面向无线通信系统的频谱感知理论与技术研究

发布时间：2017-03-18 06:04

  本文关键词：面向无线通信系统的频谱感知理论与技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为通信产业链中发展最为迅速的领域之一,无线通信得到了学术界和工业界的大力关注,其在人们日常生活中的地位与所扮演的作用已不可替代。无论哪种无线通信技术,都是以频谱作为支撑,而无线频谱资源的匮乏与利用不充分这一矛盾制约了无线通信系统的应用。为了解决这一矛盾,认知无线电的概念被提出来,该方法通过频谱感知的方式来实现对频谱空穴的检测,进而供从用户伺机动态接入。这种认知的思想还可以应用到小小区场景下的干扰协调问题中,解决无线信号室内覆盖效果差的现状。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)作为另一种提高频谱利用率的方法,可以提供高速的数据传输速率,其在本文中也得到了相关研究。本文在国内外学者现有的学术成果基础之上,在认知无线电、频谱感知、毫微微小区、OFDM等领域深入开展了理论学习和研究探索工作,特别是在宽带频谱感知、认知室内覆盖干扰协调、参数化信道估计等方面取得了一定的学术成果。论文针对认知无线电宽带频谱感知问题,提出了一种并行检测的机制。不同于传统逐带检测方式的单带检测器,该方法同时检测所有子信道并对其频谱占用状态作出判决,首先估计被占用信道的数目,然后判断其位置。论文首先提出一种基于似然函数准则的方法,通过建立一系列假设检验模型,将被占用子信道数目的估计转化为模型选择问题,然而通过对比各子信道上采样功率的大小来确定被占用信道的索引。接着,论文在接收端引入智能天线自适应阵列结构,通过多级维纳滤波器多级迭代的方式改进了最短描述长度(Minimum Description Length, MDL)准则,这种改进的准则用噪声子空间元素的方差来替代采样协方差矩阵的特征值,从而避免了采样协方差矩阵的计算与特征值分解,节省了运算量。同时,观测数据和参考信号间的互相关操作可以有效地抑制加性噪声,生成更干净的信号和噪声子空间,降低欠估计与过估计概率。本文还提出了一种对主用户信号类型不依赖于统计独立高斯随机变量假设的算法,这种方案基于信号和噪声子空间的正交性,利用盖氏圆盘定理分离出酉变换后信号和噪声的盖氏圆盘,通过试探性的方式估计被占用信道的数目,具有更广阔的适用范围。经仿真验证,这些算法均能有效地对抗噪声不确定性,不需要主用户信号的先验信息,在相同信道条件下可以获得比现有算法更可靠的检测性能。论文针对蜂窝网络系统中的室内覆盖问题,提出了一种基于频谱感知思想的室内覆盖干扰抑制方案。这种方案采用了“认知家庭基站”的概念,将家庭基站视为从用户系统,宏蜂窝网络视为主用户系统。通过周期性频谱感知,家庭基站具备了对周围无线电环境的感知能力,可以识别出网络中的干扰信号,其频谱重用模式可以根据室内无线频谱环境而智能改变,进而智能地接入频谱空穴,有效地、自治地解决各式各样的干扰问题。仿真实验表明这种方案对提高宏小区与家庭基站网络的吞吐量都有积极促进作用,其性能优于现有的专用信道与共信道这两种分配方式。论文针对OFDM信道估计问题,提出了一种基于参数化信道模型来估计径数与时延的方法,并对其复杂度进行了分析。该方法从—个新颖的角度出发,采用最小二乘准则估计导频子载波频率响应,接着基于多径信道的稀疏结构,利用指数嵌入家族函数准则来估计多径的径数以及每条径对应的时延,然后重构所有载波上的信道频率响应。仿真实验从正确估计概率和均方误差两个指标的角度进行度量,结果表明这种方法在较低计算复杂度的情况下能取得较高的估计精度,非常适合于多径衰落场景。
【关键词】：认知无线电 频谱感知 干扰协调 正交频分复用 信道估计
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 研究背景及意义12-15
• 1.2 关键技术的发展及研究现状15-22
• 1.2.1 认知无线电频谱感知技术15-18
• 1.2.2 室内覆盖干扰抑制技术18-19
• 1.2.3 OFDM信道估计技术19-22
