认知无线电网络中的频谱感知与共享技术研究

【摘要】随着无线通信技术的快速发展，可用的频谱资源变得越来越稀缺；然而一些研究机构却表明授权频段的频谱利用率很低。认知无线电技术使得未经授权的次用户主动地寻找无线电环境中的空闲频谱资源，并在不对授权的主用户产生干扰的情况下使用这些空闲频谱。认知无线电的关键技术包括了频谱感知、频谱共享等技术。频谱感知使得认知无线电具有检测、学习及感知各种无线电磁参数的能力，是认知无线电技术的前提和先决条件。当感知到空闲频谱之后，应用频谱共享技术，次用户可以快速高效的分配空闲频谱资源。在分布式认知网络中，由于缺少中心基站的支持，次用户进行数据传输之前需要使用公共控制信道（commoncontrolchannel,CCC）来交换彼此的控制信息并协商空闲频谱的分配。如何设计和选择CCC是频谱共享技术的核心问题之一。针对认知无线电的频谱感知问题，特别是在低信噪比条件下的检测问题，本文提出了基于小波变换的频谱感知算法，该算法具有一种灵活的双支路检测结构并能自动地应对不同信噪比的接收信号。在高信噪比条件下，算法采用单支路结构对接收的有噪信号的功率谱密度（PSD）进行处理，依据噪声与频谱奇异点在小波变换域的不同传播特性来去除噪声。而在低信噪比条件下，将两条支路的处理结果进行合并分析，确定空闲频段。感知算法灵活的检测结构可以在保证准确检测空闲频谱的条件下减少系统的计算量。仿真结果表明，本文提出的感知算法能在低信噪比条件下有效的检测空闲频谱。次用户间以跳频序列的方式共享动态的CCC是目前认知无线电频谱共享问题的解决方法之一。在此类方法中，次用户跟随特定的跳频序列接入到它的所有可用信道中，并在此过程中实现与其他次用户的交会。当次用户对在相同的时间接入到相同的信道时，它们可以在此共同信道上交换彼此的控制信息，这即是交会，交会算法用来产生跳频序列。本文针对网络中次用户时钟同步的情况，提出了一种基于请求集理论的同步交会算法。在该算法中，次用户的跳频序列仅由其感知到的可用信道决定，而不关心其他次用户是否感知到相同的可用信道集合，且本算法对于网络中总的信道数量也没有任何要求。仿真结果表明，本文的同步交会算法在保证有共同可用信道的任意两个次用户之间能够实现交会的前提下，具有最短的平均交会时间。接着讨论次用户时钟不同步情况下的交会算法，根据次用户感知到的空闲频谱集合是否相同提出了两种算法。这两种算法均利用循环请求集系统的旋转相交特性来设计跳频序列，并且能在异步环境下保证有公共信道的次用户之间能够实现交会。两种算法的不同之处在于采用了不同长度的请求集来构造跳频序列，且两个算法的信道公平指数不一样。仿真实验表明，本文的两种异步交会算法在平均交会时间和交会成功率上能获得一个较好的综合性能。认知网络按照一定的准则划分为若干个簇，簇内共享一条信道用于交换控制信息，这种以分簇的方式实现按区域共享的CCC也是认知无线电频谱共享问题的解决方法之一。按照这种思路，本文首先提出了一种基于簇结构的MAC协议，该协议以超级帧作为基本的处理对象，并支撑簇结构稳健地应对主用户操作。在此框架下，提出了一种考虑可用信道、地理位置以及经验统计值的新的分簇算法，该算法以最大化簇内吞吐量和维持簇结构稳定为设计目的。接着讨论了几个关键的簇维护和管理问题。每个次用户采用一个经验数据库来存储它的经验统计值，经验统计值是通过收集次用户过去的行为而得到的累计值。仿真结果表明，基于分簇结构的MAC协议在中高网络负载情况下能获得较高的网络吞吐量以及较低的传输时延。且本文提出的分簇算法在产生的簇的总数量以及簇的重构次数上可以获得一个较好的综合性能。
【作者】李晓艳；
【导师】张海林；
【作者基本信息】西安电子科技大学，通信与信息系统，2013，博士
【关键词】认知无线电；频谱感知；频谱共享；交会；媒体接入控制；分簇；

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