能量采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于感知無線電技術(shù)的能量采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功率分 配方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 認(rèn)知無線電（CR)是一種提高頻譜利用率的智能無線通信技術(shù)，它允許次用戶在 保證主用戶通信質(zhì)量的前提下，使用法定分配給主用戶的頻譜資源，次用戶也可依靠頻譜 感知識別未被主用戶使用的空閑頻譜。認(rèn)知無線電具有學(xué)習(xí)能力，能與周圍環(huán)境交互信息， 以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發(fā)生。
[0003] 基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的認(rèn)知無線電合作頻譜感知技術(shù)通過中繼用戶轉(zhuǎn)發(fā)認(rèn)知用戶的信 號，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中一個認(rèn)知用戶與多個認(rèn)知用戶之間的合作。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中使用中繼 技術(shù)可提高鏈路質(zhì)量，可靠性及網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。本文當(dāng)中提出一種基于認(rèn)知無線電的中繼 選擇技術(shù)，中繼選擇以最大化網(wǎng)絡(luò)通信容量為目標(biāo)，選擇速率最大的中繼以放大轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù) 轉(zhuǎn)發(fā)來自認(rèn)知用戶的信息。
[0004] 如何提高認(rèn)知無線電節(jié)點的壽命是一個急需解決的問題。不同于傳統(tǒng)認(rèn)知無線電 節(jié)點，在電池消耗殆盡的同時結(jié)束通信，能量采集節(jié)點可以從外界環(huán)境中收集能量并存儲 以提高節(jié)點使用壽命。在感知能量采集網(wǎng)絡(luò)中，次級用戶在一定干擾限制和能量限制下與 主用戶共享頻譜以傳輸信息。綜上所述，在基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中引入能量采 集技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)壽命，提高節(jié)點之間的通信質(zhì)量等。
[0005] 基于能量采集節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功率分配方法主要包括在線功 率分配和離線功率分配。基于現(xiàn)有在線功率分配算法，面臨復(fù)雜度隨參與調(diào)度用戶數(shù)增長 過快的問題，并且對調(diào)度時間要求較高。當(dāng)處理延時增加時，調(diào)度速度無法趕上信道的變 化。離線功率分配算法復(fù)雜度隨參與調(diào)度用戶數(shù)增長較慢，對調(diào)度時間要求較低，并可達(dá)到 最高通信速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是利用能量采集節(jié)點從環(huán)境中吸收能量提高網(wǎng)絡(luò)壽命，采用中繼轉(zhuǎn) 發(fā)信息增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提供一種基于感知無線電技術(shù)的能量采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇 和功率分配方法，適用于感知無線電網(wǎng)絡(luò)，能量采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)等無線數(shù)據(jù)通信環(huán)境。
[0007] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0008] -種能量采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功率分配方法，該方法包括以下步驟：
[0009] (1)主用戶發(fā)射機(jī)發(fā)送信息s。至主用戶接收機(jī)，次級用戶發(fā)射機(jī)SUi發(fā)送信息s i 至次級用戶網(wǎng)絡(luò)的J個中繼。次級用戶可以在一定干擾限制，不影響主用戶通信的條件下 以一定的功率發(fā)送信號，或者在主用戶未占用頻譜時以較高的功率發(fā)射信號；
[0010] (2)依照凸優(yōu)化以容量最大化為目標(biāo)，以能量和對主用戶干擾限制為約束條件分 配次級用戶最優(yōu)發(fā)射功率P%次級用戶SU1在時隙Li以發(fā)射功率P$發(fā)射信號Si時使用SU1 從環(huán)境中吸收并存儲的能量；
[0011] (3)計算次級用戶發(fā)射機(jī)-中繼鏈路及中繼-次級用戶接收機(jī)鏈路的信道干擾噪 聲比SINR。在含有大量中繼的系統(tǒng)中，收集通信鏈路瞬間狀態(tài)信息CSI的方法計算量較大， 因此在本系統(tǒng)中，通過計算平均信道干擾噪聲比SINR計算系統(tǒng)容量；
[0012] (4)根據(jù)鏈路信干比分別計算J個分組次級用戶網(wǎng)絡(luò)容量R;
[0013] (5)在J個組之間，選取容量最大的中繼rj;
[0014] (6)選定的中繼r.j將信息s潑送至次級用戶接收機(jī)SU2。
[0015] 進(jìn)一步的，步驟（1)中繼接收到的信號矢量根據(jù)下述公式計算得到：
[0017] 其中，&為每個時隙接收信號矢量，共K個時隙。\為次級用戶發(fā)射信號，Plil為 次級用戶發(fā)射功率，乂是次級用戶SU1至中繼鏈路的信道增益，u1是主用戶對次級用戶的
