CN104660355B - 一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，将认知网络的帧结构分为协作频谱感知时隙、能量采集时隙和数据传输时隙，协作频谱感知时隙包括本地感知时隙和协作交互时隙，协作交互时隙包括K个子时隙，将网络节点分成若干个簇，所有簇头节点在协作频谱感知时隙协作感知主用户，每个簇的普通节点在协作频谱感知时隙采集主用户的无线能量，在能量传输时隙向簇头节点传输无线能量来补充协作交互的耗能。本发明的有益效果为：认知网络通过选择少量簇头节点参与协作，以及利用普通节点向簇头节点传输无线能量，能够显著减少协作交互的时间和能量开销。

Description

一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法

技术领域

本发明公开了一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，涉及无线电通信技术领域。

背景技术

目前，无线频谱由政府部门授权给特定的主用户来使用，近年来，随着通信用户的急剧增长，无线频谱资源越显匮乏，因此，人们提出认知无线电技术来提高现有频谱的利用率。认知网络基于认知无线电，是一种智能的无线通信网络，它能够感知周围的频谱环境，发现并接入主用户未使用的空闲频谱，从而达到高效利用频谱的目的。为了在接入主用户频谱时不对主用户产生任何干扰，频谱感知是最关键的一步，也是认知无线电最核心的技术，认知网络只有通过频谱感知检测到主用户不存在于频谱中，才允许利用频谱传输数据。认知无线电广泛使用的单节点频谱感知方法是能量检测方法，然而，如果主用户处于严重的信道衰落或者阴影效应中，由于接收到的主用户能量十分微弱，单节点频谱感知的性能会显著降低。为了解决这一问题，人们提出利用认知网络的多个位于不同空间区域的节点协作感知主用户，节点间协作交互各自的本地感知信息，节点通过融合检测对主用户不同区域的感知信息，能够显著提高频谱感知性能。目前，关于协作频谱感知的研究主要致力于提高频谱感知性能，因此存在以下缺陷：

(1)协作频谱感知中，协作节点需要一定的时间协作交互感知信息，协作节点数越多，协作交互的时间越长，相应的用于数据传输的时间越短，因此为了降低时间开销，需要选择少量的合适节点参与协作。

(2)协作频谱感知中，协作节点需要消耗一定的能量协作交互感知信息，相应的用于数据传输的能量会降低，因此为了降低能量开销，需要为协作节点额外补充电能。

无线能量采集和传输是指：发射端利用射频器件将电能转化成电磁波，通过天线定向或全向地辐射出去，在远处的接收端使用天线接收辐射的电磁波，利用能量采集技术将电磁波重新转化成电能并存储起来，从而实现无线能量的远距离传输。目前，全世界广泛研究的空间太阳能发电站就是基于该项技术，将太阳能转化成电能，利用电能产生微波信号并向地面站发射，地面站采集微波信号的能量并重新转化成电能，达到为地面供电的目的。无线能量采集和传输不但能够充分利用环境中浪费的电磁能量，节约系统能源，而且其建设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，因此用采集的无线能量供电的方法拥有巨大的经济效益。将能量采集技术融入认知网络，使认知网络感知主用户的同时采集主用户发射信号的无线能量，通过利用采集的能量供电来补充协作频谱感知的耗能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，克服当前协作频谱感知中，协作节点的协作交互需要消耗一定的时间和能量开销，导致协作节点用于数据传输的时间和能量降低的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，包括认知网络的帧结构设计和基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感知，其中，

所述认知网络的帧结构设计将认知网络的帧结构分为协作频谱感知时隙、能量采集时隙和数据传输时隙，所述协作频谱感知时隙包括本地感知时隙和协作交互时隙，所述协作交互时隙包括K个子时隙；

所述认知网络帧结构的基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感知方法，具体步骤包括：

步骤1、将认知网络中的N个节点平均分为K个簇，并为每个簇选择一个簇头节点，K个簇头节点参与协作频谱感知；

步骤2、采用簇头节点协作频谱感知方法检测主用户是否存在于频谱之中：

如果在协作频谱感知时隙检测到主用户不存在，认知网络在数据传输时隙接入主用户频谱并传输信息；否则，认知网络在数据传输时隙不接入主用户频谱、不传输信息，并等待下一帧重新检测主用户；

