作頻譜感知。進(jìn)一步，相鄰的認(rèn)知無線電用戶所感知到的頻譜具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性。同時，主用戶一般不會在同一時間改變所有子信道的忙閑狀態(tài)。因此，同一認(rèn)知無線電用

6、戶前后兩次感知到的頻譜還具有時間相關(guān)性。ST-BCSS算法利用空間和時間上的相關(guān)性，以概率模型參數(shù)的形式在相鄰的認(rèn)知無線電用戶之間交換各自所得的空間和時間上的協(xié)作信息。ST-BCSS算法是一種分布式空時協(xié)作算法，不需要中心基站對協(xié)作信息進(jìn)行融合。仿真結(jié)果表明，與當(dāng)前基于基追蹤(BP)和正交匹配追蹤(OMP)壓縮感知算法相比，文中所提出的ST-BCSS算法能有效減小信噪比低的協(xié)作用戶的影響，從而具有更好的寬帶頻譜感知的檢測性能。
　

7、　 2.頻譜非稀疏性保護(hù)
　　 提出一種協(xié)作式頻譜非稀疏保護(hù)算法(CNSP)。相鄰的認(rèn)知無線電用戶所得到的概率模型參數(shù)在一般情況下具有很強(qiáng)的相關(guān)性。然而，當(dāng)主用戶占用大部分頻帶時，頻譜失去稀疏性的時候，各個認(rèn)知無線電的壓縮頻譜信號重構(gòu)將趨向隨機(jī)化。因而，相鄰的認(rèn)知無線電用戶所得到的概率模型參數(shù)的相關(guān)性減小。從而可以通過計算相鄰的認(rèn)知無線電用戶所得到的概率模型參數(shù)的相關(guān)性推斷出頻譜稀疏度。仿真結(jié)果表明，使用CNSP時可以大大降低

8、對主用戶的干擾概率，從而證明CNSP算法能提供有效的保護(hù)措施。
　　 3.自動簇群識別協(xié)作式壓縮頻譜感知
　　 針對在異構(gòu)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，如何實現(xiàn)認(rèn)知無線電用戶之間的協(xié)作頻譜感知問題，提出一種中心式自動簇群識別協(xié)作式壓縮頻譜感知算法(ACCSS)。由于在異構(gòu)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，存在多個主用戶網(wǎng)絡(luò)，不同認(rèn)知無線電用戶會受到不同主用戶網(wǎng)絡(luò)的頻譜活動的影響，受到相同主用戶網(wǎng)絡(luò)影響的認(rèn)知無線電用戶被看作屬于同一簇群。不同簇群之間

9、的協(xié)作不但不能帶來頻譜感知性能的提高，相反還會降低頻譜的利用率。ACCSS算法首先建立概率圖模型來表示壓縮頻譜信號重構(gòu)，并通過建立Dirichlet過程混合模型將頻譜壓縮采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。ACCSS是一種中心式算法。在數(shù)據(jù)融合中心估計出各認(rèn)知無線電用戶和各主用戶網(wǎng)絡(luò)之間的簇群關(guān)系，同時聯(lián)合重構(gòu)出各個認(rèn)知無線電用戶所感知到頻譜信號?；诟怕誓Ｐ?，簇群內(nèi)的各個認(rèn)知無線電用戶能有效的融合協(xié)作信息并聯(lián)合重構(gòu)該簇群的主用戶頻譜信號。由此可以感知到

10、各個主用戶的頻譜使用狀況。數(shù)值仿真結(jié)果表明，ACCSS算法能有效估計出各個認(rèn)知無線電用戶和各個主用戶之間的簇群關(guān)系并且能提高在低信噪比環(huán)境下的壓縮頻譜感知性能。
　　 4.基于置信傳播協(xié)作壓縮頻譜感知
　　 針對一般的分布式協(xié)作壓縮頻譜感知算法在異構(gòu)寬帶認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中不能實現(xiàn)有效協(xié)作的問題，提出一種基于置信傳播協(xié)作式壓縮頻譜感知算法(BP-CSS)BP-CSS算法首先應(yīng)用成對馬爾可夫隨機(jī)場對相鄰的認(rèn)知無線電用戶所感知到

11、的頻譜的相關(guān)性建模。各認(rèn)知無線電用戶建立表示壓縮頻譜重構(gòu)的分層概率圖模型，并結(jié)合本地的頻譜感知結(jié)果提取作為協(xié)作信息的先驗概率參數(shù)?；诔蓪︸R爾可夫隨機(jī)場模型，各認(rèn)知無線電用戶應(yīng)用置信傳播算法與其相鄰的協(xié)作用戶交換并融合協(xié)作信息，再根據(jù)融合后的協(xié)作信息重構(gòu)本地的頻譜信號并檢測出相對應(yīng)的主用戶的頻譜活動狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，BP-CSS算法是一種有效的分布式協(xié)作壓縮頻譜感知算法，與一般的分布式壓縮頻譜感知算法相比能有效提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)整體的