复合衰落信道下的合作频谱感知性能分析

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频谱感知技术是认知无线电技术中最重要的技术之一。早期的频谱感知技术是单一信道下的频谱感知方案,即信号遭受单一衰落时的影响,而在实际无线通信网络环境下信号遭受的衰落不会是单一的,而是多种衰落同时存在。本文主要研究在复合信道(多径衰落与阴影衰落同时存在)下的三种融合准则的频谱感知的性能,以及在复合信道下如何选择合适的分析模型用于研究频谱感知。主要应用的软件是Wolfram Mathematica9软件和MATLAB_R2012a软件。  本文研究的是瑞利衰落与阴影衰落同时存在的复合信道、Nakagami衰落与阴影衰落同时存在的复合信道。因为合作检测能通过多用户进行感知来有效地提高检测性能,并且决策融合对信道带宽要求不大,能节省通讯开销,因此本文采用决策融合。常用的三种融合准则包括:OR准则、AND准则及Majority准则。本文主要研究内容及贡献如下:  1.在单一衰落信道的检测概率基础上,通过一些公式的近似计算、指数函数与叠加运算的转换、指数函数的积分运算及第二类合流超几何函数(U(;;))的转换等,推导得出复合信道的检测概率计算表达公式,及其使用时所需满足的限制条件。计算复合信道模型的主要方法有:直接积分方法、K或KG分布方法。K、KG分布是最近提出的常用的复合模型,用于本文中解决复杂难解的积分问题。K分布是瑞利分布与伽玛分布的混合分布,用于近似计算瑞利衰落与阴影衰落同时存在的复合信道。KG分布是Nakagami分布与伽玛分布的混合分布,用于近似计算Nakagami衰落与阴影衰落同时存在的复合信道。  2.通过蒙特卡罗仿真分析三种不同信道(单一瑞利信道、单一阴影衰落信道、瑞利衰落与阴影衰落混合的复合信道)下的检测性能,得出单一衰落信道与复合衰落信道的检测性能存在明显的差异,且复合信道一定更符合实际无线网络通信环境。因此,得到结论:复合信道的频谱感知技术有重大的研究意义。  3.根据K、KG分布模型使用的限制条件以及复杂的积分问题,在不同的网络通信环境下我们分别采用以下的方法进行研究:  (1)在小网络、弱或中等阴影衰落、低信噪比下,仅采用蒙特卡罗的方法进行研究复合信道下的检测概率。  (2)在小网络、弱或中等阴影衰落、高信噪比信道中,采用直接积分的方法进行研究分析,通过用Matlab对直接积分的理论仿真及结合蒙特卡罗仿真来进行编程。  (3)在小网络、强阴影衰落信道中,采用直接积分的理论仿真及蒙特卡罗仿真相结合的方法进行频谱感知性能的分析。  (4)在大网络中,主要采用K或KG分布模型进行理论分析研究,采用Wolfram Mathematica9软件对第二类合流超几何函数U(;;)进行编程,再将数据转到MATLAB_R2012a软件中来对检测概率进行仿真。并且有蒙特卡罗仿真进行验证。  4.本文分析比较在瑞利与阴影衰落同时存在的复合信道下,三种常用决策融合准则的检测性能优劣。得出结论如下:  (1)在小网络,弱、中等、强阴影衰落度信道中,OR准则的频谱感知性能最优,Majority准则次之,AND准则的频谱感知性能最差。  (2)在大网络,弱阴影衰落信道中,Majority准则是最优的融合准则,AND准则是最差的融合准则。  (3)在大网络,阴影衰落强度适中或较强信道中,OR准则的频谱感知性能最优,AND准则的频谱感知性能最差。  5.主要分析在Nakagami衰落与阴影衰落同时存在的复合信道下,最优的融合准则,Nakagami参数m对频谱性能的影响及变化趋势。  (1)在小网络中,无论Nakagami参数m的如何变化(m=1、2、3),OR准则都是最优的融合准则。  (2)在小网络,弱阴影衰落信道中,OR准则的频谱感知性能随Nakagami参数m的变大而降低。  (3)在小网络,中等阴影衰落信道中,当平均信噪比较低时,OR准则的频谱感知性能随Nakagami参数m的变大而降低,当平均信噪比较高时,OR准则的频谱感知性能随Nakagami参数m的变大而增大。  (4)在小网络,强阴影衰落信道中,OR准则的频谱感知性能随Nakagami参数m的变大而增大。
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