認知無線電頻譜感知與頻譜利用率優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、隨著高速數(shù)據(jù)業(yè)務的繁榮發(fā)展與智能移動終端的快速普及，人們對無線接入速率的需求呈爆發(fā)式增長。頻譜作為無線通信的基本資源，正處于“稀缺”與“浪費”共存的尷尬境地。為有效緩解頻譜稀缺壓力，認知無線電技術(shù)應運而生。認知無線電系統(tǒng)通過感知周邊頻譜環(huán)境，在盡量不影響主用戶傳輸?shù)那疤嵯拢瑥臅r間、空間、能量等維度“見縫插針”地使用頻譜資源，能夠有效提高頻譜利用率，使頻譜擺脫目前所處窘境，從提出伊始一直受學術(shù)領域和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。在認知無線電系統(tǒng)中，主

2、用戶行為與頻譜可用機會直接相關，而主用戶占用頻譜時機的不確定性，導致頻譜可用機會在時頻等多個維度的不規(guī)則性，極大增加了頻譜感知與利用的難度。鑒于此，本文從主用戶行為出發(fā)，分別對主用戶在不同時機占用頻譜的情況進行建模，重點圍繞認知無線電系統(tǒng)頻譜感知性能以及不同場景、不同檢測模式下的最優(yōu)頻譜利用率展開理論研究，力求指導和完善實際認知系統(tǒng)設計。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對已有研究缺乏對主用戶行為隨機性的考慮，難以有效支撐實際認知系統(tǒng)

3、頻譜感知性能分析的問題，采用馬爾可夫過程刻畫主用戶在次用戶感知時隙內(nèi)的隨機接入/離開行為，提出一種主用戶隨機接入/離開行為下的頻譜感知性能分析方法。該方法首先利用聶曼-皮爾遜準則，獲得不同主用戶信號有效長度的似然比函數(shù)；其次，根據(jù)主用戶在感知時隙內(nèi)的不同行為，將所有可能出現(xiàn)的情況劃分為4種典型場景，推導出相應主用戶信號有效長度的概率分布，并利用全概率公式得出不同有效長度的出現(xiàn)概率；然后，結(jié)合變量代換分析，采用能量檢測感知方法，依據(jù)條件概

4、率公式求出次用戶平均檢測概率的閉式解；最后通過數(shù)值仿真驗證了理論推導結(jié)論的合理性和正確性。結(jié)果表明主用戶隨機接入/離開行為對頻譜感知性能的影響最大超過50％，在實際中應予以重視。⑵針對已有研究未充分考慮主次用戶傳輸沖突，所得結(jié)論難以指導實際時隙設計的問題，提出一種主次用戶傳輸沖突下的單門限靜態(tài)檢測最優(yōu)頻譜利用率分析方法，并給出最佳感知時隙設計參考。該方法依據(jù)排隊論思想，采用單個服務臺下M/M/1模型表征主用戶隨機接入行為，綜合考慮感知時

5、隙與傳輸時隙比例、頻譜檢測概率、主次用戶傳輸沖突概率等因素，推導出頻譜利用率與感知時間之間的函數(shù)關系式，在此基礎上，論證了函數(shù)二階導數(shù)為負，說明最優(yōu)頻譜利用率的存在性，并通過求解函數(shù)駐點，推導出最佳感知時間，給出設計參考。仿真結(jié)果表明，主次用戶傳輸沖突對最優(yōu)頻譜利用率的影響達到20%以上，實際應適當增加感知時間，以減少沖突，提高頻譜利用率。⑶相比單門限靜態(tài)檢測，雙門限動態(tài)檢測不固定感知時隙，系統(tǒng)參數(shù)更為復雜，尚缺乏直接有效的理論指導，針

6、對這一問題，提出一種主次用戶傳輸沖突下的雙門限動態(tài)檢測最優(yōu)頻譜利用率分析方法，并給出最優(yōu)頻譜利用率下的系統(tǒng)參數(shù)設計參考。該方法充分考慮雙門限檢測的特點，先依據(jù)判決門限與虛警概率、頻譜檢測概率的相互關系，推導獲得期望感知時間的表達式，在此基礎上，綜合主次用戶傳輸沖突概率、頻譜檢測概率以及期望感知時間等因素，構(gòu)建出頻譜利用率和虛警概率之間的函數(shù)關系式，并通過函數(shù)導數(shù)分析了函數(shù)凸性，求出最優(yōu)頻譜利用率，給出相應的參數(shù)設置參考。仿真結(jié)果表明，主

7、次用戶傳輸沖突的引入對雙門限動態(tài)檢測下的最優(yōu)頻譜利用率影響最大可以達到30%，應在實際中予以考慮。⑷為分析系統(tǒng)整體的頻譜利用率，已有研究通常采用連續(xù)時間馬爾可夫鏈對主次用戶行為進行統(tǒng)一建模，但由于在應用場景或假設條件等方面存在一定限制，難以有效評估實際系統(tǒng)性能，針對這一問題，面向多信道、多用戶、非確定狀態(tài)數(shù)量的一般化認知無線電系統(tǒng)，提出一種基于連續(xù)時間馬爾可夫鏈的頻譜利用率分析方法。該方法在二元檢測的分析框架下，首先針對理想感知情況，根