结合固定发射功率的无线电系统性能分析

第一章 绪论

本章主要介绍了认知无线电的背景、定义、面临的主要问题和解决手段、国内外研究现状以及本文的研究内容和创新点。

1.1 认知无线电研究背景
众所周知，无线电电磁频谱是一种宝贵的、有限的、现代社会不可或缺的自然资源。目前的无线电频谱分配制度为固定频谱分配，即频谱资源由政府部门进行统一的宏观管理，一般由政府颁发无线电频谱使用牌照给不同的系统和应用部门来为其分配特定的频段，并将频谱划分为 2 个部分：授权频段和非授权频段。一般一个无线通信系统频段仅能独立使用一个授权频段，不同的频段由不同的无线通信系统使用，互不干扰。这种预先分配、授权使用的、静态的无线频谱管理方式，虽然简单而有效地避免了不同系统和应用部门间的相互干扰，但却造成了目前频谱资源的使用现状是有些频段承载的业务量很大，而有些频段却时间和空间上存在不同程度的闲置，白白浪费了频谱资源。以美国为例，美国联邦通信委员会的大量研究报告说明，美国国内的无线电频谱的利用情况极不平衡，一些非授权占用拥挤，用户得不到很好的服务，而有些授权频段则经常空闲。
来自美国国家无线电网研究测试平台项目的一份测量报告表明，3GHz 以下频段的平均频谱利用率仅有5.2%。可见，占用拥挤的非授权频段的用户无法访问其他空闲授权频段的静态频谱管理方式，大大限制了频谱使用效率。随着无线通信业务需求的快速增长，人们对频谱资源的需求越来越大，可用频谱资源变得越来越稀缺，无线电频谱资源的能不能更加有效合理的利用成为制约无线通信发展的新瓶颈。因此，如何充分利用各地区、各时间段的空闲频段，提高频谱利用率，对不可再生的频谱资源实现再利用，解决不断增长的频谱资源的需求和目前频谱资源的使用现状之间的矛盾，越来越受到人们的广泛关注。近几年为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论和技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽能在一定程度上起到了提高频谱利用率的作用，但仍受限于香农理论，不可能从根本上解决当前频谱资源变得越来越稀缺的问题。当前的问题并不在于频谱短缺，而在于当前频谱分配的方法是预先分配、授权使用的、静态无线频谱管理方式。
于是人们想到，如果系统能自动感知所处的频谱环境，通过智能的学习来实时自适应地调整适应频谱环境的系统工作参数，或者动态地检测和有效地利用原有指定频段之外的空闲频段，实现空域、时域和频域上的多维频谱复用，这样无疑将能极大提高频谱利用率，改善目前频谱资源越来越稀缺的现状。于是一种革命性地智能地动态频谱共享技术——认知无线电，有了最初的设想。

