认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法技术

本发明专利技术认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，认知用户利用来自主用户发射机的信号进行频谱感知和能量收集，并将收集到的能量用于信息传输，在检测主用户阶段，认知用户和N个认知中继共同检测主用户是否占用频谱，在报告阶段，认知用户根据自身是否检测到主用户在占用频谱，开启能量收集或信息融合功能，在信息传输阶段，根据频谱感知最终决策结果，认知用户进行能量收集或信息传输。本发明专利技术在获得高的频谱感知性能的同时，为认知用户提供了工作能量，延长认知用户的使用寿命，减少或者无需周期性电池更换。

Spectrum sensing and information transmission with energy harvesting in cognitive radio networks

The invention provides a spectrum sensing and information transmission method with energy collection in a cognitive wireless network, in which a cognitive user uses signals from a primary user transmitter for spectrum sensing and energy collection, and uses the collected energy for information transmission. Whether or not to occupy the spectrum, in the reporting stage, cognitive users can turn on the function of energy collection or information fusion according to whether they detect the main user occupying the spectrum. In the information transmission stage, cognitive users can collect energy or transmit information according to the final decision-making results of spectrum sensing. While obtaining high spectrum sensing performance, the invention provides working energy for cognitive users, prolongs the service life of cognitive users, and reduces or eliminates the need for periodic battery replacement.

【技术实现步骤摘要】
认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法
本专利技术涉及一种认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，属于认知无线电

技术介绍
传统的无线通信使用固定的频谱分配方法，政府把这些资源分配给授权用户或用来长时间为一个大的地理区域服务，但是这些授权的频谱利用率很低。认知无线电(cognitiveradio)可以解决频谱需求日益增长与频谱稀缺、利用率低之间的矛盾。它允许非授权用户(SecondaryUser，也称认知用户)接入授权用户(PrimaryUser，也称主用户)的频谱。其中，认知用户利用频谱感知技术检测主用户使用频谱的情况，以发现主用户未使用的频谱空穴(spectrumhole)，然后利用被发现的频谱空穴进行认知用户间的数据传输。而当主用户再次出现要使用频谱时，认知用户必须让出这段频谱，以保护主用户的服务质量(QoS)需求。能量收集(energyharvesting)作为一种绿色节能技术被工业界和学术界广泛关注。无线网络的能量收集指通信节点从周围环境，如太阳、风、热和空间射频信号等，收集能量供节点工作。上述所提当主用户再次出现要使用频谱时，认知用户必须让出这段频谱的问题，就可以利用能量收集技术，将此时主用户使用频谱时所发射的信号收集起来，供认知用户工作能量来源。为充分利用主用户所发射的射频信号，有文献《收集主用户信号能量的认知无线电网络的吞吐量》(Bhowmick,S.Roy,andS.Kundu,“Throughputofacognitiveradionetworkwithenergy-harvestingbasedonprimaryusersignal,”IEEEWirelessCommun.Lett.,vol.5,no.2,pp.136–139,Apr.2016.)将频谱感知和能量收集同时在认知节点完成，即利用功率分配电路，无线节点同时实现信息接收和能量收集。然而，如果主用户所发射的射频信号能量，被认知节点按比例分配后同时进行频谱感知和能量收集，则由于功率分配比例小于1，使得用于频谱感知的能量减少。这会影响频谱感知性能的下降，尤其对使用能量检测方法进行频谱感知的性能影响更明显，因为能量检测的原理就是根据接收信号能量大小与门限值比较，来确定主用户是否在使用频谱的。类似地，也会减小收集到的能量的数量。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，在检测主用户阶段，认知用户和N个认知中继共同检测主用户是否占用频谱；若认知用户检测到主用户占用频谱：在报告阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量，收集K个认知中继发射的本地检测结果信号能量，其中，K个认知中继检测到主用户未占用频谱，K≤N；在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；若认知用户检测到主用户未占用频谱：在报告阶段，认知用户接收K个认知中继发射的本地检测结果信号，认知用户将接收到并成功解码的K1个本地检测结果和N-K1个默认值进行融合，根据融合结果判断主用户是否占用频谱，其中，K个认知中继检测到主用户未占用频谱，K≤N，K1≤K；如果融合结果判决为主用户占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；如果融合结果判决为主用户未占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户利用检测到的主用户频谱通信。认知用户和认知中继采用能量检测的方法检测主用户是否占用频谱，即接收到主用户发射机的射频信号在某一时间段内的能量值，将其与预设的能量门限相比，根据比较结果进行判决，从而获取本地检测结果；其中，认知用户预设的能量门限值大于认知中继预设的能量门限值。检测到主用户未占用频谱的认知中继，利用检测到的主用户频谱，将本地检测结果信号发送给认知用户；其中被检测到的主用户频谱分为N个子信道，每个认知中继占用1个子信道；同时认知中继的发射功率和本地检测概率需要满足一定的约束条件。检测到主用户占用频谱的认知中继，不向认知用户发送检测结果，而是转换到休眠节能模式，直到下一个频谱感知周期到来为止。主用户是否占用频谱的最终判决方法为，如果认知用户的本地检测结果为主用户占用频谱，则该检测结果即为最终判决结果；如果认知用户本地检测结果为主用户未占用频谱，则认知用户作为融合中心，根据融合结果给出最终判决。认知用户收集能量的过程包括以下两部分：一是在主用户占用频谱，且认知用户也检测到这个事实时，认知用户在报告阶段同时收集来自K个本地检测结果信号能量和主用户发射机的射频信号能量，在信息传输阶段认知用户继续收集来自主用户发射机的射频信号能量；二是在主用户占用频谱，但认知用户未检测到这个事实，而融合K1个本地检测结果和N-K1个默认值后最终判决发现这个事实时，认知用户在信息传输阶段收集来自主用户发射机的射频信号能量。认知用户收集到的总能量可表示为：其中，Eh为收集到的总能量，T为频谱感知和信息传输的周期，η为能量转换效率，0＜η＜1，Pa为主用户未占用频谱的概率，Pr为认知中继的发射功率，Pp为主用户发射机的发射功率，ρi为第i个认知中继的休眠概率，Pds为认知用户的本地检测概率，|hrs|2为认知中继到认知用户的信道增益，|hps|2为主用户到认知用户的信道增益，PdF为融合后认知用户处的全局检测概率，τD和τR分别为检测主用户阶段和报告阶段的开销，0＜τD＜1，0＜τR＜1。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术利用主用户发射机的射频信号，完成频谱感知，又对其进行了能量收集，利用认知用户和多认知中继协作频谱感知相结合的方法，在主用户发射信号强时，认知用户检测结果即为最终检测结果，提高了检测效率；在主用户发射信号弱时，多认知中继协作频谱感知(即融合)提高了检测结果的可靠性，同时收集的能量既包括主用户发射机的射频信号，也包括多认知中继发送的本地检测结果信号，使收集的能量数量得到了增加，这样本专利技术既能够提高对主用户的检测概率，又能够延长认知用户的使用寿命，减少或者无需周期性电池更换。附图说明图1为认知无线网络和主用户网络的共存模型，图2为本专利技术的时隙图；图3为本专利技术的流程图；图4为本专利技术的全局虚警概率和检测概率性能图；图5为本专利技术的收集和消耗能量性能图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1所示，主用户发射机PUT和接收机PUR在主用户网络中，认知无线网络中有一个认知用户SU和N个认知中继，表示为{SRi|i＝1,2,...,N}，其中SU具有收集空间射频信号能量的功能，图2为时隙图，频谱感知和信息传输的周期为T，按时间顺序分为检测主用户阶段、报告阶段和数据传输阶段，时间分别为τDT、τRT和(1-τD-τR)T，τD和τR分别为检测主用户阶段和报告阶段的开销，0＜τD＜1，0＜τR＜1。如图3所示，认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，具体如下：1)在检测主用户阶段，认知用户SU和N个认知中继SR共同检测主用户是否占用频谱。认知用户和认知中继采用能量检测的方法检测主用户是否占用频谱，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，其特征在于：在检测主用户阶段，认知用户和N个认知中继共同检测主用户是否占用频谱；若认知用户检测到主用户占用频谱：在报告阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量，收集K个认知中继发射的本地检测结果信号能量，其中，K个认知中继检测到主用户未占用频谱，K≤N；在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；若认知用户检测到主用户未占用频谱：在报告阶段，认知用户接收K个认知中继发射的本地检测结果信号，认知用户将接收到并成功解码的K1个本地检测结果和N‑K1个默认值进行融合，根据融合结果判断主用户是否占用频谱，其中，K个认知中继检测到主用户未占用频谱，K≤N，K1≤K；如果融合结果判决为主用户占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；如果融合结果判决为主用户未占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户利用检测到的主用户频谱通信。

