CN104467998A - 基于先听后传的能量捕获认知无线电通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于先听后传的能量捕获认知无线电通信方法，其特征在于，包括：认知无线电先听后传的帧结构、认知无线电发射机和认知无线电接收机；认知无线电的帧结构被分为感知时隙和传输时隙。本发明的有益效果为：认知无线电发射机在感知外界电磁信号的同时捕获外界信号的能量，当感知到授权用户空闲时，发射机将捕获到的所有外界信号能量转化成系统所需要的电能并存储到电池中，由于电池容量的提高，发射机能够以更大的发射功率传输更多的信息数据，从而提高系统的通信吞吐量。

Description

基于先听后传的能量捕获认知无线电通信方法

技术领域

本发明涉及无线电通信技术领域，尤其是一种基于先听后传的能量捕获认知无线电通信方法。

背景技术

认知无线电基于软件无线电，是一种提高频谱资源利用率的智能无线通信技术。它通过择机使用政府固定分配给授权用户的法定频谱，大幅度提高有限频谱资源的利用率，但前提是认知无线电不能给授权用户的正常通信带来任何干扰。因此，认知无线电在传输数据前需要通过频谱感知技术检测信道中是否存在授权用户，只有当授权用户空闲时，认知无线电才能够进行通信。认知无线电最常使用的频谱感知技术是能量检测，通过将感知到的外界信号能量与预先设定的门限做比较对授权用户判决，即如果能量大于门限，判断授权用户存在，否则判断授权用户空闲。

能量捕获是一种高效利用能源的新技术，通过捕获、转化和存储太阳能、风能、电磁能和动能等外部能源，为一些小型的无线通信设备和无线通信终端提供电能，进一步提高系统的无线通信质量。一个采用能量捕获方法的无线通信系统可以将任何无线终端发射的信号能量收集起来，转化成自身可以使用的电能并存储起来，在需要的时候为无线通信系统补充能量。能量捕获电子线路的成本常常低于布设电源线的成本或更换电池所需的日常维护成本，因此用捕获的能量供电的方法有极大的经济效益。

现有的认知无线电通信技术存在如下缺陷：(1)认知无线电只有当授权用户不存在时才能够使用频谱，因此系统使用频谱的时间非常有限且绝大多数时间都处于空闲状态，直接导致系统的通信吞吐量相对较低，往往不能够满足用户对通信质量的需求；(2)认知无线电系统的能量非常有限并且需要消耗额外的能量感知授权用户信号，因此用于传输数据的能量会减少，直接影响系统的正常工作并降低系统的通信吞吐量；(3)认知无线电在对外界电磁环境进行频谱感知时，缺乏对外界电磁能量的有效利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种提高系统的通信吞吐量的基于先听后传的能量捕获认知无线电通信方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于先听后传的能量捕获认知无线电通信方法，包括认知无线电先听后传的帧结构、认知无线电发射机和认知无线电接收机。认知无线电的帧结构被分为感知时隙和传输时隙，认知无线电的发射机和接收机在传输数据前必须监听外界电磁环境。感知时隙内，认知无线电的发射机和接收机同步监听外界的电磁环境，发射机对外界接收信号同步进行频谱感知和能量捕获，接收机只对外界接收信号进行频谱感知。传输时隙内，当感知到授权用户存在时，认知无线电的发射机捕获外界信号的能量，认知无线电的接收机停止工作；当感知到授权用户空闲时，认知无线电的发射机将捕获到的所有外界信号能量转化成系统电能，并通过放大发射功率和接收机之间进行通信，认知无线电的接收机接收发射信号，通过功率缩放将信号恢复到最初能量级别并最终恢复出原始数据。认知无线电发射机的能量捕获和转化部分由混频器、本地振荡器、匹配滤波器、带通滤波器、整流电路和低通滤波器组成；混频器、匹配滤波器、带通滤波器、整流电路、低通滤波器依次相连，混频器还连接有本地振荡器，接收本地振荡器产生的震荡信号。

