协作式多窗谱估计算法的研究与实现
发布时间：2020-04-20 03:48
【摘要】：近几年,经过众多学者研究发现,现有频谱分配策略中的频谱利用率较低。针对此问题,美国联邦通讯委员会(Federal Communication Commission,FCC)提出认知无线电(Cognitive Radio,CR)概念,用来提高授权频谱的利用率。在CR中,次要用户(Secondary User,SU)周期性地运行频谱感知算法,目的在于不断地检测主要用户(Primary User,PU)的频谱空洞,从而动态占用空闲频谱进行通信。由于阴影衰落和多径效应的影响,单节点的频谱检测算法的检测稳定性较差且检测概率较低,导致SU对PU的正常通信造成干扰。所以协作式频谱感知(Cooperative Spectrum Sensing,CSS)算法被提出来解决上述问题,CSS系统的感知过程包括感知检测时隙、上报决策时隙与数据传输时隙。在这三个时隙中,感知检测时隙的时延具有重要的研究意义,该时延的减小可以提高系统的通信吞吐量。针对传统CSS感知时延较长的问题,本文工作内容及创新点如下:1.深入研究认知无线电和频谱感知算法的原理及其发展现状,建立频谱感知模型并总结相关概念。详细介绍传统的频谱感知算法的实现原理,最终采用检测性能较好的非参数型多窗谱估计算法(Multi-taper Method,MTM)作为本文中SU处的感知算法。2.针对如何在较高的检测概率下缩短感知时延的问题,本文提出了一种改进型协作式频谱感知(Improved Cooperative Spectrum Sensing,ICSS)算法,即基于截断式序贯检测(Truncated Sequential Probability Ratio Test,T-SPRT)的协作式多窗谱估计算法。首先,详细介绍了该算法的系统模型和帧结构设计。在次要用户节点处采用MTM对观测向量求解频谱感知结果,根据似然比(Likelihood Ratio,LLR)的定义,理论推导出SU的判决统计量。参考序贯检测(Sequential Probability Ratio Test,SPRT)方法给出SU的判决门限值。其次,根据累积分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)的概念对融合中心(Fusion Center,FC)的检测概率和虚警概率进行推导,最终分析得出时延和吞吐量的表达式。最后,将ICSS算法与能量检测算法、FC处序贯检测算法、协作式能量检测算法等算法进行仿真对比分析。仿真结果表明ICSS算法在检测概率、感知时延和吞吐量性能上要优于传统算法。3.将ICSS算法研究成果应用于专网通信系统中,对射频控制协议进行研究,设计了一种能够缩短空闲频点搜索时间的二分频点搜索算法(Binary Frequency Search Algorithm,BFSA)。实验结果表明,在单频点(频段)或双频点(频段)干扰条件下,本文提出的ICSS算法和BFSA能够快速准确地搜索到空闲频点,不仅缩短了搜索时间,而且减小了感知时延。
【图文】：
期存在于次要用户系统中，从而及时感知到频谱空洞位置的变化。所以在频谱感知逡逑算法的设计与实际应用中需要注意尽量降低实现复杂度，减小执行时间。逡逑频谱感知算法分类如图１－１所示［１３］。频谱感知算法可以划分为两类，一类是单逡逑用户节点处的频谱感知算法，该算法既可以对主要用户发送端的信号进行检测，例逡逑如能量检测（Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，邋ＥＤ）频谱感知算法等又可以对主要用户接收逡逑端的信号进行检测，例如接收机本振泄露频谱检测算法、干扰温度频谱检测算法逡逑等。其中，受到广大学者青睐的谱估计频谱感知算法研宄成果包括周期图估计算法逡逑（Ｐｅｒｉｏｄｏｇｒａｍ邋Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ邋Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＰＥＡ）、改进式周期图估计算法、加权交叠分段平逡逑均（Ｗｅｉｇｈｔｅｄ邋Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ邋Ｓｅｇｍｅｎｔ邋Ａｖｅｒａｇｉｎｇ，ＷＯＳＡ）［１８］［１９］、多窗谱估计算法［２０］等。逡逑多用户的频谱感知算法包括分布式频谱检测算法、集中式频谱检测算法和中继式频逡逑谱检测算法。在单节点的频谱感知算法中，由于信号传输会受多径效应、阴影衰落逡逑引起的隐藏终端问题所影响