步骤3、每个簇内的普通节点在协作频谱感知时隙和能量传输时隙，采用普通节点无线能量采集和传输方法，分别采集和传输主用户发射信号的无线能量。

步骤4、簇头节点在能量传输时隙，采集本簇内所有普通节点发射信号的无线能量，并将无线能量转化成系统电能存储到可充电电池中，当簇头节点在数据传输时隙传输信息时，利用存储的电能补充协作频谱感知所消耗的能量，保证簇头节点拥有足够的传输能量。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤1中采用的分簇和簇头选择方法，由以下步骤实现：

(101)计算主用户s和N个认知网络节点m_i之间的距离d(s,m_i)，选择d(s,m_i)最小的前K个节点m_k作为K个簇的初始簇头节点，其中，i＝1,2,…,N，k＝1,2,…,K；

(102)初始化每个簇的节点集合Ω_k＝{m_k}以及初始簇中心c_k＝m_k；

(103)对于剩余N-K个节点，计算每个节点m_i到每个簇k的簇中心c_k的距离d(m_i,c_k)，选择d(m_i,c_k)最小的簇k_i，将m_i归类到相应的簇节点集合中，即

如果某个簇的节点数目已达到D，则不再对该簇分配节点；

(104)对于每个簇k，根据每个簇内的节点集合Ω_k，重新更新簇中心c_k；

(105)对于每个簇k，计算每个簇内的D个节点m_k,j到本簇中心c_k的距离d(m_k,j,c_k)，选择距离最小的节点m_k,j*更新本簇的簇头节点，其中，j＝1,2,…,D；

(106)用更新后的簇头节点作为每个簇的初始簇头，反复执行步骤2至步骤5，直至每个簇的簇头节点不再发生任何变化，记录每个簇的簇节点集合Ω_k和相应的簇头节点m_k,j*。

作为本发明的进一步优选方案，在所述的分簇和簇头选择方法中，设定节点a和b的空间坐标分别为(a_x,a_y,a_z)和(b_x,b_y,b_z)，a和b之间的距离d(a,b)的计算方式为：

如果某个簇的节点集合为Ω＝{a¹,a²,...,aⁿ}，节点aⁱ的坐标为簇中心c的坐标(c_x,c_y,c_z)的更新方式为：

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤3所采用的普通节点无线能量采集和传输方法，具体步骤步骤包括：

(301)普通节点在协作频谱感知时隙，接收主用户频谱中的射频信号；

主用户存在时，接收射频信号主要包括主用户信号和其它噪声信号，主用户不存在时，接收射频信号主要包括其它噪声信号；

(302)将接收的射频信号和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；

(303)将中频交流信号通过带通滤波器，调谐到整流电路可处理的频率范围，降低处理信号时向外界辐射的无线能量；

(304)利用整流电路将中频交流信号转化成直流信号；

(305)将直流信号通过低通滤波器，滤除直流信号中的基波和谐波信号，并获得直流电压，将直流电压加载到充电电池并存储电荷；

(306)在能量传输时隙，存储的电能驱动信号发生器、功率放大器和信号调制器工作，并为它们补充电能；

(307)信号发生器产生任意信号，通过功率放大器对信号的功率进行适当放大，通过信号调制器将功率放大器的输出信号调制到特定频率，通过天线向簇头节点发射信号；

(308)簇头节点在能量传输时隙，接收本簇内所有普通节点发射的信号，并利用步骤302至步骤305，采集所有接收信号的无线能量并存储到充电电池中。

作为本发明的进一步优选方案，步骤2中，所述簇头节点协作频谱感知方法，具体实现步骤包括：

(201)每个簇头节点在本地感知时隙，采用能量检测方法独立的对主用户进行本地频谱感知，通过将接收信号的能量统计值和检测门限作比较，获得对主用户的本地检测结果；

(202)每个簇头节点在协作交互时隙对应分配的子时隙内，向其它簇头节点报告本地检测信息；

如果本地检测主用存在，报告信息为1，否则，报告信息为0；

(203)簇头节点根据接收到的所有报告信息，对主用户是否存在进行判断：

当半数或者超过半数的报告信息均为1，则判断主用户存在于频谱中；

当超过半数的报告信息均为0，则判断主用户不存在于频谱中。

作为本发明的进一步优选方案，步骤2中，所述簇头节点协作频谱感知方法，具体实现步骤包括：

(211)每个簇头节点在本地感知时隙，采用能量检测方法独立的对主用户进行本地频谱感知，簇头节点获得接收信号的能量统计值；

(212)每个簇头节点在协作交互时隙对应分配的子时隙内，向其它簇头节点报告本地感知的能量统计值；

(213)簇头节点采用能量检测方法，对接收到的所有能量统计值再次进行统计平均，并得到全局能量统计值，将全局能量统计值和全局检测门限作比较，获得对主用户存在与否的最终判决。

