能量采集节点网络的中继选择和功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于感知无线电技术的能量采集节点网络的中继选择和功率分 配方法，属于无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 认知无线电（CR)是一种提高频谱利用率的智能无线通信技术，它允许次用户在 保证主用户通信质量的前提下，使用法定分配给主用户的频谱资源，次用户也可依靠频谱 感知识别未被主用户使用的空闲频谱。认知无线电具有学习能力，能与周围环境交互信息， 以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。
[0003] 基于中继转发的认知无线电合作频谱感知技术通过中继用户转发认知用户的信 号，实现网络中一个认知用户与多个认知用户之间的合作。在认知无线电网络中使用中继 技术可提高链路质量，可靠性及网络覆盖范围。本文当中提出一种基于认知无线电的中继 选择技术，中继选择以最大化网络通信容量为目标，选择速率最大的中继以放大转发技术 转发来自认知用户的信息。
[0004] 如何提高认知无线电节点的寿命是一个急需解决的问题。不同于传统认知无线电 节点，在电池消耗殆尽的同时结束通信，能量采集节点可以从外界环境中收集能量并存储 以提高节点使用寿命。在感知能量采集网络中，次级用户在一定干扰限制和能量限制下与 主用户共享频谱以传输信息。综上所述，在基于中继转发的认知无线电网络中引入能量采 集技术可以提高网络寿命，提高节点之间的通信质量等。
[0005] 基于能量采集节点的中继转发网络的中继选择和功率分配方法主要包括在线功 率分配和离线功率分配。基于现有在线功率分配算法，面临复杂度随参与调度用户数增长 过快的问题，并且对调度时间要求较高。当处理延时增加时，调度速度无法赶上信道的变 化。离线功率分配算法复杂度随参与调度用户数增长较慢，对调度时间要求较低，并可达到 最高通信速率。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是利用能量采集节点从环境中吸收能量提高网络寿命，采用中继转 发信息增加网络覆盖范围，提供一种基于感知无线电技术的能量采集节点网络的中继选择 和功率分配方法，适用于感知无线电网络，能量采集节点网络等无线数据通信环境。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
[0008] -种能量采集节点网络的中继选择和功率分配方法，该方法包括以下步骤：
[0009] (1)主用户发射机发送信息s。至主用户接收机，次级用户发射机SUi发送信息s i 至次级用户网络的J个中继。次级用户可以在一定干扰限制，不影响主用户通信的条件下 以一定的功率发送信号，或者在主用户未占用频谱时以较高的功率发射信号；
[0010] (2)依照凸优化以容量最大化为目标，以能量和对主用户干扰限制为约束条件分 配次级用户最优发射功率P%次级用户SU1在时隙Li以发射功率P$发射信号Si时使用SU1 从环境中吸收并存储的能量；
[0011] (3)计算次级用户发射机-中继链路及中继-次级用户接收机链路的信道干扰噪 声比SINR。在含有大量中继的系统中，收集通信链路瞬间状态信息CSI的方法计算量较大， 因此在本系统中，通过计算平均信道干扰噪声比SINR计算系统容量；
[0012] (4)根据链路信干比分别计算J个分组次级用户网络容量R;
[0013] (5)在J个组之间，选取容量最大的中继rj;
[0014] (6)选定的中继r.j将信息s泼送至次级用户接收机SU2。
[0015] 进一步的，步骤（1)中继接收到的信号矢量根据下述公式计算得到：
[0017] 其中，&为每个时隙接收信号矢量，共K个时隙。\为次级用户发射信号，Plil为 次级用户发射功率，乂是次级用户SU1至中继链路的信道增益，u1是主用户对次级用户的
[0018] 进一步的，步骤（1)中次级用户在时隙L1WP1*射信号81时使用次级用户从环境 中吸收并存储的能量，节点吸收能量E1，存储能量Eniax与发射功率pi之间的关系可表示为：
