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1、摘要摘要随着无线通信技术日新月异的发展，LTE网络中频谱利用率低下的问题越来越引人关注。针对这一问题，本文通过介绍认知无线电频谱检测和分配技术，将认知无线电和LTE关键技术OFDM相结合，在研究了基于比例公平容量最大子载波分配算法的基础上，提出了基于降低公平性容量最大子载波分配算法。该算法针对前者系统的公平性和频谱效率存在的缺陷提出了改进，将子载波分配给信道条件最好的认知用户，同时该用户的信道参数乘上分配因子，在兼顾了各个用户接入公平的条件下，使系统频谱效率最大化。最后，将本算法与基于比例公平容量最大子载波分配算法进行MATLAB仿真，得出本算法在系统频谱效率上性能比基于比例公平容量最大子载波
2、分配算法好的结论。关键词：认知无线电；LTE；频谱分配；频谱效率；MATLABABSTRACTABSTRACTWith the rapid development of wireless communication technology, the problem of low spectrum utilization in LTE network is concerned today. In order to deal with this problem, this paper introduces the technology of spectrum detection and alloca
3、tion in cognitive radio, we combine the cognitive radio technology and OFDM technology which is the key technology in LTE system, and proposed the largest capacity of subcarrier allocation algorithm base on reducing the fairness after studying the largest capacity of subcarrier allocation algorithm
4、base on fair of proportional. This algorithm proposes improvements focusing on the defect in fairness and spectral efficiency. First we allocate the subcarriers to cognitive users with best channel conditions, then multiply a distribution factor to the channel parameter of the cognitive user who own
5、s the subcarrier. In taking into account the respective user access under fair conditions， we maximum the spectral efficiency. Finally, we compare and analysis the function of the two algorithm through MATLAB simulation, and found that the largest capacity of subcarrier allocation algorithm base on
6、reducing the fairness is with better spectral efficiency than another algorithm.Keywords: cognitive radio; LTE; spectrum allocation; spectral efficiency; MATLAB目录目 录第1章 引言11.1 研究背景与意义11.2研究现状41.2.1 国内外认知无线电研究现状41.2.2 LTE认知无线电研究现状61.3 本论文的主要工作和章节安排7第2章 认知LTE中的关键技术82.1 认知无线电的关键技术82.2 LTE系统中的主要技术102.2.
7、1 无线信道的传输特性102.2.2 OFDM 的基本原理122.2.3 OFDMA的基本原理142.3 本章小结15第3章 频谱检测技术163.1 频谱检测概述163.2 单节点检测173.2.1 匹配滤波器检测法183.2.2 能量检测法193.2.3 循环平稳检测法203.3 协同检测213.3.1 集中式协同检测213.3.2 分布式协同检测223.4 本章小结22第4章 认知LTE系统中的子载波分配算法234.1 认知LTE系统中的子载波分配模型234.1.1 频谱分配技术分类234.1.2 认知LTE系统中的子载波分配模型254.2 认知LTE系统中的干扰问题264.2.1 认知L
8、TE用户对授权用户的干扰264.2.2 授权用户对认知LTE用户的干扰274.3 基于比例公平容量最大子载波分配274.3.1 问题描述274.3.2 基于比例公平容量最大子载波分配284.4 改进子载波分配算法314.4.1 存在问题314.4.2 算法改进314.4.3 基于降低公平性容量最大子载波分配324.4.4 算法仿真分析334.5 本章小结36第5章 结论375.1 论文完成的主要工作375.2 进一步的研究方向38参考文献39致 谢41外文资料翻译42外文资料译文51III第1章 引言第1章 引言1.1 研究背景与意义随着社会的发展和科技的进步，在人们对多种多样的无线通信服务需
