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在传统的静态频谱分配方式下,无线业务需求的快速增长造成了无线频谱资源的日益紧缺,然而频谱资源利用率十分低下。为解决频谱资源紧缺与频谱利用率低之间的矛盾,认知无线电(cognitive radio:CR)技术应运而生,其基本思想是允许认知无线电系统主动感知和动态接入“频谱空洞”,从而提高频谱利用率。认知无线电的关键技术主要有频谱感知、频谱管理、频谱切换和频谱共享等,其中频谱感知是认知无线电的基本功能。频谱感知需要快速准确地检测出频谱空洞,为频谱管理、频谱切换和频谱共享提供必要信息。由于复杂电磁环境的影响,频谱感知面临着严峻的挑战,传统的频谱感知技术如匹配滤波、能量检测、循环平稳特征检测等不能满足系统检测性能的要求,因此,需要深入研究频谱感知技术,为认知无线电系统的实现提供理论基础。本文从不同层面、不同角度研究认知无线电频谱感知技术,主要包括以下几个方面的内容: 第一,考虑到电磁环境的复杂性,提出了两种单节点频谱感知算法:基于信息熵的频谱感知算法和基于多维噪声的局部最优检测算法。为了抵抗由复杂电磁环境引起的噪声不确定性的影响,提出了基于信息熵的频谱感知算法;理论分析和仿真结果表明该信息熵感知算法对噪声不确定性具有内在的鲁棒性。为了更好地描述复杂电磁环境,提出了多维噪声信号模型,并且基于该模型提出了一种局部最优检测算法。渐进相对效率(ARE)分析和仿真结果表明,在低复杂电磁环境中,局部最优检测优于传统的相关检测。 第二,为了进一步提高系统的频谱感知性能,从信息融合角度研究了合作感知问题,主要分析了似然比检验准则和k/N准则的内在联系。合作感知需要考虑感知性能与合作代价的平衡问题。为了降低合作感知代价,研究了k/N合作下最优合作准则k和最小合作数目N?;考虑到主用户信号强度不均衡性,提出了一种基于预审查的合作感知方案,在保证总体检测性能的同时降低了合作用户数目。 第三,单节点感知和合作感知都是对频谱瞬时状态的估计;为了描述频谱状态的统计特性,提出了一种基于信息包统计量的MAC层频谱感知算法。该感知算法运行于物理层瞬时频谱感知之上,是感知调度的依据。 第四,由于硬件复杂度和系统处理能力的限制,认知无线电系统通常不能同时完成“频谱池”中多个频段的感知。因此,频谱感知的一个重要任务是在给定的时间内如何调度多个频段进行感知。为了快速检测到频谱空洞和提高系统性能,提出了一个基于MAC层感知的多信道调度算法,其中感知优先级与信道状态的统计特性相对应,使空闲程度高的频谱具有高的感知优先级。最后,通过系统级实验验证了该调度算法的有效性。