作为本发明的进一步优选方案，步骤(213)中，所述能量检测方法，具体实现步骤包括：

(1)接收主用户频谱中的信号，并对接收信号采样，采样频率为信号最高频率的二倍以上；

(2)将信号采样点的幅度值平方，获得采样点的能量值；

(3)对所有采样点的能量值统计平均，即累加求和再求均值，获得能量统计值；

(4)将能量统计值和检测门限作比较，检测门限选取为频谱中噪声最大时的噪声功率；

如果能量统计值大于检测门限，判定主用户存在于频谱中，否则判定主用户不存在于频谱中。

作为本发明的进一步优选方案，步骤304中，所述整流电路具体为半波整流电路、全波整流电路、电压倍增电路或整流天线中的一种。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：认知网络通过选择少量簇头节点参与协作，以及利用普通节点向簇头节点传输无线能量，能够显著减少协作交互的时间和能量开销。

附图说明

图1是本发明的认知网络帧结构的结构图；

图2是本发明的基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感知的结构图；

图3是本发明的簇头协作频谱感知中的能量检测法的结构图；

图4是本发明的普通节点无线能量采集和传输的结构图；

图5是本发明协作感知和传统协作感知的协作节点传输功率比较。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

认知网络的帧结构如图1所示，分为协作频谱感知时隙、能量采集时隙和数据传输时隙，协作频谱感知时隙又分为本地感知时隙和协作交互时隙，协作交互时隙又分成K个子时隙。

采用本发明认知网络帧结构的基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感知方法如图2所示，具体由以下步骤实现：

1、采用分簇和簇头选择方法，将认知网络中的N个节点平均分为K个簇，并为每个簇选择一个簇头节点，K个簇头节点参与协作频谱感知。

2、K个簇头节点在协作频谱感知时隙，采用簇头节点协作频谱感知方法检测主用户是否存在于频谱之中。如果在协作频谱感知时隙检测到主用户不存在，认知网络在数据传输时隙接入主用户频谱并传输信息，否则，认知网络在数据传输时隙不接入主用户频谱、不传输信息，并等待下一帧重新检测主用户。

3、每个簇内的普通节点在协作频谱感知时隙和能量传输时隙，采用普通节点无线能量采集和传输方法，分别采集和传输主用户发射信号的无线能量。普通节点首先在协作频谱感知时隙，采集主用户发射信号的无线能量，并将无线能量转化为系统电能存储到可充电电池中，然后在能量传输时隙，利用采集的能量驱动节点的信号处理器、功率放大器和信号调制器，产生具有无线能量的射频信号，普通节点将产生的具有无线能量的射频信号发送给所在簇内的簇头节点。

4、簇头节点在能量传输时隙，利用与普通节点一样的无线能量采集方法，采集本簇内所有普通节点发射信号的无线能量，并将无线能量转化成系统电能存储到可充电电池中，当簇头节点在数据传输时隙传输信息时，利用存储的电能补充协作频谱感知所消耗的能量，保证簇头节点拥有足够的传输能量。

本发明的基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感方法步骤1所采用的分簇和簇头选择方法，由以下步骤实现：

(1)计算主用户s和N个认知网络节点m_i之间的距离d(s,m_i)(i＝1,2,…,N)，选择d(s,m_i)最小的前K个节点m_k(k＝1,2,…,K)作为K个簇的初始簇头节点。

(2)初始化每个簇的节点集合Ω_k＝{m_k}以及初始簇中心c_k＝m_k。

(3)对于剩余N-K个节点，计算每个节点m_i(i＝1,2,…,N-K)到每个簇k的簇中心c_k(k＝1,2,…,K)的距离d(m_i,c_k)，选择d(m_i,c_k)最小的簇k_i，将m_i归类到相应的簇节点集合中，即如果某个簇的节点数目已达到D，则不再对该簇分配节点。

(4)对于每个簇k(k＝1,2,…,K)，根据每个簇内的节点集合Ω_k，重新更新簇中心c_k。

(5)对于每个簇k(k＝1,2,…,K)，计算每个簇内的D个节点m_k,j(j＝1,2,…,D)到本簇中心c_k的距离d(m_k,j,c_k)，选择距离最小的节点m_k,j*更新本簇的簇头节点。

(6)用更新后的簇头节点作为每个簇的初始簇头，反复执行步骤(2)至步骤(5)，直至每个簇的簇头节点不再发生任何变化。记录每个簇的簇节点集合Ω_k和相应的簇头节点m_k,j*(k＝1,2,…,K)。

