兼顾能量有效性与传输可靠性的认知中继节点选择方法技术

本发明专利技术公开了一种兼顾能量有效性与传输可靠性的认知中继节点选择方法，充分考虑了认知无线网络中节点在协作感知与协作传输阶段的能耗问题，以及节点在协作传输过程中的误码问题。本发明专利技术通过构造感知阶段与传输阶段的加权能耗目标函数，同时以协作感知时的漏检概率与协作传输时的误码率要求作为约束条件，通过数值计算求解非线性凸优化问题得到在不同归一化感知时隙长度、不同接收信噪比要求和不同调制方式等场景下的最优认知中继节点数。在认知无线网络中，本发明专利技术有效折衷了频谱感知准确度与节点能量有效性，同时兼顾了节点能量有效性与传输可靠性，因而具有实际的应用意义。

【技术实现步骤摘要】
兼顾能量有效性与传输可靠性的认知中继节点选择方法
本专利技术属于信息与通信工程
，涉及无线通信系统中的认知无线网络技术、多认知节点在协作感知与协作传输中的能量有效性和传输可靠性研究，实现频谱感知准确度与传输能量有效性之间的有效折衷，具体是一种兼顾能量有效性与传输可靠性的认知中继节点选择方法。
技术介绍
认知无线电(CognitiveRadio,CR)亦称为感知无线电，它可在不影响主用户(PrimaryUsers,PUs)通信的前提下，智能地利用大量空闲频谱以满足次用户(SecondaryUsers,SUs)即认知用户(CognitiveUsers,CUs)的可靠通信，从而提高无线频谱的利用率，实现频谱资源共享。认知用户能够实时感知无线通信系统周围的网络环境，通过对环境的理解、主动学习来动态地调整网络参数以适应外部环境的变化。认知无线电具备极高的频谱使用效率，允许在时间、频率以及空间上进行多维信道复用，它通过机会通信方式提高频谱利用率，充分利用有限的频谱资源，实现动态频谱共享。CR技术将大大降低了由于频段和带宽的限制对无线技术发展的束缚，代表着无线通信技术的新发展，并已作为B4G和物联网标准中的关键技术之一。在追求高频谱利用率、高传输效率的同时，CR对能量有效性、提高系统抗干扰性能等方面提出了更高的要求。研究表明，节点进行频谱感知与传输的功耗问题是CR网络能耗开销的主要问题。随着CR节点密度的增加和网络覆盖面积的扩大，CR的能耗问题已日益受到关注，“绿色化”已经成为未来CR网络的发展方向之一。构造绿色节能的CR网络是未来CR的发展趋势。在绿色CR网络中，必须考虑在CR节点能量有效性的前提下，利用多个CR节点进行协作感知与协作传输以提高感知准确度与传输可靠性。绿色CR网络目的是在保证主用户通信服务质量(QualityofService,QoS)的前提下，通过CR无线能效管理，在提高频谱利用率和保障CR节点可靠传输的同时尽可能减少CR网络的能耗。
技术实现思路
本专利技术公开了一种兼顾能量有效性和传输可靠性的认知中继节点选择方法。考虑到CR网络中节点能量受限，且节点协作传输中可能产生的误码问题，提出了一种在频谱感知漏检概率和协作传输误码率约束下基于能量有效性的最优中继节点选择方法(EnergyAwarenessOptimalRelaySelection,EAORS)。该方法通过构造感知阶段与传输阶段的加权能耗目标函数，同时考虑协作感知时的漏检概率与协作传输时的误码率，通过数值计算求解非线性凸优化问题得到最优中继数。具体而言，该方法构造的加权能耗目标函数、协作感知漏检概率函数与协作传输误码率函数均是中继节点的凸函数，即构造的优化问题为非线性凸优化问题，从而通过数值计算确定在不同归一化感知时隙长度、不同接收信噪比要求和不同调制方式等场景下的最优认知中继节点数。同时，与基于压缩感知的协作检测方案相比，在相同感知时隙长度与调制方式下，该方法的能耗明显低于基于压缩感知的协作检测方案。该方法有效折衷了频谱感知准确度与节点能量有效性。该方法对于实现在认知无线网络中高效协作感知与可靠协作传输的同时保障节点的能量有效性，具有一定的意义。