海上认知无线通信系统非授权频谱感知与资源分配算法研究

Building the VHF band broadband maritime communications system is the development direction of maritime communications system which is promoted by IMO currently. One of the most important problems is the limit of spectrum resources. This issue is based on the theory of cognitive radio and the spectrum resources of maritime VHF analog voice intercom channel are taken as the research object. It aims to take rational use of free VHF analog voice channel for serving broadband digital communications by studying the unauthorized spectrum sensing and resource allocation algorithm. According to the characteristics of maritime communications systems, focused on solving the following three scientific problems. (1) The balance of the multi-channel narrowband spectrum detection efficiency and detection accuracy. (2) Spatial perception of VHF analog voice user. (3) The modeling of human behavior in resource allocation algorithm based on the game theory. In addition, since this subject has a strong background in industrial applications, it requires that all research results not only give the complete algorithm models, but also give the field-tested proven effective parameter setting schemes so that it has the ability to field test. On this basis, implementation recommendations of related technologies are provided to IMO.

构筑VHF频段的宽带海事通信系统是目前国际海事组织(IMO)主推的海上通信系统发展方向，其中面临的主要问题是频谱资源的限制。本课题以认知无线电理论为基础，以目前海事VHF模拟语音对讲信道的频谱资源为研究对象，通过研究非授权频谱感知和资源分配算法，合理利用空闲的VHF模拟语音信道为宽带数字通信服务。主要针对海上通信系统的特点，重点解决以下三类科学问题：(1)多信道窄带宽频谱检测效率与检测精度的平衡问题;(2)VHF模拟语音用户的空间感知问题;(3)人的行为模式在基于博弈论的资源分配算法中的建模问题。另外，由于本课题具有很强的行业应用背景，因此要求所有研究成果不但要给出完整的算法模型，还要给出经过现场测试证明有效的参数设定方案，使其具备现场测试验证的能力，并在此基础上向IMO提供相关技术的实施建议案。

针对海上无线通信系统发展趋势，本项目通过构建海事认知无线通信系统来解决船船之间与船岸之间的宽带通信需求和VHF频段频谱资源的限制问题。根据海上通信系统所具有的大空间尺度以及基站部署困难的特点，提出了基于集中式模型的海事认知无线通信系统架构，并对该通信系统架构下的从非授权频谱的感知方法、海上无线电环境感知和频谱分配三个方面开展了深入的研究工作，取得了预期的研究成果。提出了一种基于衰减增益相关值的最大比组合算法，提升了多径衰落信道下频谱感知的灵敏度；提出了一种改进的自适应沉默期管理算法，提升了低信噪比条件下的检测概率；提出了基于β函数反馈迭代方法的多信道协作的恶意用户识别算法，提升了融合中心的数据安全；利用信号稀疏表示方法对AIS实时信号进行重构，实现了船舶对象的空间感知；提出了基于古诺博弈的频谱资源分配算法，优化了区域内系统通信容量；提出了基于排队模型的频谱分配算法，平衡了大量通信请求场景下的效率与均衡问题。本研究跟踪行业发展趋势，解决面向应用场景的关键技术问题，对海上无线通信发展具有一定的理论意义和应用价值。