节点最大存储能量。本系统模型为离散时间而非连续时间，但在每个时隙中发射功率恒定。 [0021] 进一步的，步骤（3)中同时进行通信的主用户和次级用户之间互相干扰，中继和 次级用户接收端的信号干扰噪声比分别为：
[0024] 其中Plil为次级用户SU1的发射功率，我&为中继至次级用户SU2链路的信道增益， i是主用户至次级用户SU2链路的信道增益，coi是放大因子，在中继和次级用户接收端 的高斯白噪声的均值为〇,方差分别为0^
[0025] 进一步的，步骤（3)中次级用户系统容量采用下述公式确定：
[0027] 其中民为K个时隙系统总容量，SINRIpSINR2il为中继和次级用户接收端的信号 干扰噪声比SINR。
[0028] 进一步的，通过凸优化及Lagrange方程进行系统容量最大化运算。
[0034]其中，U1是次级用户SU满功率限制，IUl，L1分别是主用户对次级用户SU及中 继的干扰，0是主用户对次级用户的干扰总限制。Lagrange方程可写为
[0040] 其中心",:是主用户至次级用户SU2链路的信道增益，V2il是均值为0,方差为的 尚斯白噪声。
[0041] 进一步的，中继采用放大转发方案，能量采集中继节点从接收到的信号中收集能 量，并用收集到的能量转发来自源节点的信号至目标节点。中继的发射功率为
[0045] 其中14为中继对主用户的干扰限制，Kp为中继至主用户链路的信道增益。
[0046] 与现有技术相比较，本发明的优点如下：
[0047] 1、基于离线功率分配的能量采集节点中继网络的功率分配和中继选择方法有利 于最大化网络通信容量。
[0048] 2、中继选择以最大化网络通信容量为准则，在能量采集节点网络中使用中继有利 于增加网络覆盖范围。
[0049] 3、能量采集节点可以收集来自环境的能量并存储，利于提高节点网络寿命。
[0050] 总而言之，本发明提出的中继选择和功率分配方法，利于提高能量采集节点网络 的网络寿命，增加网络覆盖范围，最大化网络通信容量，因此具有较高的实用价值。
【附图说明】
[0051]图1为能量采集节点的中继选择和功率分配网络的系统框图；
[0052]图2为本发明实施的基于感知无线电技术的能量采集节点网络的中继选择和功 率分配方法中的全局调度算法框图；
[0053]图3为本发明实施的能量采集节点框图；
[0054]图4为在线能量算法，在线恒定功率算法和本优化算法的比较；
[0055] 图5为优化算法中精确信噪比算法，高信噪比算法和随机中继选择算法比较。
【具体实施方式】
[0056] 下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
[0057] 参考图1，图1所示为次级用户信号传输模型图。次级用户SUJP中继均为能量 采集节点，可从外界环境中吸收，存储能量。信号传输分为两个阶段：第一阶段是次级用户 SU1传输信号si至中继，发射功率为puy与此同时主用户传输信号s。至主用户接收机，设定 E{|sJ2} =E{|Sl|2} = 1，其中E{*}代表期望算子，I?I代表复数8。，81的绝对值。第二 阶段是中继发送从SU1接收的信号si，发射功率为PiP
[0058] 参考图2,图2所示为次级用户SU1,SUjP中继均为单天线系统。基于感知无线电 技术的能量采集节点单向中继网络的中继选择和功率分配算法流程如下：
[0059] (1)主用户发射机发送信息s。至主用户接收机，次级用户发射机SUi发送信息si 至次级用户网络的J个中继。次级用户可以在一定干扰限制，不影响主用户通信的条件下 以一定的功率发送信号，或者在主用户未占用频谱时以较高的功率发射信号；
[0060](2)构造使系统通信速率最大的目标函数，以能量和对主用户干扰限制为约束条 件分配次级用户最优发射功率P%不同于传统通信节点一旦电池耗尽立即结束通信，能量 采集节点可从环境中吸收能量，实现绿色通信，提高通信节点寿命。次级用户SU1在时隙L1 以发射功率K发射信号Si使用S