认知无线电动态频谱接入关键技术研究

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1、学校代码107011101310094学号分类号TN82TN92公开密级西安电子科技大学博士学位论文认知无线电动态频谱接入关键技术研究作者姓名：郑仕链一级学科：信息与通信工程二级学科：通信与信息系统学位类别：工学博士指导教师姓名、职称：杨小牛研究员2014提交日期：年9月StudyonKeyTechnologiesofDynamicSpectrumAccessforCognitiveRadioAdissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequire

2、mentsforthedegreeofDoctorofPhilosophyByZhengshilian(InformationandCommunicationEngineering)Supervisor:Prof.YangxiaoniuSeptember2014摘要摘要无线频谱是一种宝贵的自然资源。由政府监管机构指定的固定频谱分配机制导致频谱平均利用率低下。为了提高频谱利用率，人们提出了认知无线电技术动态使用授权用户暂时不使用的频谱空穴。这种频谱使用方式也被称为动态频谱接入。动态频谱接入是一种自主、动态、高效的频谱使用方式，对于缓解频

3、谱资源紧张、提高频谱利用率来说具有重要意义。动态频谱接入的实现需要解决一系列难点问题。本文的研究立足于解决认知无线电动态频谱接入的几个关键问题，包括宽带频谱感知、频率会合、频谱切换以及链路自适应技术，最后还研制了试验平台，对动态频谱接入功能进行试验验证。全文内容可以概括为以下五个部分：第一部分研究认知无线电宽带频谱感知。在Nyquist宽带频谱感知方面，提出了一种基于GroupTesting（GT）的宽带频谱感知方法，并以多相滤波为基础构建了一种两步GT方案，以此降低频谱占用率不高时所需的二元检测的次数，降低宽带频谱感知的计算复杂度。

4、仿真结果验证了其有效性。在子Nyquist宽带频谱感知方面，针对频谱不稀疏等情况导致重构结果不可靠时，利用错误的频谱空穴容易对主用户造成干扰的问题，提出了仅依赖单个感知节点的重构确认方法。具体来说，针对随机解调器子Nyquist采样重构确认，提出利用相邻两次重构所得支撑集之间的相关性进行判断，针对调制宽带转换器子Nyquist采样重构确认，提出利用相邻两次重构所得子带能量之间的相关性进行判断，分别通过仿真验证这两种方法的可行性。第二部分研究认知无线电会合。提出了一种简单的无需公共控制信道的宽带接收盲会合方法，理论分析了静态频谱环境下对

5、称信道可用性模型和非对称信道可用性模型两种模型下该方法的期望会合时间和最大会合时间，与窄带接收盲会合相比，本文宽带接收盲会合方法能大幅降低会合时间。除此之外，还理论推导了动态频谱环境下，对称信道可用性模型和非对称信道可用性模型两种模型下该方法的期望会合时间，进一步通过仿真验证了该方法的性能。结果表明，如果能同时对多个信道的信号进行分析，则会合能大大加快。另外，与传统宽带接收盲会合方法相比，本文方法能大幅降低信号分析次数，从而降低计算复杂度。第三部分研究认知无线电频谱切换。针对单次频谱切换，建立了两个目标信道访问问题模型：切换失败概率最

6、小化问题模型以及平均切换延时最小化问题模型。针对切换失败概率最小化问题模型，提出了一种按信道平均空闲时间递减排序的目标信道访问方法，理论证明了在信道空闲时间模型为均匀分布、指数分布、I西安电子科技大学博士学位论文Rayleigh分布以及Weibull分布时，该方法的最优性，并仿真分析了信道参数存在估计误差时该方法的性能。针对平均切换延时最小化问题模型，提出了一类基于进化算法的目标信道访问方法，具体以粒子群优化算法（ParticleSwarmOptimization，PSO）和生物地理学优化算法（Biogeography-BasedOp

7、timization，BBO）为例给出了算法流程，并通过仿真分析了所提方法的性能。结果表明，基于PSO和BBO的方法性能要远优于随机访问法，并且基于PSO和BBO的方法所得的目标信道访问序列与理想最优解非常接近。第四部分研究认知无线电链路自适应。结合绿色通信需求，将能量消耗最小化链路自适应问题建模为一个以服务质量为约束条件、以能耗为优化目标的最优化问题，提出基于进化算法的求解方法，以PSO和BBO为例给出了算法流程，提出了一种全新的适应度衡量机制，既考虑了主目标，也考虑了约束条件，最后通过仿真验证了所提方法的有效性。第五部分研究动态频

8、谱接入试验平台。基于软件无线电体系结构，构建了一个集宽带频谱感知、盲会合、带内感知、频谱切换等功能于一体的认知无线电时分双工通信动态频谱接入试验平台，对本文提出的一些算法进行了实现和试验验证。具体讨论了算法、协议设计以及