认知无线电发射机的工作步骤如下：

(1)在感知时隙内，发射机通过天线监听特定频段内外界的电磁环境，接收并采样外界信号；

(2)对接收信号同时进行能量捕获和频谱感知，能量捕获用于收集外界接收信号的能量，频谱感知用于判断接收信号中是否存在授权用户信号；

(3)通过频谱感知判断授权用户存在，在传输时隙内，发射机继续监听外界电磁环境，并不断捕获外界接收信号的能量，反之执行步骤(4)；

(4)通过频谱感知判断授权用户空闲，发射机通过能量转化将捕获到的所有外界信号能量转化成系统自身所需的电能，并通过对电池充电将电能存储起来；将信息数据通过数据处理单元转化为适合信道传输的数据信号，包括信息编码和信号调制过程，功率放大单元根据电池提供的能量放大发射机的发射功率，并最终通过天线发射数据信号。

认知无线电发射机的能量捕获和转化部分的工作步骤如下：

(1)将接收到的外界高频交流信号和发射机的本地振荡器产生的本地振荡信号通过混频器产生整流电路可处理的中频交流信号。

(2)中频交流信号通过匹配滤波器滤除外界电磁环境中的干扰噪声。

(3)将匹配滤波器的输出信号通过带通滤波器调谐到整流电路可处理的频率范围。

(4)整流电路将中频交流信号转化成直流信号。

(5)将直流信号通过低通滤波器滤除基波和谐波信号后获得直流电压信号。

认知无线电接收机的工作步骤如下：

(1)在感知时隙内，接收机通过天线监听外界的电磁环境，接收并采样外界信号；

(2)对外界接收的信号进行频谱感知，判断接收信号中是否存在授权用户信号；

(3)通过频谱感知判断授权用户存在，在传输时隙内，接收机暂停工作，反之执行步骤(4)；

(4)通过频谱感知判断授权用户空闲，接收机接收发射机的信号，通过功率缩放单元将发射机的信号恢复到最初能量级别，最后通过数据恢复单元恢复出原始信息数据，包括信号解调和信息译码过程。

本发明的有益效果为：认知无线电发射机在感知外界电磁信号的同时捕获外界信号的能量，当感知到授权用户空闲时，发射机将捕获到的所有外界信号能量转化成系统所需要的电能并存储到电池中，由于电池容量的提高，发射机能够以更大的发射功率传输更多的信息数据，从而提高系统的通信吞吐量。

附图说明

图1是本发明的认知无线电先听后传的帧结构示意图。

图2是本发明的认知无线电发射机的结构图。

图3是本发明的认知无线电发射机的能量捕获和转化的结构图。

图4是本发明的认知无线电接收机的结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明将认知无线电的帧结构分为感知时隙和传输时隙，认知无线电在传输数据前必须监听外界的电磁环境。感知时隙内，认知无线电的发射机和接收机监听外界的电磁环境，发射机对外界接收信号同时进行频谱感知和能量捕获，接收机只对外界接收信号进行频谱感知。传输时隙内，当感知到授权用户存在时，认知无线电的发射机停止发射信号，并且不断捕获外界接收信号的能量，认知无线电的接收机停止工作；当感知到授权用户空闲时，认知无线电的发射机将捕获到的所有外界信号能量转化成系统电能，并通过放大发射功率和接收机之间进行通信。

如图2所示，认知无线电发射机的工作步骤如下：

(1)在感知时隙内，发射机通过天线监听可使用信道的外界电磁环境，包括噪声、授权用户信号和信道衰落特性等；接收并采样外界信号，采样频率为接收信号最高频率的2倍。采样后的信号表示为：y(1),y(2),…,y(M)，M是采样点数。

(2)对接收信号同时进行能量捕获和频谱感知，能量捕获用于收集接收信号的能量，捕获的信号能量E_H表示为频谱感知用于判断接收信号中是否存在授权用户信号，即：将接收信号的能量E_H和设定的门限λ进行比较，如果E_H≥λ，判断授权用户存在，如果E_H＜λ，判断授权用户空闲；门限λ的设定表示为λ＝(P_s,min+P_N)τ，其中P_s,min为授权用户的最小发射功率，P_N为噪声功率，τ为感知时隙的时长。

(3)通过频谱感知判断授权用户存在，在传输时隙内，发射机停止发射信号，并且继续监听外界的电磁环境和接收外界信号，并不断捕获外界接收信号的能量，反之执行步骤(4)；

