CN110602758B - 一种基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法,该方法中认知网络通过频谱感知判断主网络的授权频谱是否空闲,如果授权频谱被占用,认知中继节点通过无线能量收集方式收集主用户发送端发射的能量;否则认知网络进入携能中继通信方式,认知中继节点利用收集到的能量转发认知用户发送节点的信息到认知用户接收节点。认知中继节点通过多个时隙无线能量收集,然后转发信息,能够获取更多的能量,有效提高中继转发效率。
Description
技术领域
本发明属于认知无线通信中无线携能通信技术领域,尤其是一种基于认知携能中继通信方法。
背景技术
随着无线网络的形成和快速发展,大规模通信流量存在两个现实挑战。首先,无线频谱资源稀缺,且大部分分配的频谱尚未得到充分利用,其次,快速增长的能量消耗增加了通信成本和困难;认知无线电技术通过感知主用户的授权频谱是否空闲,允许认知用户接入空闲的授权频谱,可以有效提高频谱资源的利用率;基于中继传输的无线携能通信技术可以使得中继节点通过无线能量收集方法,利用收集到的能量协助转发信息,可显著提高通信网络的能量效率,然而现有的认知携能中继通信方法中,认知网络中的中继节点只在单个时隙里进行无线能量收集,然后利用收集到的能量转发认知用户的信息,导致中继节点收集到的能量非常有限,从而限制中继转发效率。
发明内容
针对现有认知携能中继通信方法能量收集和中继转发效率低的问题,本发明提供一种基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法,认知携能中继通信系统由一个主网络和认知网络组成;主网络包含一个主用户发送端PT和一个主用户接收端PR;认知网络包含一个认知用户发送节点CT、一个认知中继节点CR和一个认知用户接收节点CD,所述基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法包括以下步骤:
1)认知网络通过频谱感知方法判断主网络的授权频谱是否空闲,如果主网络的授权频谱被占用,则认知中继节点CR通过无线能量收集方式收集主用户发送端PT发射的能量;否则认知网络计算认知用户发送节点通过认知中继节点携能中继发送信息获得的速率Rsd,i;
2)如果Rsd,i≥RT,则认知中继节点进入携能中继通信方式,认知中继节点CR在前半个时隙利用一部分收到的功率进行能量接收,利用另外一部分功率进行信息解码,然后在后半个时隙利用接收到的能量转发认知用户发送节点CT的信息到认知用户接收节点CD;否则认知网络停止发送信息;
认知中继节点的功率分配问题建模为:
满足以下条件
其中,Rsd,i表示认知用户发送节点通过认知中继节点携能中继发送信息获得的速率,RT表示认知网络的目标速率,表示第i个时隙授权频带的感知状态, 表示授权频带空闲,表示授权频带被占用,Esr,i表示认知中继节点CR在第i个时隙携能中继通信方式下收集的能量,Epr,j表示认知中继节点CR在第j(j≠i)个时隙通过无线能量收集方式收集的能量,Erm表示认知中继节点CR的电池容量存储上限,λi表示认知中继节点CR用于信息解码的功率分配比例;
通过数学推导获得上述认知中继节点的最优功率分配比例:
其中, 表示第j个时隙授权频带的感知状态, 表示授权频带空闲,表示授权频带被占用,Pp,j表示主用户发送端PT在第j个时隙的发送功率,Ps,i表示认知用户发送节点CT在第i个时隙的发送功率,Pc表示认知中继用户CR的电路固有消耗,hpr,j、hsr,i和hrd,i分别表示PT-CR、CS-CR和CR-CD的链路信道增益,d1、d2和d3分别表示PT-CR、CS-CR和CR-CD的链路距离,θ表示路径损耗指数,和分别表示CS-CR、CR-CD链路中和认知中继节点功率分割机中的噪声功率,η1和η2分别表示认知中继节点CR在无线能量收集和携能中继通信方式下的能量转换效率。
进一步,所述步骤1)中,认知用户发送节点通过认知中继节点携能中继发送信息获得的速率表示为:
Rsd,i=min{Rsr,i,Rrd,i} (4)
其中,Rsr,i和Rrd,i分别表示第i个时隙认知中继节点CR和认知用户接收节点CD的信息接收速率,表示为:
其中T表示时隙长度;
认知中继节点CR通过无线能量收集方式收集到的能量表示为:
再进一步,所述步骤2)中,认知中继节点CR携能中继通信方式下收集的能量表示为:
认知中继节点CR转发功率表示为:
本发明的技术构思为:现有认知携能中继通信方法中,认知网络中的中继节点只在单个时隙里进行无线能量收集,然后利用收集到的能量转发认知用户的信息,导致中继节点收集到的能量非常有限,从而限制中继转发效率。本专利方法中认知中继节点通过多个时隙无线能量收集,然后转发信息,能够获取更多的能量,有效提高中继转发效率。
本发明的有益效果主要表现在:增加认知中继节点的能量获取,提高中继转发效率。
附图说明
图1是本发明方法中基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信网络模型示意图;
图2是本发明方法中不同认知用户发送节点发送功率下认知中继节点的功率最优分配比例变化图;
