认知无线通信系统中的干扰抑制技术分析

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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论第一章绪论1.1课题研究背景近十年来，无线通信技术在技术创新和应用需求的共同驱动下得到了飞速发展。与此同时，无线业务的迅速增长及其高速化和宽带化特征使得对频谱资源的需求日益加大，同时也使得频谱资源的供需矛盾问题日益突出。然而研究表明，目前固定频谱分配的频谱管理方法对现有的频谱资源的利用并不充分，部分频段的利用率已趋于饱和，而另一些频段的利用率却仍处于较低的水平，频谱资源存在着巨大“浪费”。例如，美国国家无线网络研究实验床(NationalRadioNetworkRes

2、earchTestbed,NRNRT)的项目研究报告中指出，3GHz以下频段[1]的平均频谱利用率仅为5.2%。因此，如何在目前有限的无线频谱资源条件下，有效地提高通信系统性能和频谱使用效率，从而从根本上解决有限的无线频谱资源和日益增长的无线通信业务需求之间的矛盾，已成为未来无线通信领域的研究热点。目前，主要从两个角度出发来解决无线频谱资源有效利用问题，一方面是研究如何将先进的调制编码技术、链路自适应技术和多天线技术等应用于现有的通信网络；另一方面是研究新的频谱共享技术，消除由静态频谱分配方式带来的频谱利用

3、率低下的问题。虽然这些技术在提高频谱资源利用率方面取得了一定的进步，但是这些通信技术在提高频谱利用率的同时却增加了各通信系统内或系统间的干扰，从而限制了无线通信系统的容量和灵活性。2003年，美国国防部高等研究计划署（DARPA）提出了一种旨在通过认知无线电[2]（CognitiveRadio,CR）技术来提高频谱利用率的下一代网络通信系统（NextGeneration,xG）。认知无线电技术是实现频谱动态使用，解决频谱资源短缺问题的关键技术。认知无线电网络（CognitiveRadioNetworks,C

4、RN）也被称为动态频谱接入网络（DynamicSpectrumAccessNetworks,DSANs），它采用随机接入授权频带的方式，动态地利用时间上和空间上暂时空闲的无线频谱资源，为新的无线应用提供工作频段，从而可以有效地解决由目前的固定频谱管理方式所带来的频谱资源短缺问题，提高频谱利用率。认知无线电网络的网络架构如[3]图1-1所示：1南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论未授权频段频谱代理认知网络用户认知网络用户授权频段1认知网络用户认知网络用户认知系统基站授权用户授权频段2AdHoc接入技术授权

5、用户基站认知网络用户授权用户授权用户网络无基础设施的认知网络带基础设施的认知网络图1-1认知网络架构认知无线电的概念最早于1999年在JosephMitola博士发表的一篇文章中被提出，文章中对认知无线电技术是如何通过一种新语言来提高个人无线服务的灵活性进行了描述，这种新语[4]言被称之为“无线电知识表达语言”（RadioKnowledgeRepresent-actionLanguage，RKRL）。[5]2000年5月，RKRL的概念在Mitola博士的博士论文中得到了更进一步地阐释。论文中对包括多种学科

6、的认知无线电进行了概述，并首次给出了其定义：认知无线电是一种能够连续不断地感知周围通信环境的智能的无线通信技术，它能够对周围的环境进行分析、理解和判断，并能够通过无线电知识表达语言自适应地调整其系统内部的通信参数（如工作频率、发射功率和调制编码方式等）从而适应周围环境的变化。认知无线电的核心思想可归纳为：感知那些在时间上和空间上暂时处于空闲状态的授权频谱，并要在不对授权用户的正常工作造成影响的前提下智能地接入这些授权频谱。[6]认知无线电网络中，主要完成三个步骤：频谱感知、频谱分析和频谱决策，构成认知环[3

7、]如图1-2所示：2南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论无线环境频谱感知频谱决策频谱空穴信息频谱分析图1-2基本认知环正如认知环中所示，当认知用户试图接入授权频带时，首先必须进行频谱感知，收集检测到的在时间上和空间上暂时处于空闲状态的授权频谱的相关信息，并通过感知算法的判决机制来选择可进行频谱接入的频带范围，即频谱空穴；然后，通过频谱分析模块对感知到的频谱空穴的相关特征进行分析；最后根据分析得出的频谱数据以及用户需求的数据传输速率和传输方式进行频谱决策，选择适合的频谱空穴进行频谱接入。由于无线通信的频谱

8、环境具有时空变化的特性，因此，认知网络用户必须能够随时捕捉环境变化的信息并检测频谱使用的变化情况。如果由于无线频谱环境恶化或授权用户的出现而导致当前频谱空穴不再可用，那么，此时认知用户必须终止通信或寻找新的频谱空穴进行接入，从而避免对授权用户造成严重干扰而导致其无法正常工作。由此可知，在认知无线电网络中，能否有效提高通信系统性能和无线频谱利用率的关键在于是否有灵活有效的频谱分配机制和干扰抑制技术。在认知无线电环境