能量收集协作认知无线电网络安全容量优化方法技术

本发明专利技术公开了一种能量收集协作认知无线电网络安全容量优化方法，所述无线电网络包括至少一个主用户传输对S跟D、次用户传输对R跟O以及窃听者E，方法包括当主用户对S跟D之间使用授权频段进行消息传递时，由所述次用户传输对R跟O利用环境收集的能量帮助主用户对S跟D进行协作通信，使主用户提早完成传送任务。

An optimization method of security capacity for cooperative cognitive radio network with energy collection

【技术实现步骤摘要】
能量收集协作认知无线电网络安全容量优化方法
本专利技术涉及无线电网络
，其具体指在一个能量收集协作认知无线电网络中对主用户和次用户信道资源的合理分配，特别涉及使主用户安全容量最大的能量收集协作认知无线电网络安全容量优化方法。
技术介绍
■无线频谱：无线电频谱资源作为无线通信的载体，不仅是宝贵而又有限的通信基础资源，还是一个国家重要的战略性资源。作为公共资源，无线电频谱资源并不是取之不尽、用之不竭的，目前，现有的无线频谱已经接近分配完毕。无线频谱主要分为两类：一类是授权频段，另一类是非授权频段。其中授权频段一般分配给一些专用的无线网络使用，比如TV无线网络，无线电台，航空广播等，未经授权的用户不得随意使用。非授权频段没有所谓的使用授权限制，任何用户可以随意在非授权频段上传输数据，但是发送的功率不能太高，以及确保发送与接收之间的距离很短，这样不同的收发者之间就不会互相产生干扰。■认知无线电技术：认知无线电(CognitiveRadio,CR)技术可以通过智能感知外界环境的变化，来实时完成系统参数的动态调整，从而保证通信系统的高效以及无线频谱资源的充分利用。在认知无线电网络中，存在主用户(PrimaryUser,PU)和次用户(SecondaryUser,SU)，也被分别称为授权用户跟非授权用户。SU可以周期性地感知周围是否存在PU的空闲频谱资源，并加以利用，能够有效解决频谱资源稀缺导致的频谱饥饿问题，从而提高频谱资源的利用率。■能量收集技术：能量收集(EnergyHarvesting,EH)技术可借助可再生能源，如太阳能，风能，热能等，从环境中汲取能量用于通信，其收集的能量可能是无限的。利用EH技术，可以极大提高能源的利用率，延长无线通信设备的使用寿命。■协作通信：当认知无线电网络(CognitiveRadioNetwork,CRN)中的主用户PU处于繁忙状态时，次用户SU可以作为中继节点协助PU传送消息，使得PU提早完成传送任务，这样SU就可以获得更多的使用PU的空闲频谱资源的机会。因此，即便PU一直占据着频谱资源，SU还是可以通过协作通信获得频谱资源的使用时长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种使主用户发送节点安全容量最大的优化技术。本专利技术的目的通过下述技术方案实现为方便研究，将研究的问题简化为一个网络模型，如图1所示。图中包括一个主用户发送节点S(用PUtx表示)，一个主用户接收节点D(用PUrx表示)，一个次用户传输对R跟O(分别用SUtx和SUrx表示)以及一个窃听者E(EAV)。其中，主用户对使用的是授权频段，当主用户有消息要传输时，主用户传送节点利用授权频段传送消息，当所有的消息传送完毕之后，主用户暂停工作，此时的授权频段也空闲出来。而在另一方面，次用户对并没有分配到任何授权频段，为了避免与主用户发生冲突或者干扰，只有当主用户传输完自己的消息，授权频段空闲下来之后，次用户才可以使用主用户对的授权频段传送消息[4]。但是，与其默默地等待主用户传送完消息，次用户也可以选择帮助主用户进行协作通信，使主用户提早完成传送任务，这样授权频段就能提供更多空闲的时间给次用户使用。假设PU和SU之间的协作通信遵循解码-转发(decode-and-forward,DF)协作通信机制。在这个前提下，对主用户和次用户的工作时隙进行合理的划分，如图2所示。在[0，ρT]时，R先从环境当中收集能量，比如太阳能、风能等，以供后面协助S转发消息到D以及自己发送消息给O时使用。