图3是本发明方法中不同认知用户发送节点发送功率下认知网络速率变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1~图3,一种基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法,是基于现有的认知无线通信系统实现的,所述的认知携能中继系统由主网络和认知网络构成,其中主网络包含一个主用户发送端PT和一个主用户接收端PR;认知网络包含一个认知用户发送节点CT、一个认知中继节点CR和一个认知用户接收节点CD。
本实施方式的方法中,认知网络通过频谱感知判断主网络的授权频谱是否空闲,如果授权频谱被占用,认知中继节点CR通过无线能量收集方式收集主用户发送端PT发射的能量;否则认知网络进入携能中继通信方式,认知中继节点CR利用收集到的能量转发认知用户发送节点CT的信息到认知用户接收节点CD。
本实施方式中认知用户发送节点通过认知中继节点携能中继发送信息获得的速率,认知中继节点CR通过无线能量收集方式收集主用户发送端PT发射的能量和认知中继节点CR转发功率可以通过以下方法获得:
Rsd,i=min{Rsr,i,Rrd,i} (4)
其中,表示第j个时隙授权频带的感知状态, 表示授权频带空闲,表示授权频带被占用,T表示时隙长度,η1表示认知中继节点CR在无线能量收集的能量转换效率,Pp,j表示主用户发送端PT在第j个时隙的发送功率,hpr,j表示PT-CR的链路信道增益,d1表示PT-CR的距离,θ表示路径损耗指数,Pc表示认知中继用户CR的电路固有消耗,Esr,i表示认知中继节点CR在第i个时隙携能中继通信方式下收集的能量,Rsr,i和Rrd,i分别表示第i个时隙认知中继节点CR和认知用户接收节点CD的信息接收速率,表示为:
其中,λi表示认知中继节点CR用于信息解码的功率分配比例,表示第j个时隙授权频带的感知状态, 表示授权频带空闲,表示授权频带被占用,η2表示认知中继节点CR在携能中继通信方式下的能量转换效率,Ps,i表示认知用户发送节点CT在第i个时隙的发送功率,hsr,i和hrd,i分别表示CS-CR和CR-CD的链路信道增益,d2和d3分别表示CS-CR和CR-CD的距离,和分别表示PT-CR、CS-CR、CR-CD链路中和认知中继节点功率分割机中的噪声功率。
本实施方式中功率分配比例方法为:
认知中继节点的功率分配问题建模如下
满足以下条件
通过数学推导获得上述认知中继节点的最优功率分配比例:
本实施的基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法,能够增加认知中继节点的能量获取,提高中继转发效率。
本实施的认知携能中继通信方法中,认知中继节点在授权频谱被占用时,通过无线能量收集方式收集主用户发送端PT发射的能量,在授权频谱空闲时,进入携能中继通信方式,认知中继节点CR利用收集到的能量转发认知用户发送节点CT的信息到认知用户接收节点CD,能够增加认知中继节点的能量获取,提高中继转发效率。
本实施方式中主用户发送端的发送功率固定为1W,噪声功率为10-7W,认知中继节点CR在无线能量收集和携能中继通信方式下的能量转换效率均设置为η1=η2=1,主用户发送端与认知中继用户之间距离设为d1=5,认知网络中节点间距离设为d2=d3=2,路径损耗指数为θ=2.7,时隙长度T=1ms,认知网络的目标速率设置为RT=18bps。
图2中显示,随着认知中继节点收集主用户发送端能量的时隙逐渐增加,用于信息解码的功率分配比例逐渐增大。图3中显示,随着认知中继节点收集主用户发送端能量的时隙逐渐增加,认知网络的速率逐渐增大。
Claims (3)
1.一种基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法,认知携能中继通信系统由一个主网络和认知网络组成;主网络包含一个主用户发送端PT和一个主用户接收端PR;认知网络包含一个认知用户发送节点CT、一个认知中继节点CR和一个认知用户接收节点CD,其特征在于,所述基于多时隙无线能量收集的认知携能中继通信方法包括以下步骤:
1)认知网络通过频谱感知方法判断主网络的授权频谱是否空闲,如果主网络的授权频谱被占用,则认知中继节点CR通过无线能量收集方式收集主用户发送端PT发射的能量;否则认知网络计算认知用户发送节点通过认知中继节点携能中继发送信息获得的速率Rsd,i;
2)如果Rsd,i≥RT,则认知中继节点进入携能中继通信方式,认知中继节点CR在前半个时隙利用一部分收到的功率进行能量接收,利用另外一部分功率进行信息解码,然后在后半个时隙利用接收到的能量转发认知用户发送节点CT的信息到认知用户接收节点CD;否则认知网络停止发送信息;
认知中继节点的功率分配问题建模为:
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其中,Rsd,i表示认知用户发送节点通过认知中继节点携能中继发送信息获得的速率,RT表示认知网络的目标速率,表示第i个时隙授权频带的感知状态, 表示授权频带空闲,表示授权频带被占用,Esr,i表示认知中继节点CR在第i个时隙携能中继通信方式下收集的能量,Epr,j表示认知中继节点CR在第j(j≠i)个时隙通过无线能量收集方式收集的能量,Erm表示认知中继节点CR的电池容量存储上限,λi表示认知中继节点CR用于信息解码的功率分配比例;
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