1.2 认知无线电定义
认知无线电的概念是 1999 年 8 月在 IEEE Personal Communications 杂志上由 MITRE公司顾问、瑞典皇家技术学院的 Joseph Mitola 博士生和 Gerald Q.Maguire, JR 教授发表文章明确提出来的[1]。认知无线电的基本出发点就在提高频谱利用率，在不同的地点和不同的时间段里有效地利用不同的空闲频道。么在已授权的频段没被使用或只有很少的通信业务在活动的情况下，具有认知功的无线通信设备就可以智能发现这些频谱资源并按照某种“伺机”的方式来工作这种在不同的时间、不同的地点和不同的频段内出现的可以被利用的频谱资源被为“频谱空洞”。
认知无线电的核心思想就是非授权通信用户智能地发现“频谱空洞”， 在保证它的通信不会影响到其它已经授权用户正常通信的前提下，通过“借用”的方式合理利用该频谱资源。对于认知无线电的理解可谓仁者见仁、智者见智。不同的学者和机构从不同的角度给出了认知无线电的定义，其中比较有代表性的包括Mitola、Simon Haykin等人及ITU WP8A、FCC 等组织对认知无线电给出定义。Mitola 认为认知无线电是计算智能和个人无线通信这两个学科领域交叉的产物,它能够保证个人无线数字设备和相关网络具有对无线电资源和相关的计算机与计算机之间的通信足够的计算智能，从而能够侦测用户的通信需求，并为这些需求提供最适合的无线电资源和无线业务[1]。
Simon Haykin 认为认知无线电是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并凭借认知能力从环境中学习，通过重构的方式实时改变某些操作参数来适应接收到的无线信号的统计性变化，以实现以下目标：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用[2]。ITU WP8A(International Telecommunications Union Working Party, ITU WP )定义认知无线电为可感知或了解其操作的环境，依据所获得的环境信息动态、自治地调整其操作参数的无线电系统[3]。FCC （FederalCommunications Commission，FCC）建议任何具有自适应频谱意识的无线电都应该被称为认知无线电, 更确切地把认知无线电定义为无线终端和无线环境进行交互获取无线背景知识，从而动态改变其发射机参数的无线电，具有环境感知和传输参数自我修改的功能[4]。

    1.3 认知无线电系统面临的主要问题和解决手段 ...............11-12
    1.4 认知无线电国内外研究现状............... 12-14
    1.5 本文主要研究内容及创新点 ...............14-16
第二章 预备知识 ...............16-19
    2.1 认知无线电关键技术 ...............16-17
    2.2 天线、用户选择技术 ...............17
    2.3 优化算法 ...............17-19
第三章 固定发射功率认知无线电发射天线选择研究 ...............19-26
    3.1 系统模型 ...............19-20
    3.2 天线选择 ...............20-21
    3.3 系统性能分析 ...............21-24
    3.4 仿真结果和讨论 ...............24-25
    3.5 系统性能优化 ...............25-26
第四章 联合天线和用户调度的固定功率无线电性能分析 ...............26-34
    4.1 系统模型 ...............26-27
    4.2 天线选择和用户调度 ...............27-28
    4.3 系统性能分析 ...............28-31
    4.4 仿真结果和讨论 ...............31-32
    4.5 系统性能优化 ...............32-34
第五章 结合发射天线选择的认知无线电系统性能分析 ...............34-42
    5.1 系统模型 ...............34
    5.2 天线选择 ...............34-35
    5.3 系统性能分析 ...............35-39
    5.4 仿真结果和讨论 ...............39-42

总结

目前的研究大多停留在理论研究上，较少涉及通信应用研究，认知无线电从概念到现实还面临很多的困难，从理论到应用的道路任重而道远。本文首先介绍了认知无线电的背景、定义、面临的主要问题和解决手段，查证了国内外相关研究资料，形成了初步的研究思路和框架；其次，把天线选择技术和用户调度技术引入到固定功率认知无线电系统中，建立了认知无线电系统的两个模型，从信道容量和误码率的角度对系统性能进行了分析，并通过仿真说明了理论结果的正确性；再次，把天线选择技术引入到可变功率认知无线电系统中，建立了认知无线电系统模型，从信道容量和误码率的角度对系统性能进行了分析，并通过仿真说明了理论结果的正确性；最后，对于模型中得到的优化问题，根据其特点设计了相应的优化算法，优化了系统的性能。本文建立了认知无线电系统中的三个模型，具有一定的现实意义，但现实生活中认知无线电系统的实现受到很多因素的制约。因此，考虑现实生活中的更多制约因素，进一步的优化系统模型，采用更好的优化算法来解决认知无线电系统中的优化问题是下一步工作的重点。

[参考文献]

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[2] S. Haykin. Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications[J]. IEEE Journalon Selected Areas in Communications, 2005, 23(2): 201-202.
[3] K. Nolan. SDR forum [C]. Brussels:  Cognitive Radio WG Brussels,2005.
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