本专利技术方法的具体步骤如下：(1)频谱感知阶段1：PU发射机与PU接收机在通信的同时，SU发射机与N个认知中继节点(SUR)对PU频谱占用情况进行协作检测，以获取可利用的空闲频谱。(2)频谱感知阶段2：N个认知中继节点将本地频谱感知结果通过N个正交报告信道汇报给SU发射机。SU发射机根据一定的准则进行感知数据融合与全局检测。(3)协作传输阶段1：SU发射机兼顾N个认知中继节点在协作感知与协作传输过程中的能耗、协作感知的漏检概率门限与协作传输的误码率要求，在频谱感知漏检概率和协作传输误码率约束下基于能量有效性的最优中继选择方法(EAORS)选择K个最佳认知中继节点。同时，认知用户发射机将信号发送给所选的K个认知中继节点。(4)协作传输阶段2：所选的K个认知中继节点将信号协作传输至认知用户接收机，认知用户接收机通过最大比合并准则进行信号重构。在本方法中，步骤(1)和步骤(2)为协作感知阶段，采用参数α表征归一化感知时隙长度，步骤(3)和步骤(4)为协作传输阶段，采用参数1-α表征归一化传输时隙长度。其中，步骤(3)是本方法实现的关键。(一)认知用户协作感知阶段在认知用户协作感知阶段，SU发射机(SUTransmitter,SUT)与N个认知中继节点(SURelay,SUR)独立地进行本地频谱检测，而后N个SUR将本地频谱感知结果通过N个正交报告信道汇报给SUT进行感知数据融合与全局检测。假设SUT与各SUR本地频谱检测采用能量检测，SUT采用“OR-rule”数据融合准则对PU频谱占用情况进行全局检测。考虑SUT与各SUR进行本地能量检测时，检测阈值均为λ，当感知信道为Rayleigh衰落信道时的虚警概率、检测概率与漏检概率分别表示如下：Prm(m,λ,γ)＝1-Prd(m,λ,γ)其中m＝BT为时间带宽积，γ为SUT与各SUR的接收信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)。为自由度为2m的中心卡方分布，为自由度为2m的非中心卡方分布，非中心参数为2γ。各SUR通过独立的报告信道向SUT汇报本地感知结果。本地感知结果可以表示为二进制判决形式，即di∈{0,1}，{0}表示PU不占用频谱而{1}表示PU正在占用频谱。SUT采用“OR-rule”进行数据融合，以实现对PU干扰最小化。由于SUT与N个SUR共同参与协作检测，故协作感知节点数为N+1。考虑到报告信道出现差错将影响SUR汇报本地感知结果的可靠性，假设报告信道差错率为Pre，且各协作节点具有相同的本地虚警概率与漏检概率，则SUT采用“OR-rule”进行数据融合后的总虚警概率与总漏检概率分别为由于感知信道与报告信道对于各SUR均为独立同分布，即各报告信道差错率相同，故总虚警概率具有下界总漏检概率可以简化为Qm(N)＝(Prm(1-Pre)+(1-Prm)Pre)(N+1)。在协作感知阶段，节点能耗主要体现在各SUR向SUT进行汇报本地感知结果与SUT进行数据融合。考虑到N个认知中继SUR将本地二进制判决感知结果采用二进制相移键控(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)调制方式汇报给认知用户发射机进行数据融合与判决。假设认知中继节点与认知用户发射机之间报告信道差错率为Pre，在高信噪比(SNR)条件下，N个认知中继构成N个虚拟发射天线，则报告信道平均差错率的上界为其中为认知中继SUR汇报本地感知信息的每比特平均能量，N0为加性高斯噪声单边功率谱密度。因此，协作感知阶段的节点能耗为其中G为链路增益裕量，dsensing为SUR与SUT之间报告信道的平均距离，n为信道路径衰耗指数。(二)认知用户协作传输阶段在认知用户协作传输阶段，SUT根据SUR在协作感知与协作传输过程中的能耗、协作感知阶段的漏检概率门限与协作传输阶段的误码率要求，基于EAORS方法选择K个最佳认知中继节点，即最优认知中继节点选择方案兼顾了能量有效性与传输可靠性。而后，SUT将传输信号发送给所选的K个SUR。所选的K个SUR将信号协作传输至认知本文档来自技高网...