• 1.3 论文的课题来源和研究成果22
• 1.4 论文的主要内容和结构安排22-25
• 第二章 基于似然函数准则的宽带频谱感知技术25-41
• 2.1 引言25-26
• 2.2 宽带频谱感知系统模型26-28
• 2.3 能量检测器28-31
• 2.3.1 Neyman-Pearson定理28-29
• 2.3.2 能量检测器29-31
• 2.3.3 噪声不确定性31
• 2.4 基于似然函数准则的宽带频谱感知算法31-36
• 2.4.1 方案介绍31-35
• 2.4.2 讨论35-36
• 2.5 仿真实验36-39
• 2.5.1 系统性能随信道条件的变化36-37
• 2.5.2 系统性能随不同观测时间的变化37-38
• 2.5.3 不同观测时间下系统性能随信道条件的变化38-39
• 2.6 本章小结39-41
• 第三章 基于多级维纳滤波器结构的宽带频谱感知技术41-57
• 3.1 引言41-42
• 3.2 系统模型42-43
• 3.3 基于多级维纳滤波器结构的宽带频谱感知方案43-50
• 3.3.1 传统的MDL方法43-44
• 3.3.2 维纳滤波器44-45
• 3.3.3 方案介绍45-49
• 3.3.4 讨论49-50
• 3.4 算法复杂度分析50-53
• 3.5 仿真结果53-56
• 3.5.1 不同信道条件下的性能比较53-54
• 3.5.2 不同观测时间对算法性能的影响54-55
• 3.5.3 不同算法性能对比55-56
• 3.6 本章小结56-57
• 第四章 基于盖氏圆盘定理的宽带频谱感知技术57-74
• 4.1 引言57
• 4.2 系统模型57-59
• 4.3 基于盖氏圆盘定理的宽带频谱感知算法59-67
• 4.3.1 原理分析59
• 4.3.2 盖氏圆盘定理59-62
• 4.3.3 方案介绍62-66
• 4.3.4 讨论66-67
• 4.4 算法仿真67-73
• 4.4.1 不同信道条件下的算法性能68-69
• 4.4.2 不同观测时间场景下的算法性能69-70
• 4.4.3 不同信号类型场景下的算法性能对比70-71
• 4.4.4 不同信道衰落场景下的算法性能71-72
• 4.4.5 不同算法性能对比72-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第五章 基于频谱感知思想的室内覆盖干扰抑制技术74-85
• 5.1 引言74-75
• 5.2 系统模型75-76
• 5.3 室内覆盖干扰抑制方案76-80
• 5.3.1 干扰分析76-77
• 5.3.2 专用信道与共信道分配方式77-78
• 5.3.3 认知干扰抑制技术78-80
• 5.4 仿真结果80-84
• 5.5 本章小结84-85
• 第六章 基于参数化信道模型的OFDM信道估计技术85-98
• 6.1 引言85-86
• 6.2 参数化信道模型86-88
• 6.3 简化的参数化信道估计方案88-93
• 6.3.1 原理分析88-90
• 6.3.2 信道参数(径数和时延)的估计90-91
• 6.3.3 信道插值91-92
• 6.3.4 讨论92-93
• 6.4 计算复杂度分析93-94
• 6.4.1 MDL算法的计算复杂度93
• 6.4.2 跳频导频算法的计算复杂度93
• 6.4.3 所提算法的计算复杂度93-94
• 6.4.4 HQ算法的计算复杂度94
• 6.5 仿真结果94-97
• 6.5.1 不同信道条件下的性能比较94-96
• 6.5.2 不同OFDM符号数条件下的性能比较96-97
• 6.6 本章小结97-98
• 第七章 总结与展望98-102
• 7.1 工作总结98-100
• 7.2 未来展望100-102
• 参考文献102-113
• 图表目录113-115
• 缩略语对照表115-117
• 致谢117-119
• 作者在攻读博士期间发表及已录用的论文119-121
• 作者在攻读博士期间申请的专利121

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本文编号：254020