基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法，该方法采用具有多天线多中继的认知无线传感器网络系统模型，通过使用多中继协作认知、中继选择和波束赋形技术，在提高认知无线传感器网络系统的吞吐量的同时，又降低了系统的中断概率。本发明专利技术方法能够保证认知无线传感器网络系统的感知结果的准确性和很高的频谱利用率，同时在降低整个系统中断概率的同时增强整个系统的吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法
本专利技术涉及认知无线传感器网络和MIMO交叉技术应用领域，特别是基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法。
技术介绍
认知无线电(CR)是一种在20世纪末被提出的智能无线电技术，它的出现促进了频谱资源的有效利用。通过频谱感知和环境适应，认知用户(SU)能够在不干扰授权用户(PU)信息传输的情况下，利用空闲授权频谱进行信息传输，从而提高频谱的利用效率。认知无线电必须持续地感知周围的频谱环境，并且需要准确、可靠地检测PU是否出现在空闲频谱中，一旦检测到PU重新使用空闲频谱，SU必须寻找或等待新的空闲频段继续通信。认知无线传感器网络(CRSN)即将WSN网络引入到CR领域，它的优点是众多的认知用户节点能够实时对授权用户节点进行监测、感知，并且能够对这些检测信息进行处理，从而获得详尽而准确的信息，传送到相应汇聚节点，汇聚节点进一步将信息整合并传送给远端的数据融合中心(FC)，SU根据FC的判决结果接入相应的空闲信道。中继协助通信是一种强大的空间分集技术，利用中继协助通信具有显著的性能增益优势。由于中继之间的正交信道分配(例如，载波频率、时隙、编码)必须避免中继间的干扰，如果中继数目变得很大，那么使用多中继带来的好处将不及多中继引发的缺陷。中继选择被视为解决中继间干扰抑制的复杂问题的最显著的方法之一。波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，利用这种技术能够区别不同方向上的信号，并且对不同方向上的信号分配不同的权值，从而针对目标用户发送信号，从而提高目标用户的信噪比和系统的能量利用效率，同时又能够减少对其他用户的干扰。现有采用多中继的技术中，没有利用中继进行频谱感知，造成了中继资源的浪费，降低了频谱感知结果的准确性；并且在选用多中继的情况下没有进行中继选择，造成了大量的中继之间的干扰严重，对整个系统性能的提升起到了阻碍的作用。目前，多中继多天线认知传感器网络中，使用波束赋形增强系统性能的研究比较复杂，因此在设计中没有考虑波束赋形，从而使得更好地提高系统的信噪比等性能有了一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法，通过使用认知无线传感器网络系统模型，在提升本系统的吞吐量的同时降低整个系统的中断概率。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术所述的一种基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法，包括以下方法：步骤1、建立多中继多天线认知无线传感器网络系统模型，该模型包括一个具有NP个天线的授权用户源节点PUS、一个具有NP个天线的授权用户目的节点PUD，一个具有Nt个天线的认知用户源节点SUS、一个具有Nr个天线的认知用户目的节点SUD，M个具有NRt个发送天线和NRr个接收天线的中继节点CRi；其中，i＝1,..,M；该系统模型的工作过程分为频谱感知和信息传输两个阶段；步骤a、频谱感知阶段：在频谱感知阶段，设定M个中继节点参与频谱感知，将频谱感知结果发送给认知用户源节点SUS，然后认知用户源节点作为融合中心，将本地感知结果和中继的感知结果采用或准则进行融合；步骤b、信息传输阶段：在信息传输阶段，当步骤a中认知用户源节点融合后的感知结果为H0状态，此时认知用户直接占用信道进行信息传输；当感知结果为H1状态，此时认知用户与授权用户共存，要保证认知用户对授权用户的通信造成的干扰低于授权用户设置的干扰门限值；M个中继节点作为普通中继协助认知用户进行信息传输；其中，H0表示授权用户PU没有进行通信，H1表示PU正在占用信道，进行通信；当授权用户和认知用户同时占用信道进行信息传输时，授权用户目的节点接收到的信号信干比SINRP表示为：其中，PP表示授权用户源节点的发送功率；PS表示在对授权用户的信息传输不造成干扰的情况下，认知用户源节点的发送功率；GP表示授权用户源节点与授权用户目的节点之间的静态平坦衰落复向量，C表示复数集合，NP表示授权用户源节点和授权用户目的节点具有的天线的数目；HP表示认知用户源节点与授权用户目的节点之间的静态平坦衰落复向量，Nt表示认知用户源节点具有的天线的数目；表示授权用户源节点与授权用户目的节点之间的高斯白噪声的方差；表示*的弗罗贝尼乌斯范数；当步骤a中认知用户源节点融合后的感知结果为授权用户不存在时，使用中继进行协助通信，认知用户源节点发送的信息，先通过中继节点解码转发后，再发送给认知用户目的节点；第i个中继节点接收到的信号的信干比γi1为：认知用户目的节点接收到的信号的信干比γ2为：其中，P表示授权用户不存在时，认知用户源节点的发送功率；PR表示中继节点的发送功率；Hi表示认知用户源节点到第i个中继节点之间的静态平坦衰落复向量，NRr表示中继节点具有的接收天线的数目，Nt表示认知用户源节点具有的天线数目；Gi表示第i个中继节点到认知用户目的节点之间的静态平坦衰落复向量，NRt表示中继节点具有的发送天线的数目，Nr表示