(4)通过频谱感知判断授权用户空闲，发射机通过能量转化将捕获到的所有外界信号能量转化成系统自身所需要的电能，并通过对电池充电将电能存储起来，充电后的电能E表示为E＝E_I+ξE_H式中E_I为系统的初始电能，0＜ξ＜1为能量转化系数，根据能量转化电路器件的特性决定；将信息数据通过数据处理单元转化为合适信道传输的数据信号，包括信息编码和信号调制过程；功率放大单元根据充电后增加的电池容量放大传输时隙内发射机的发射功率，发射功率P和功率放大系数η分别表示为式中T是帧的时长；最后通过天线发射数据信号。

如图3所示，认知无线电发射机的能量捕获和转化部分工作步骤如下：

(1)将接收到的高频交流信号和发射机的本地振荡器产生的本地震荡信号通过混频器产生整流电路可处理的中频交流信号。

(2)中频交流信号通过匹配滤波器滤除外界电磁环境中的干扰噪声。

(3)将匹配滤波器的输出信号通过带通滤波器调谐到整流电路可处理的频率范围。

(4)整流电路将中频交流信号转化成直流信号。

(5)将直流信号通过低通滤波器滤除基波和谐波信号后获得直流电压信号。

如图4所示，认知无线电接收机的工作步骤如下：

(1)在感知时隙内，接收机通过天线监听外界的电磁环境，包括噪声、授权用户信号和信道衰落特性等；接收并采样外界信号，采样频率为接收信号最高频率的2倍；

(2)对接收信号进行频谱感知，通过将外界接收信号的能量E_H和设定的门限λ作比较，判断接收信号中是否存在授权用户信号，即如果E_H≥λ，判断授权用户存在，否则判断授权用户空闲。

(3)通过频谱感知判断授权用户存在，在传输时隙内，接收机暂停工作，否则执行步骤(4)；

(4)通过频谱感知判断授权用户空闲，接收机接收发射机发射的信号，通过功率缩放单元将发射机的信号恢复到最初能量级别，缩放系数θ表示为最后通过数据恢复单元恢复出原始信息数据，包括信号解调和信息译码过程。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (4)

1.一种基于先听后传的能量捕获认知无线电通信方法，其特征在于，包括：认知无线电先听后传的帧结构、认知无线电发射机和认知无线电接收机；认知无线电的帧结构被分为感知时隙和传输时隙；感知时隙内，发射机对外界接收信号同步进行频谱感知和能量捕获，接收机只对外界接收信号进行频谱感知；传输时隙内，当感知到授权用户存在时，认知无线电的发射机捕获外界信号能量，认知无线电的接收机停止工作；当感知到授权用户空闲时，认知无线电的发射机将捕获到的所有外界信号能量转化成系统电能，并通过放大发射功率和接收机之间进行通信。

2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，认知无线电发射机的工作步骤如下：

(1)在感知时隙内，发射机通过天线监听特定频段内外界的电磁环境，接收并采样外界信号；

(2)对接收信号同时进行能量捕获和频谱感知，能量捕获用于收集外界接收信号的能量，频谱感知用于判断接收信号中是否存在授权用户信号；

(3)通过频谱感知判断授权用户存在，在传输时隙内，发射机继续监听外界电磁环境，并不断捕获外界接收信号的能量，反之执行步骤(4)；

(4)通过频谱感知判断授权用户空闲，发射机通过能量转化将捕获到的所有外界信号能量转化成系统自身所需的电能，并通过对电池充电将电能存储起来；将信息数据通过数据处理单元转化为适合信道传输的数据信号，包括信息编码和信号调制过程，功率放大单元根据电池提供的能量放大发射机的发射功率，并最终通过天线发射数据信号。

3.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于，认知无线电发射机的能量捕获和转化部分由混频器、本地振荡器、匹配滤波器、带通滤波器、整流电路和低通滤波器组成；混频器、匹配滤波器、带通滤波器、整流电路、低通滤波器依次相连，混频器还连接有本地振荡器，接收本地振荡器产生的震荡信号。

4.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，认知无线电接收机的工作步骤如下：

(1)在感知时隙内，接收机通过天线监听外界的电磁环境，接收并采样外界信号；

(2)对外界接收的信号进行频谱感知，判断接收信号中是否存在授权用户信号；

(3)通过频谱感知判断授权用户存在，在传输时隙内，接收机暂停工作，反之执行步骤(4)；

(4)通过频谱感知判断授权用户空闲，接收机接收发射机的信号，通过功率缩放单元将发射机的信号恢复到最初能量级别，最后通过数据恢复单元恢复出原始信息数据，包括信号解调和信息译码过程。