假设在一个时隙T内，R收集的能量将全部用于发送消息且没有剩余，在每个时隙T开始之时，R的能量储备都为空。与此同时，R无法协助S转发消息，又由于直接传输容易被E窃听，导致信息泄漏，因此，S在[0，ρT]时间段只能发送一些非秘密的消息给D。如果S有比较多的秘密消息要转发，但是在一个时隙T内不能完全转发完成，那么可以在nT时隙内继续转发，其中n属于{1,2,3….}。接着，S和R进行协作传输，其中时隙作为协作传输的第一阶段，S将自己的秘密消息传送给R，由于是广播形式，所以D和E也会收到S发送的消息。然后在协作传输的第二阶段R将会帮助S转发消息到D，并且被E所检测到。最后剩下(1-β)(1-ρ)T时隙留给R作为回报时隙，此时R可以利用S的授权频段发送消息给O，用来回报其帮助S发送消息。另外假设在这个通信网络中，各个用户之间进行通信时的信道带宽为WHz。本技术方案的优点如下：1、该技术将能量收集技术以及协作通信列入考虑范围，引入能量收集时隙、协作通信时隙以及回报时隙，提出了一个频谱资源分配方案，实验结果表明该方案能够实现主用户发送节点的安全容量最大化。2、在实际应用中，该技术可以通过对相关影响因子进行合理调配，使得主用户发送节点的安全容量尽可能最大，如适当减小能量收集因子，增大协作通信因子的值等。3、通过实验结果可以看出，当与协作通信因子为α的另一技术相比时，该技术在次用户发送功率较小时，能使主用户发送节点获得更大的安全容量。当协作通信因子变化，该技术比另一技术平均高出79.28％、80.46％、64.23％、78.85％。附图说明图1是次用户发送节点具备能量收集功能时的覆盖式CRN系统模型图。图2是本专利技术在EHCR系统模型中的信道划分情况示意图。图3a-b是本专利技术的示例图，举例说明本专利技术具体的操作步骤。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。本专利技术是针对认知无线电网络中频谱资源利用率低的问题，结合能量收集以及协作通信，提出一种使主用户发送节点安全容量尽可能最大的信道划分方案。具体操作如图3。通过实验可以得到，最大安全容量跟能量收集因子ρ成反比关系，所以，要使得安全容量最大，应适当调小ρ的值，但ρ也不能太小，否则主用户发送节点将不能实现安全容量。次用户发送节点的发送功率PR存在一个最优值，使得主用户安全容量最大，在实际应用中，可以通过实验大致得出PR最优值的范围。通过对比还可以得出，PR对主用户安全容量的影响比ρ对主用户安全容量的影响要稍大一些。在实际应用中，可以优先调整PR的值，使主用户安全容量尽可能最大。上述实施例为本专利技术较佳的实施方式，但本专利技术的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本专利技术的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.能量收集协作认知无线电网络安全容量优化方法，所述无线电网络包括至少一个主用户传输对S跟D、次用户传输对R跟O以及窃听者E，其特征在于，所述方法包括：/n当主用户对S跟D之间使用授权频段进行消息传递时，由所述次用户传输对R跟O帮助主用户对S跟D进行协作通信，使主用户提早完成传送任务。/n

【技术特征摘要】
1.能量收集协作认知无线电网络安全容量优化方法，所述无线电网络包括至少一个主用户传输对S跟D、次用户传输对R跟O以及窃听者E，其特征在于，所述方法包括：
当主用户对S跟D之间使用授权频段进行消息传递时，由所述次用户传输对R跟O帮助主用户对S跟D进行协作通信，使主用户提早完成传送任务。


2.如权利要求1所述的能量收集协作认知无线电网络安全容量优化方法，其特征在于，所述协作通信遵循解码-转发协作通信机制。


3.如权利要求2所述的能量收集协作认知无线电网络安全容量优化方法，其特征在于，所述协作具体包括，
对主用...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云，陈赫，
申请(专利权)人：陈云，
类型：发明
国别省市：湖南;43