基于置信传播的认知无线电协作频谱感知技术研究

【摘要】随着无线通信技术的迅猛发展，日益增多的业务带宽需求与有限的频谱资源之间的矛盾越来越尖锐。无线频谱是一种珍贵的自然资源，它的分配和使用都需要得到法定部门的授权认可。然而正是这种固定频带分配的方案降低了频谱资源的利用率。认知无线电这门正在蓬勃发展的新兴技术具有解决无线频谱资源稀缺的潜能。它的基本出发点是检测授权用户没有使用的频谱资源，然后对其加以充分利用，以实现多个用户共享同一频段。它的核心问题是如何准确地识别频谱空穴并判断授权用户的出现，频谱感知技术就能为上述问题提供一个有效的解决方案。因此，本课题围绕认知无线电频谱感知技术展开研究。通常情况下，对频谱感知技术的研究主要包括单用户检测和多用户协作频谱感知两方面。本文首先深入研究了基于发射机检测的三种单节点频谱感知方法，并通过仿真分析总结出三种方法的优缺点，以明确各方法的适用范围。由于协作频谱感知通过合并多个认知用户的本地感知信息，能够有效对抗给单节点检测带来严重困扰的“隐蔽终端”问题，进而提高频谱感知的性能。因此在单节点检测的基础上，本文随后对协作频谱感知技术展开研究，从判决融合和数据融合两方面对协作频谱感知中常用的信息融合算法进行了详细的理论分析，并通过在集中式认知网络中的仿真对比了它们的性能。由于目前大多数协作频谱感知网络都需要信息融合中心这样用于集中协调控制的设备，这就大大降低了系统的鲁棒性、灵活性和可扩容性等。为了克服这一问题，本文最后重点研究分布式网络的协作频谱感知算法，提出一种基于改进置信传播算法URW-BP的分布式协作频谱感知方案。新方案的核心思想是使用概率图模型表征分布式认知网络，考虑将分布式协作频谱感知问题转化为概率图模型中的推理问题。另外，为了强调相邻节点之间的空间相互作用及节点状态随时间的演变情况对感知结果的影响，又在图模型中引入空间相互作用因子和时间演变因子，然后利用URW-BP算法实现了因子图上的概率推理，最终估计出特定无线信道被授权用户占用的概率，以便后续进行频谱分配与频谱管理。与传统的协作频谱感知算法相比，新方案能够明显提高系统的鲁棒性、灵活性、有效性及可扩展性等。
【作者】秦楠楠；
【导师】于银辉；
【作者基本信息】吉林大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】认知无线电；协作频谱感知；分布式网络；概率图模型；置信传播；

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