【技术保护点】
兼顾能量有效性与传输可靠性的认知中继节点选择方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤： 步骤(1)主用户网络与认知网络在交叉频谱共享场景下共存；主用户发射机与主用户接收机在通信的同时，认知用户发射机与N个认知中继节点对主用户频谱占用情况进行协作检测，以获取可利用的空闲频谱； 步骤(2)N个认知中继节点将本地频谱感知结果通过N个正交报告信道汇报给认知用户发射机；认知用户发射机进行感知数据融合与全局检测； 步骤(3)认知用户发射机兼顾N个认知中继节点在协作感知与协作传输过程中的能耗、协作感知的漏检概率门限与协作传输的误码率要求，在频谱感知漏检概率和协作传输误码率约束下根据基于能量有效性的最优中继选择方法选择K个最佳认知中继节点；同时，认知用户发射机将信号发送给所选的K个认知中继节点； 步骤(4)所选的K个认知中继节点将信号协作传输至认知用户接收机，认知用户接收机通过最大比合并准则进行信号重构； 步骤(5)令步骤(1)和步骤(2)为协作感知阶段，归一化感知时隙长度为参数α；步骤(3)和步骤(4)为协作传输阶段，归一化传输时隙长度为参数1‑α。

【技术特征摘要】
1.兼顾能量有效性与传输可靠性的认知中继节点选择方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：步骤(1)主用户网络与认知网络在交叉频谱共享场景下共存；主用户发射机与主用户接收机在通信的同时，认知用户发射机与N个认知中继节点对主用户频谱占用情况进行协作检测，以获取可利用的空闲频谱；步骤(2)N个认知中继节点将本地频谱感知结果通过N个正交报告信道汇报给认知用户发射机；认知用户发射机进行感知数据融合与全局检测；步骤(3)认知用户发射机兼顾N个认知中继节点在协作感知与协作传输过程中的能耗、协作感知的漏检概率门限与协作传输的误码率要求，在频谱感知漏检概率和协作传输误码率约束下根据基于能量有效性的最优中继选择方法选择K个最佳认知中继节点；同时，认知用户发射机将信号发送给所选的K个认知中继节点；步骤(4)所选的K个认知中继节点将信号协作传输至认知用户接收机，认知用户接收机通过最大比合并准则进行信号重构；步骤(5)令步骤(1)和步骤(2)为协作感知阶段，归一化感知时隙长度为参数α；步骤(3)和步骤(4)为协作传输阶段，归一化传输时隙长度为参数1-α。2.根据权利要求1所述的认知中继节点选择方法，其特征在于：步骤(3)中基于能量有效性的最优中继选择方法优化问题的构造与求解具体流程如下：步骤1：节点协作感知能耗分析：考虑到N个认知中继将本地感知结果以二进制相移键控BPSK调制方式汇报给认知用户发射机进行数据融合与判决；假设认知中继节点与认知用户发射机之间报告信道的传输差错率为Pre，在高信噪比条件下，N个认知中继构成N个虚拟发射天线，则其中为认知中继汇报本地感知信息的每比特平均能量，N0为加性高斯噪声单边功率谱密度；因此，协作感知阶段的节点能耗为其中G为链路增益裕量，dsensing为认知中继与认知用户发射机之间的报告信道平均距离，n为信道路径衰耗指数；步骤2：节点协作传输能耗分析：协作传输阶段的能耗主要包括功放能耗和电路能耗，同时考虑传输数据采用M进制相移键控MPSK或M进制正交幅度调制MQAM；在认知用户发射机与N个认知中继均参与协作的情况下，电路能耗为PC＝(N+1)(Pct+Pcr)，其中Pct为发送电路能耗，Pcr为接收电路能耗；功放能耗为其中PPA为协作传输阶段的节点功放能耗，Rb为保障认知链路要求的节点传输比特率，dtransmission为协作...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晓荣，章坚武，曹海燕，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33