主要用户信号会被噪声所淹没，造成较差的检测性能逡逑２．２．２匹配滤波器检测算法逡逑匹配滤波器检测（Ｍａｔｃｈｅｄ邋Ｆｉｌｔｅｒ邋Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ＭＦＤ）算法框图如图２－２所示。其思逡逑想是通过对主要用户的信号进行解调或者导频相干检测实现的。在ＡＷＧＮ信道中，逡逑通过理论推导可得该算法可以使输出的ＳＮＲ最大，是一种最优的频谱感知检测算逡逑法Ｅ６４］。首先，接收到的时域模拟信号通过一个带通滤波器，得到目标带宽模拟逡逑信号。之后将模拟信号通过ＡＤ转换器得到时域数字信号ｙ（ｎ），然后将主要用户的逡逑信号与；Ｋｎ）点乘得到统计量，最后和门限值；Ｉ作比较得出决策结果［６５］。逡逑７（０—？带通滤波器邋＿？邋ＡＤ转换器，，＝邋｜．ｖ（＂），（》）邋—？逡逑５’（《）逡逑图２－２邋匹配滤波器检测算法框图逡逑在二元信号检测的模型下，由文献［６６］可知，假设信号和噪声ｖｖ（ｎ）均服从逡逑正态分布
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN925
【图文】：
期存在于次要用户系统中，从而及时感知到频谱空洞位置的变化。所以在频谱感知逡逑算法的设计与实际应用中需要注意尽量降低实现复杂度，减小执行时间。逡逑频谱感知算法分类如图１－１所示［１３］。频谱感知算法可以划分为两类，一类是单逡逑用户节点处的频谱感知算法，该算法既可以对主要用户发送端的信号进行检测，例逡逑如能量检测（Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，邋ＥＤ）频谱感知算法等又可以对主要用户接收逡逑端的信号进行检测，例如接收机本振泄露频谱检测算法、干扰温度频谱检测算法逡逑等。其中，受到广大学者青睐的谱估计频谱感知算法研宄成果包括周期图估计算法逡逑（Ｐｅｒｉｏｄｏｇｒａｍ邋Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ邋Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＰＥＡ）、改进式周期图估计算法、加权交叠分段平逡逑均（Ｗｅｉｇｈｔｅｄ邋Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ邋Ｓｅｇｍｅｎｔ邋Ａｖｅｒａｇｉｎｇ，ＷＯＳＡ）［１８］［１９］、多窗谱估计算法［２０］等。逡逑多用户的频谱感知算法包括分布式频谱检测算法、集中式频谱检测算法和中继式频逡逑谱检测算法。在单节点的频谱感知算法中，由于信号传输会受多径效应、阴影衰落逡逑引起的隐藏终端问题所影响
主要用户信号会被噪声所淹没，造成较差的检测性能逡逑２．２．２匹配滤波器检测算法逡逑匹配滤波器检测（Ｍａｔｃｈｅｄ邋Ｆｉｌｔｅｒ邋Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ＭＦＤ）算法框图如图２－２所示。其思逡逑想是通过对主要用户的信号进行解调或者导频相干检测实现的。在ＡＷＧＮ信道中，逡逑通过理论推导可得该算法可以使输出的ＳＮＲ最大，是一种最优的频谱感知检测算逡逑法Ｅ６４］。首先，接收到的时域模拟信号通过一个带通滤波器，得到目标带宽模拟逡逑信号。之后将模拟信号通过ＡＤ转换器得到时域数字信号ｙ（ｎ），然后将主要用户的逡逑信号与；Ｋｎ）点乘得到统计量，最后和门限值；Ｉ作比较得出决策结果［６５］。逡逑７（０—？带通滤波器邋＿？邋ＡＤ转换器，，＝邋｜．ｖ（＂），（》）邋—？逡逑５’（《）逡逑图２－２邋匹配滤波器检测算法框图逡逑在二元信号检测的模型下，由文献［６６］可知，假设信号和噪声ｖｖ（ｎ）均服从逡逑正态分布
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN925
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 马恒;;认知无线电中频谱检测技术研究[J];无线电工程;2014年03期
2 陈R
本文编号：2634114
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