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70000字论文范文无线宽带频谱感知软融合算法分析

论文类型:论文范文
论文字数:70000字
论点:频谱,感知,无线电
论文概述:

近年来,飞速发展的无线通信技术导致新兴的无线通信业务与有限的频谱资源之间的矛盾日益突出,频谱资源的匮乏已经成为制约无线通信服务应用持续发展的瓶颈。

论文正文:

第一章导言

1.1认知无线电的概念及其研究意义
随着21世纪全球信息进程的加速,新兴的无线通信技术和服务正在迅速发展。电视、导航、遥测遥控、雷达等频率服务。已经逐渐蔓延到国防、工业和公共安全等各个社会领域。这些快速增长的无线电业务导致频谱资源日益短缺,频谱供需矛盾日益尖锐。然而,众所周知,像水、土地、能源和矿产资源这样的频谱资源是人类共享的有限战略资源。
虽然国际电信联盟(国际电联)将低于3000千兆赫的电磁频谱定义为无线电频谱,但由于通信技术和无线电设备的限制,目前使用的较高频段仅在几十千兆赫的范围内,[1]。目前,世界上大多数国家采用静态频谱分配系统,将无线频谱资源分为授权频段和非授权频段,其中授权频段占频谱资源的绝大部分,但许多频段的利用率很低。然而,占频谱资源一小部分的无执照频带的业务量非常拥挤,频谱资源的短缺已成为制约无线通信技术发展的重要瓶颈[2]。图1-1显示了6GHz射频频谱的利用率。从图中可以看出,只有少数几个无线电频带被更频繁地使用,而大多数其他无线电频带被部分或很少使用。由此可见,频谱资源短缺的根本原因在于固定频谱分配方案导致授权用户长期垄断频谱使用权,而不是频谱资源本身短缺。
为了缓解频谱资源短缺与日益增长的频谱需求之间的矛盾,目前有一些提高频谱利用率的技术方案,如智能天线技术、分集和复用技术等。但是这些技术方案不能从根本上解决由于移动终端的功率限制和用户之间的相互干扰所带来的问题。认知无线电就是在这种情况下产生的。它提供了一种以“机会主义”方式共享和利用频谱的方法。上述问题可以通过频谱[4]的二次接入得到有效解决。
认知无线电的概念最早是由瑞典皇家科学院的约瑟夫·米托拉博士于1999年提出的。米托拉博士在软件定义无线电(Software Defined Radio,SDR)的基础上描述了认知无线电,使得无线个人数字助理和相关网络在无线电资源和计算机通信方面具有足够的计算智能,并通过检测和分析用户的通信需求来提供最适合这些需求的无线电资源和服务[5]。简而言之,米托拉博士认为,认知无线电是一种使用基于模式的推理来满足特定无线要求的无线电,是一种扩展的智能软件无线电。随后,在认知无线电的发展过程中,不同的研究机构和学者从不同的应用角度给出了认知无线电的定义,其中FCC和西蒙·海金(Simon Haykin)教授的定义在现阶段被普遍接受。美国联邦通信委员会从工业实施的角度将认知无线电描述为一种无线电通信设备,能够基于与其工作环境的交互作用自动改变发射机参数[7]。然而,西蒙·海金(Simon Haykin)教授从无线通信的角度给出了一个更全面的定义,即,“CR是一个能够感知外部环境的智能无线通信系统。它可以利用人工智能技术从环境中学习,获得有用的信息,并通过实时改变一些工作参数来适应采集到的无线信号的统计变化,从而达到随时随地高度可靠通信的目的,有效提高频谱资源的利用率[8】。总之,认知无线电必须具有两个主要特征:认知能力和可重构能力。
重构能力:CR无需改变任何硬件部件即可重构系统运行参数,由参数重构的认知无线电系统能够很好地适应外界的动态变化。认知无线电这两个特征的最终目标包括以下两点:第一,检测可用于认知无线电通信的最佳频谱空孔;其次,在不对授权用户造成干扰的前提下,认知无线电必须实时捕捉电磁频谱环境的变化。一旦授权用户重新使用频带,CR系统可以自动调整以保持无缝通信传输。
综上所述,认知无线电技术作为无线通信领域的“下一个大事件”,可以从根本上解决固定频谱分配方案造成的频谱短缺问题。频谱感知技术是实现认知无线电系统的关键技术。其主要任务是确定频谱空孔,这些孔可用于宽范围的动态频带中的机会性使用,这需要频谱感测的高可靠性和宽带检测能力。然而,认知用户在访问频谱空孔进行通信时需要持续监控频谱。一旦主用户再次出现,认知用户应该在第一时间检测到它的存在,并避免及时让步,以避免对主用户造成干扰。因此,频谱感知的速度和灵敏度非常重要。此外,由于无线通信环境的复杂性和多样性以及主要用户信号的不同类型,信号在传输过程中容易受到阴影衰落的影响,这使得以多样化、灵活和有效的方式实现频谱感知技术变得非常有意义。如何设计高可靠性、低复杂度和高实时性的频谱感知算法也成为认知无线电研究的热点之一。