所述的分簇和簇头选择方法中，如果两个节点a和b的空间坐标分别为(a_x,a_y,a_z)和(b_x,b_y,b_z)，a和b之间的距离d(a,b)由下式计算：

如果某个簇的节点集合为Ω＝{a¹,a²,...,aⁿ}，节点aⁱ的坐标为(aⁱ _x,aⁱ _y,aⁱ _z)，簇中心c的坐标(c_x,c_y,c_z)由下式更新：

本发明基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感方法步骤2所采用的簇头节点协作频谱感知方法，结合图2和图3，由以下步骤实现：

具体实施方式一

1)每个簇头节点在本地感知时隙，采用能量检测方法独立的对主用户进行本地频谱感知，通过将接收信号的能量统计值和检测门限作比较，获得对主用户的本地检测结果。

2)每个簇头节点在协作交互时隙对应分配的子时隙内，向其它簇头节点报告本地检测信息；如果本地检测主用存在，报告信息为1，否则，报告信息为0。

3)簇头节点根据接收到的所有报告信息，对主用户存在与否进行最终判决，如果半数或者超过半数的报告信息均为1，最终判定主用户存在于频谱中；如果超过半数的报告信息均为0，最终判定主用户不存在于频谱中。

具体实施方式二

1)每个簇头节点在本地感知时隙，采用能量检测方法独立的对主用户进行本地频谱感知；簇头节点不需要做出本地检测结果，只需要获得接收信号的能量统计值。

2)每个簇头节点在协作交互时隙对应分配的子时隙内，向其它簇头节点报告本地感知的能量统计值。

3)簇头节点采用能量检测方法，对接收到的所有能量统计值再次进行统计平均，并得到全局能量统计值，将全局能量统计值和全局检测门限作比较，获得对主用户存在与否的最终判决。

所述的簇头节点协作频谱感知方法所采用的能量检测方法，如图3所示，由以下步骤实现：

(1)接收主用户频谱中的信号，并对接收信号采样，采样频率为信号最高频率的二倍以上。

(2)将信号采样点的幅度值平方，获得采样点的能量值。

(3)对所有采样点的能量值统计平均，即累加求和再求均值，获得能量统计值。

(4)将能量统计值和检测门限作比较，检测门限选取为频谱中噪声最大时的噪声功率；

如果能量统计值大于检测门限，判定主用户存在于频谱中，否则判定主用户不存在于频谱中。

本发明基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感方法步骤3所采用的普通节点无线能量采集和传输方法，结合图4，由以下步骤实现：

(1)普通节点在协作频谱感知时隙，接收主用户频谱中的射频信号；主用户存在时，接收射频信号主要包括主用户信号和其它噪声信号，主用户不存在时，接收射频信号主要包括其它噪声信号。

(2)将接收的射频信号和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。

(3)将中频交流信号通过带通滤波器，进一步调谐到整流电路可处理的频率范围，降低处理信号时向外界辐射的无线能量。

(4)整流电路将中频交流信号转化成直流信号，常用的整流电路有半波整流电路、全波整流电路、电压倍增电路或整流天线等。

(5)将直流信号通过低通滤波器，滤除直流信号中的基波和谐波信号，并获得直流电压，将直流电压加载到充电电池并存储电荷。

(6)在能量传输时隙，存储的电能驱动信号发生器、功率放大器和信号调制器工作，并为它们不断补充电能。

(7)信号发生器产生任意信号，通过功率放大器对信号的功率进行适当放大，通过信号调制器将功率放大器的输出信号调制到特定频率，通过天线向簇头节点发射信号。

(8)簇头节点在能量传输时隙，接收本簇内所有普通节点发射的信号，并利用步骤2至步骤5，采集所有接收信号的无线能量并存储到充电电池中。

从图5中可以看出，本发明协作节点的传输功率要高于传统协作感知中协作节点的传输功率，并且随着感知时间增加，本发明协作节点的传输功率增加，而传统协作感知中协作节点的传输功率降低，主要因为本发明普通节点采集的能量随着感知时间的增加而增加。因此，本发明通过采集主用户的无线能量和向簇头节点传输无线能量，能够极大地补充协作耗能、降低协作开销。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，其特征在于：包括认知网络的帧结构设计和基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感知，其中，

所述认知网络的帧结构设计将认知网络的帧结构分为协作频谱感知时隙、能量采集时隙和数据传输时隙，所述协作频谱感知时隙包括本地感知时隙和协作交互时隙，所述协作交互时隙包括K个子时隙；