【技术特征摘要】
1.认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，其特征在于：在检测主用户阶段，认知用户和N个认知中继共同检测主用户是否占用频谱；若认知用户检测到主用户占用频谱：在报告阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量，收集K个认知中继发射的本地检测结果信号能量，其中，K个认知中继检测到主用户未占用频谱，K≤N；在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；若认知用户检测到主用户未占用频谱：在报告阶段，认知用户接收K个认知中继发射的本地检测结果信号，认知用户将接收到并成功解码的K1个本地检测结果和N-K1个默认值进行融合，根据融合结果判断主用户是否占用频谱，其中，K个认知中继检测到主用户未占用频谱，K≤N，K1≤K；如果融合结果判决为主用户占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；如果融合结果判决为主用户未占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户利用检测到的主用户频谱通信。2.根据权利要求1所述的认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，其特征在于：认知用户和认知中继采用能量检测的方法检测主用户是否占用频谱，即接收到主用户发射机的射频信号在某一时间段内的能量值，将其与预设的能量门限相比，根据比较结果进行判决，从而获取本地检测结果；其中，认知用户预设的能量门限值大于认知中继预设的能量门限值。3.根据权利要求1所述的认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，其特征在于：检测到主用户未占用频谱的认知中继，利用检测到的主用户频谱，将本地检测结果信号发送给认知用户；其中被检测到的主用户频谱分为N个子信道，每个认知中继占用1个子信道；同时认知中继的发射功率和本地检测概率需要满足一定的约束条件。4.根据权利要求1所述的认知无线网络中带能量收集...

【专利技术属性】
技术研发人员：高远，何海霞，邓志祥，汤一彬，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32