1.2国内外研究现状分析……13-17
1.2.1认知无线电的研究现状……13-14
1.2.2认知无线电频谱感知技术的研究现状……14-17 [/BR/] 1.3本文的主要研究内容……17-18 [/BR/] 1.4本文的结构安排……18-20
第二章认知无线电中的频谱感知技术……20-45[/比尔/] 2.1认知无线电频谱感知技术概述……20-21
2.2光谱传感技术系统模型……21 [/BR/] 2.3单用户频谱感知技术……21-29 [/BR/] 2.3.1主要用户发射器感应……22-28 [/BR/] 2.3.2主要用户接收器检测……28-29
2.4单用户宽带能量传感……29-36 [/BR/] 2.5基于多相滤波器组的单用户频谱检测的局限性……36-37 [/BR/] 2.6多用户合作频谱感知技术……37-44[/br/ ] 2.7本章概述……44-45
第三章基于指数加权软组合的合作频谱感知算法……45-61
3.1导言……45
3.2指数加权软组合协作频谱感知算法……45-55
3.3基于聚类的指数加权合作频谱感知算法……55-59
3.3.1基于集群的合作频谱感知系统架构……55-56 [/BR/] 3.3.2基于聚类的指数加权合作频谱感知算法分析...................56-58
3.3.3模拟结果和分析……58-59
3.4本章概述……59-61
第4章……61-73
一种新的基于双阈值的合作频谱感知算法4.1简介……61
4.2本地传感模型……61-62
4.3新型双阈值合作频谱感知算法……62-68
4.3.1分析……62-63 [/BR/] 4.3.2新型双阈值合作频谱感知原理及过程……63-66
4.3.3一种新的双阈值合作频谱感知算法分析了……66-68
4.4和……68-72
4.5本章概述……72-73

结论

近年来,无线通信技术的快速发展导致新兴无线通信服务与有限频谱资源之间的矛盾日益突出。频谱资源的缺乏已经成为制约无线通信业务应用可持续发展的瓶颈。认知无线电技术在这种背景下应运而生。它可以连续、自动、可靠地感知周围的无线频谱,并利用感知到的频谱空进行无线通信,但前提是不会对授权用户系统造成有害干扰。因此,频谱感知技术是实现认知无线电系统的前提和基础。本文在详细分析认知无线电的概念、背景意义、国内外研究现状以及国内外频谱感知技术的研究现状、概念和系统模型的基础上,主要对单用户宽带频谱感知和协作频谱感知的融合算法进行了深入研究,总结如下:
(1)在单用户频谱感知方面,首先详细介绍了几种经典的单用户频谱感知算法, 主要对能量传感算法进行了深入分析,并对其传感性能进行了仿真,为本文的后续研究奠定了基础; 然后,从提高单用户能量感知性能和实现宽带频谱感知出发,深入研究了基于多相滤波器组的单用户宽带能量感知算法,并通过仿真验证了其实现宽带频谱感知的能力和有效性。针对单用户频谱感知的局限性,介绍了多用户协作频谱感知技术,详细阐述了其系统模型和几种经典软硬结合融合算法,并通过深入仿真对其感知性能进行了分析和比较。
(2)在协同频谱感知软组合融合算法方面,提出了一种基于指数加权软组合的协同频谱感知算法,以提高感知精度。