认知用户目的节点具有的天线数目；表示认知用户源节点与中继节点之间的高斯白噪声的方差，表示中继节点与认知用户目的节点之间的高斯白噪声的方差，NP，Nt，NrNRr，NRt和M由用户指定；步骤2、使用最大最小中继选择策略进行中继选择；在确定NP，Nt，Nr，NRr，NRt和M的大小的情况下，根据步骤1，首先计算出第i个中继节点接收到的信号的信噪比γi1，然后计算出通过中继放大转发之后，在认知用户目的节点接收到的信号的信噪比γ2，最后利用最大最小中继选择方法选择出最优中继kopt，其中步骤3)波束赋形通过对不同天线阵元的信号乘以不同复加权系数，然后将相乘之后的结果相加；步骤4)根据步骤3波束赋形后得到的结果，计算授权用户和认知用户的中断概率；具体如下：步骤4.1)将授权用户的SINR门限值设置为γPth，授权用户的信干比SINR的中断概率Pout(γPth)为：步骤4.2)将认知用户的SINR门限值设置为γSth，认知用户的SINR中断概率Pout(γSth)为：其中，Γ(.)表示伽玛函数，F(.；.；.)表示超几何函数。作为本专利技术所述的一种基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法进一步优化方案，所述步骤a中，所述频谱感知方式是混合频谱感知方式，即同时采用谱覆盖和谱重叠这两种方式；谱覆盖方式是指在授权用户没有使用授权频段进行信息传输时，认知用户暂时使用该授权频段进行信息传输；谱重叠方式是指认知用户的发射功率与授权用户同时占用授权频段。作为本专利技术所述的一种基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法进一步优化方案，所述步骤3中复加权系数既用于调整信号相位，也用于调整信号幅度。作为本专利技术所述的一种基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法进一步优化方案，所述步骤4.1中，授权用户的中断概率受授权用户源节点天线数量Nt和认知用户源节点发射功率PS的影响。作为本专利技术所述的一种基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法进一步优化方案，所述步骤4.2中，认知用户的SINR中断概率授权受NrNRr和NrNRrNRtNt的影响。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术通过使用本专利技术提出的认本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法，其特征在于，包括以下方法：步骤1、建立多中继多天线认知无线传感器网络系统模型，该模型包括一个具有N

【技术特征摘要】
1.一种基于多中继多天线的认知无线传感器网络性能优化方法，其特征在于，包括以下方法：步骤1、建立多中继多天线认知无线传感器网络系统模型，该模型包括一个具有NP个天线的授权用户源节点PUS、一个具有NP个天线的授权用户目的节点PUD，一个具有Nt个天线的认知用户源节点SUS、一个具有Nr个天线的认知用户目的节点SUD，M个具有NRt个发送天线和NRr个接收天线的中继节点CRi；其中，i＝1,..,M；该系统模型的工作过程分为频谱感知和信息传输两个阶段；步骤a、频谱感知阶段：在频谱感知阶段，设定M个中继节点参与频谱感知，将频谱感知结果发送给认知用户源节点SUS，然后认知用户源节点作为融合中心，将本地感知结果和中继的感知结果采用或准则进行融合；步骤b、信息传输阶段：在信息传输阶段，当步骤a中认知用户源节点融合后的感知结果为H0状态，此时认知用户直接占用信道进行信息传输；当感知结果为H1状态，此时认知用户与授权用户共存，要保证认知用户对授权用户的通信造成的干扰低于授权用户设置的干扰门限值；M个中继节点作为普通中继协助认知用户进行信息传输；其中，H0表示授权用户PU没有进行通信，H1表示PU正在占用信道，进行通信；当授权用户和认知用户同时占用信道进行信息传输时，授权用户目的节点接收到的信号信干比SINRP表示为：其中，PP表示授权用户源节点的发送功率；PS表示在对授权用户的信息传输不造成干扰的情况下，认知用户源节点的发送功率；GP表示授权用户源节点与授权用户目的节点之间的静态平坦衰落复向量，C表示复数集合，NP表示授权用户源节点和授权用户目的节点具有的天线的数目；HP表示认知用户源节点与授权用户目的节点之间的静态平坦衰落复向量，Nt表示认知用户源节点具有的天线的数目；表示授权用户源节点与授权用户目的节点之间的高斯白噪声的方差；表示*的弗罗贝尼乌斯范数；当步骤a中认知用户源节点融合后的感知结果为授权用户不存在时，使用中继进行协助通信，认知用户源节点发送的信息，先通过中继节点解码转发后，再发送给认知用户目的节点；第i个中继节点接收到的信号的信干比γi1为：认知用户目的节点接收到的信号的信干比γ2为：其中，P表示授权用户不存在时，认知用户源节点的发送功率；PR表示中继节点的发送功率；Hi表示认知用户源节点到第i个中继节点之间的静态平坦衰落复向量，NRr表示中继节点具有的接收天线的数目，Nt表示认知用户源节点具有的天线数目；Gi表示第i个中继节点到认知用户目的节点之间的静态平坦衰落复向量，NRt表示中继节点具有的发送天线的数目，Nr表示认知用户目的节点具有的天线数目；表示认知用户源节点与中继节点之间的高斯白噪...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳文静，黄玲玲，陈志，李三，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32