所述认知网络帧结构的基于无线能量采集和传输的分簇协作频谱感知方法，具体步骤包括：

步骤1、将认知网络中的N个节点平均分为K个簇，并为每个簇选择一个簇头节点，K个簇头节点参与协作频谱感知；

步骤2、采用簇头节点协作频谱感知方法检测主用户是否存在于频谱之中：

如果在协作频谱感知时隙检测到主用户不存在，认知网络在数据传输时隙接入主用户频谱并传输信息；否则，认知网络在数据传输时隙不接入主用户频谱、不传输信息，并等待下一帧重新检测主用户；

步骤3、每个簇内的普通节点在协作频谱感知时隙和能量传输时隙，采用普通节点无线能量采集和传输方法，分别采集和传输主用户发射信号的无线能量；

步骤4、簇头节点在能量传输时隙，采集本簇内所有普通节点发射信号的无线能量，并将无线能量转化成系统电能存储到可充电电池中，当簇头节点在数据传输时隙传输信息时，利用存储的电能补充协作频谱感知所消耗的能量，保证簇头节点拥有足够的传输能量。

2.如权利要求1所述的一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，其特征在于，所述步骤3所采用的普通节点无线能量采集和传输方法，具体步骤步骤包括：

(301)普通节点在协作频谱感知时隙，接收主用户频谱中的射频信号；

主用户存在时，接收射频信号主要包括主用户信号和其它噪声信号，主用户不存在时，接收射频信号主要包括其它噪声信号；

(302)将接收的射频信号和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；

(303)将中频交流信号通过带通滤波器，调谐到整流电路可处理的频率范围，降低处理信号时向外界辐射的无线能量；

(304)利用整流电路将中频交流信号转化成直流信号；

(305)将直流信号通过低通滤波器，滤除直流信号中的基波和谐波信号，并获得直流电压，将直流电压加载到充电电池并存储电荷；

(306)在能量传输时隙，存储的电能驱动信号发生器、功率放大器和信号调制器工作，并为它们补充电能；

(307)信号发生器产生任意信号，通过功率放大器对信号的功率进行适当放大，通过信号调制器将功率放大器的输出信号调制到特定频率，通过天线向簇头节点发射信号；

(308)簇头节点在能量传输时隙，接收本簇内所有普通节点发射的信号，并利用步骤302至步骤305，采集所有接收信号的无线能量并存储到充电电池中。

3.如权利要求1所述的一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，其特征在于，步骤2中，所述簇头节点协作频谱感知方法，具体实现步骤包括：

(201)每个簇头节点在本地感知时隙，采用能量检测方法独立的对主用户进行本地频谱感知，通过将接收信号的能量统计值和检测门限作比较，获得对主用户的本地检测结果；

(202)每个簇头节点在协作交互时隙对应分配的子时隙内，向其它簇头节点报告本地检测信息；

如果本地检测主用存在，报告信息为1，否则，报告信息为0；

(203)簇头节点根据接收到的所有报告信息，对主用户是否存在进行判断：

当半数或者超过半数的报告信息均为1，则判断主用户存在于频谱中；

当超过半数的报告信息均为0，则判断主用户不存在于频谱中。

4.如权利要求1所述的一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，其特征在于，步骤2中，所述簇头节点协作频谱感知方法，具体实现步骤包括：

(211)每个簇头节点在本地感知时隙，采用能量检测方法独立的对主用户进行本地频谱感知，簇头节点获得接收信号的能量统计值；

(212)每个簇头节点在协作交互时隙对应分配的子时隙内，向其它簇头节点报告本地感知的能量统计值；

(213)簇头节点采用能量检测方法，对接收到的所有能量统计值再次进行统计平均，并得到全局能量统计值，将全局能量统计值和全局检测门限作比较，获得对主用户存在与否的最终判决。

5.如权利要求4所述的一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，其特征在于，步骤(213)中，所述能量检测方法，具体实现步骤包括：

(1)接收主用户频谱中的信号，并对接收信号采样，采样频率为信号最高频率的二倍以上；

(2)将信号采样点的幅度值平方，获得采样点的能量值；

(3)对所有采样点的能量值统计平均，即累加求和再求均值，获得能量统计值；

(4)将能量统计值和检测门限作比较，检测门限选取为频谱中噪声最大时的噪声功率；

如果能量统计值大于检测门限，判定主用户存在于频谱中，否则判定主用户不存在于频谱中。

6.如权利要求2所述的一种基于无线能量的认知网络分簇协作频谱感知方法，其特征在于，步骤304中，所述整流电路具体为半波整流电路、全波整流电路、电压倍增电路或整流天线中的一种。