9、求的驱使下，如：无线视频通信、无线电视、移动宽带互联网等等；它们大大地促进了无线通信技术的创新和无线通信事业的发展。在这短短的几十年的发展中，无线通信系统已由刚开始的模拟通信系统转变为数字通信系统，由窄带通信转变为宽带通信，从只能提供单一的语音业务发展到了能够提供多种多样的数据业务。越来越多种类的无线通信系统被开发出来，新的宽带无线业务仍然继续发展，为人们的生活、娱乐和工作带来巨大的价值和提供了便利。多径传播是陆地无线通信信道所具有的特点，多径传播会造成信道的衰落，影响信息正确的接收。电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应对于不同通信体制的影响产生不同的效果，对于模拟通信系统中多径效
10、应使系统中的信号幅度产生变化，数字无线通信系统中多径现象使系统信号产生时延扩展。对于宽带信号，因为符号周期相对短，时延扩展在数据传输时会产生码间串扰，由此会使得系统的性能大大降低。LTE系统中的重要技术OFDM技术子载波之间是正交的，因此能够有效的对抗不断变化的无线信道中的频率选择性衰落，所以会有效地对抗码间串扰，大大的降低了误码率，因此OFDM技术被广泛的研究，LTE系统下行链路采用OFDM 技术正是因为如此。MIMO技术也是LTE系统中的关键技术之一，在无线通信信道中，把OFDM和MIMO技术结合在一起极大的提高了系统性能，达到了大容量和高频谱效率的通信目的。近年来，随着科学技术的飞速发展
11、和经济全球化的不断深入，可用的频谱资源越来越紧张。由于目前的频谱分配政策是建立在固定频率基础上的，因此大部分频谱被分配给了授权频段应用（如电视广播），非授权频段的频谱资源则少得多。大部分新兴的无线电应用方式都工作在非授权频段上，使得非授权频段上频谱占用过度拥挤。这种分配方式造成了现有的频谱资源的平均利用率非常低，且极不均衡。美国联邦通信委员会（FCC）频谱策略任务工作报告给出频谱在时间和空间上的统计结果显示，一些非授权频段如工业和医用频段以及移动通信2GHz左右授权频段过于拥挤，而诸如业余无线电等相当多的频段却经常空闲，没有得到充分的利用。由频谱管理机构为授权系统和业务分配的长期固定的频谱资源
12、利用率比较低下。根据FCC频谱政策任务组报告显示，3GHz以下频谱的使用率从15%到85%不等，而3-6GHz的频谱利用率甚至不到0.5%，各种无线系统的频谱利用率在10%以下，FCC测试的频谱使用情况如图1-1所示。图 1-1 FCC测试的频谱利用率认知无线电技术正式在这样的背景下应运而生的，它通过对时域、频域和空域等频谱环境进行检测，自主搜寻并择机占用授权频段的空闲频谱，实现不可再生资源的再次利用，为解决如何在有线的频谱资源条件下提高频谱利用率这一无线通信难题开创了一条崭新的途径。认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过检测外界环境，并使用人工智能技术从环境中
13、学习，从而实现在任何时间、任何地点的高可靠性通信以及对有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱检测和系统的智能学习，实现认知用户的动态频谱分配和频谱共享。虽然认知无线电的发展历史很短，但认知无线电已经呈现出强大的生命力。认知无线电在用户频谱环境重配和提高频谱利用率等方面有很多前沿研究和应用。其中，认知无线电系统最大的特点是以软件无线电来建立系统平台，并且主要通过信号处理和机器学习的过程来实现其功能。认知无线电具有检测能力和重新配置能力两个主要特征。检测能力是指捕获或侦听可用频谱的能力，在不对其他用户尤其是用户授权用户造成干扰的情况下识别出频谱空洞，并且选择出最佳的频谱
14、和适合的工作参数进行通信。重新配置的能力是指认知无线电用户可以择机占用不同频率的频谱进行信息传输，并能够选用不同的传输方式和接入技术。因此认知过程开始于对频谱环境的检测，终止于可用频谱进行合理分配以及进行频谱管理。整个认知周期要经历三个基本过程：（1）频谱环境监测：即进行频谱空洞的检测和选择；（2）信道识别：包括信道状态估计和信道容量预测；（3）功率控制和频谱分配：实现频谱共享。频谱环境监测信道状态估计无线电环境频谱分配频谱共享做出决策传输信号频谱空洞和通信量统计量化信道容量射频激励图 1-2 基本的认知周期其中前两项任务主要是在接收端，并由发送端配合完成的，第三项任务是在发送端，图1-2表示
15、了在一个基本的认知周期过程中所需要进行的工作。认知周期中的频谱环境检测以及功率控制和频谱共享是认知无线电技术中的关键环节。本论文将根据基于LTE系统中的关键技术OFDM的认知无线电系统，提出相关的资源分配算法，来实现系统性能的优化。这对于认知无线电系统的理论及实际应用都有重要的意义。1.2研究现状1.2.1 国内外认知无线电研究现状认知无线电的概念是由Joseph Mitola博士在其1999年发表的学术论文中提出的，文中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识描述语言（RKRL）”提高个人无线业务的灵活性11。2000年在其博士论文中又给出了详细的描述，即认知无线电主要依据软件无线电的思想，是一种新的以频谱共享为目的的智能无线通信技术，认知设备可以检测无线电传输的环境特征，通过无线电描述语言于通信网络进行智能交流，来调整其无线发射参数，使系统的无线规则满足用户通信性能要求。然而到目前为止，这样的认知无线电还没有实现过。相比Mitola对认知无线电的认识，FCC的定义更能为业界所接受。2003年FCC召开了认知无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。FCC把任何具有自适应频谱检测能力的无线电统称为认知无线电，并进一步描述了认