[0018] 進(jìn)一步的，步驟（1)中次級用戶在時隙L1WP1*射信號81時使用次級用戶從環(huán)境 中吸收并存儲的能量，節(jié)點吸收能量E1，存儲能量Eniax與發(fā)射功率pi之間的關(guān)系可表示為：
節(jié)點最大存儲能量。本系統(tǒng)模型為離散時間而非連續(xù)時間，但在每個時隙中發(fā)射功率恒定。 [0021] 進(jìn)一步的，步驟（3)中同時進(jìn)行通信的主用戶和次級用戶之間互相干擾，中繼和 次級用戶接收端的信號干擾噪聲比分別為：
[0024] 其中Plil為次級用戶SU1的發(fā)射功率，我&為中繼至次級用戶SU2鏈路的信道增益， i是主用戶至次級用戶SU2鏈路的信道增益，coi是放大因子，在中繼和次級用戶接收端 的高斯白噪聲的均值為〇,方差分別為0^
[0025] 進(jìn)一步的，步驟（3)中次級用戶系統(tǒng)容量采用下述公式確定：
[0027] 其中民為K個時隙系統(tǒng)總?cè)萘?，SINRIpSINR2il為中繼和次級用戶接收端的信號 干擾噪聲比SINR。
[0028] 進(jìn)一步的，通過凸優(yōu)化及Lagrange方程進(jìn)行系統(tǒng)容量最大化運算。
[0034]其中，U1是次級用戶SU滿功率限制，IUl，L1分別是主用戶對次級用戶SU及中 繼的干擾，0是主用戶對次級用戶的干擾總限制。Lagrange方程可寫為
[0040] 其中心",:是主用戶至次級用戶SU2鏈路的信道增益，V2il是均值為0,方差為的 尚斯白噪聲。
[0041] 進(jìn)一步的，中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)方案，能量采集中繼節(jié)點從接收到的信號中收集能 量，并用收集到的能量轉(zhuǎn)發(fā)來自源節(jié)點的信號至目標(biāo)節(jié)點。中繼的發(fā)射功率為
[0045] 其中14為中繼對主用戶的干擾限制，Kp為中繼至主用戶鏈路的信道增益。
[0046] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0047] 1、基于離線功率分配的能量采集節(jié)點中繼網(wǎng)絡(luò)的功率分配和中繼選擇方法有利 于最大化網(wǎng)絡(luò)通信容量。
[0048] 2、中繼選擇以最大化網(wǎng)絡(luò)通信容量為準(zhǔn)則，在能量采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中使用中繼有利 于增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。
[0049] 3、能量采集節(jié)點可以收集來自環(huán)境的能量并存儲，利于提高節(jié)點網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0050] 總而言之，本發(fā)明提出的中繼選擇和功率分配方法，利于提高能量采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò) 的網(wǎng)絡(luò)壽命，增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，最大化網(wǎng)絡(luò)通信容量，因此具有較高的實用價值。
【附圖說明】
[0051]圖1為能量采集節(jié)點的中繼選擇和功率分配網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)框圖；
[0052]圖2為本發(fā)明實施的基于感知無線電技術(shù)的能量采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功 率分配方法中的全局調(diào)度算法框圖；
[0053]圖3為本發(fā)明實施的能量采集節(jié)點框圖；
[0054]圖4為在線能量算法，在線恒定功率算法和本優(yōu)化算法的比較；
[0055] 圖5為優(yōu)化算法中精確信噪比算法，高信噪比算法和隨機(jī)中繼選擇算法比較。
【具體實施方式】
[0056] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述：
[0057] 參考圖1，圖1所示為次級用戶信號傳輸模型圖。次級用戶SUJP中繼均為能量 采集節(jié)點，可從外界環(huán)境中吸收，存儲能量。信號傳輸分為兩個階段：第一階段是次級用戶 SU1傳輸信號si至中繼，發(fā)射功率為puy與此同時主用戶傳輸信號s。至主用戶接收機(jī)，設(shè)定 E{|sJ2} =E{|Sl|2} = 1，其中E{*}代表期望算子，I?I代表復(fù)數(shù)8。，81的絕對值。第二 階段是中繼發(fā)送從SU1接收的信號si，發(fā)射功率為PiP
[0058] 參考圖2,圖2所示為次級用戶SU1,SUjP中繼均為單天線系統(tǒng)。基于感知無線電 技術(shù)的能量采集節(jié)點單向中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功率分配算法流程如下：
[0059] (1)主用戶發(fā)射機(jī)發(fā)送信息s。至主用戶接收機(jī)，次級用戶發(fā)射機(jī)SUi發(fā)送信息si 至次級用戶網(wǎng)絡(luò)的J個中繼。次級用戶可以在一定干擾限制，不影響主用戶通信的條件下 以一定的功率發(fā)送信號，或者在主用戶未占用頻譜時以較高的功率發(fā)射信號；
[0060](2)構(gòu)造使系統(tǒng)通信速率最大的目標(biāo)函數(shù)，以能量和對主用戶干擾限制為約束條 件分配次級用戶最優(yōu)發(fā)射功率P%不同于傳統(tǒng)通信節(jié)點一旦電池耗盡立即結(jié)束通信，能量 采集節(jié)點可從環(huán)境中吸收能量，實現(xiàn)綠色通信，提高通信節(jié)點壽命。次級用戶SU1在時隙L1 以發(fā)射功率K發(fā)射信號Si使用S