本发明涉及一种认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，属于认知无线电技术领域。
背景技术：
传统的无线通信使用固定的频谱分配方法，政府把这些资源分配给授权用户或用来长时间为一个大的地理区域服务，但是这些授权的频谱利用率很低。认知无线电(cognitiveradio)可以解决频谱需求日益增长与频谱稀缺、利用率低之间的矛盾。它允许非授权用户(secondaryuser，也称认知用户)接入授权用户(primaryuser，也称主用户)的频谱。其中，认知用户利用频谱感知技术检测主用户使用频谱的情况，以发现主用户未使用的频谱空穴(spectrumhole)，然后利用被发现的频谱空穴进行认知用户间的数据传输。而当主用户再次出现要使用频谱时，认知用户必须让出这段频谱，以保护主用户的服务质量(qos)需求。
能量收集(energyharvesting)作为一种绿色节能技术被工业界和学术界广泛关注。无线网络的能量收集指通信节点从周围环境，如太阳、风、热和空间射频信号等，收集能量供节点工作。上述所提当主用户再次出现要使用频谱时，认知用户必须让出这段频谱的问题，就可以利用能量收集技术，将此时主用户使用频谱时所发射的信号收集起来，供认知用户工作能量来源。为充分利用主用户所发射的射频信号，有文献《收集主用户信号能量的认知无线电网络的吞吐量》(bhowmick,s.roy,ands.kundu,“throughputofacognitiveradionetworkwithenergy-harvestingbasedonprimaryusersignal,”ieeewirelesscommun.lett.,vol.5,no.2,pp.136–139,apr.2016.)将频谱感知和能量收集同时在认知节点完成，即利用功率分配电路，无线节点同时实现信息接收和能量收集。
然而，如果主用户所发射的射频信号能量，被认知节点按比例分配后同时进行频谱感知和能量收集，则由于功率分配比例小于1，使得用于频谱感知的能量减少。这会影响频谱感知性能的下降，尤其对使用能量检测方法进行频谱感知的性能影响更明显，因为能量检测的原理就是根据接收信号能量大小与门限值比较，来确定主用户是否在使用频谱的。类似地，也会减小收集到的能量的数量。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，
在检测主用户阶段，认知用户和n个认知中继共同检测主用户是否占用频谱；
若认知用户检测到主用户占用频谱：在报告阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量，收集k个认知中继发射的本地检测结果信号能量，其中，k个认知中继检测到主用户未占用频谱，k≤n；在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；
若认知用户检测到主用户未占用频谱：在报告阶段，认知用户接收k个认知中继发射的本地检测结果信号，认知用户将接收到并成功解码的k1个本地检测结果和n-k1个默认值进行融合，根据融合结果判断主用户是否占用频谱，其中，k个认知中继检测到主用户未占用频谱，k≤n，k1≤k；如果融合结果判决为主用户占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；如果融合结果判决为主用户未占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户利用检测到的主用户频谱通信。
认知用户和认知中继采用能量检测的方法检测主用户是否占用频谱，即接收到主用户发射机的射频信号在某一时间段内的能量值，将其与预设的能量门限相比，根据比较结果进行判决，从而获取本地检测结果；其中，认知用户预设的能量门限值大于认知中继预设的能量门限值。
检测到主用户未占用频谱的认知中继，利用检测到的主用户频谱，将本地检测结果信号发送给认知用户；其中被检测到的主用户频谱分为n个子信道，每个认知中继占用1个子信道；同时认知中继的发射功率和本地检测概率需要满足一定的约束条件。
检测到主用户占用频谱的认知中继，不向认知用户发送检测结果，而是转换到休眠节能模式，直到下一个频谱感知周期到来为止。
主用户是否占用频谱的最终判决方法为，如果认知用户的本地检测结果为主用户占用频谱，则该检测结果即为最终判决结果；如果认知用户本地检测结果为主用户未占用频谱，则认知用户作为融合中心，根据融合结果给出最终判决。
认知用户收集能量的过程包括以下两部分：一是在主用户占用频谱，且认知用户也检测到这个事实时，认知用户在报告阶段同时收集来自k个本地检测结果信号能量和主用户发射机的射频信号能量，在信息传输阶段认知用户继续收集来自主用户发射机的射频信号能量；二是在主用户占用频谱，但认知用户未检测到这个事实，而融合k1个本地检测结果和n-k1个默认值后最终判决发现这个事实时，认知用户在信息传输阶段收集来自主用户发射机的射频信号能量。
认知用户收集到的总能量可表示为：
其中，eh为收集到的总能量，t为频谱感知和信息传输的周期，η为能量转换效率，0＜η＜1，pa为主用户未占用频谱的概率，pr为认知中继的发射功率，pp为主用户发射机的发射功率，ρi为第i个认知中继的休眠概率，pds为认知用户的本地检测概率，|hrs|2为认知中继到认知用户的信道增益，|hps|2为主用户到认知用户的信道增益，pdf为融合后认知用户处的全局检测概率，τd和τr分别为检测主用户阶段和报告阶段的开销，0＜τd＜1，0＜τr＜1。
本发明所达到的有益效果：本发明利用主用户发射机的射频信号，完成频谱感知，又对其进行了能量收集，利用认知用户和多认知中继协作频谱感知相结合的方法，在主用户发射信号强时，认知用户检测结果即为最终检测结果，提高了检测效率；在主用户发射信号弱时，多认知中继协作频谱感知(即融合)提高了检测结果的可靠性，同时收集的能量既包括主用户发射机的射频信号，也包括多认知中继发送的本地检测结果信号，使收集的能量数量得到了增加，这样本发明既能够提高对主用户的检测概率，又能够延长认知用户的使用寿命，减少或者无需周期性电池更换。
附图说明
图1为认知无线网络和主用户网络的共存模型，
图2为本发明的时隙图；
图3为本发明的流程图；
图4为本发明的全局虚警概率和检测概率性能图；
图5为本发明的收集和消耗能量性能图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，主用户发射机put和接收机pur在主用户网络中，认知无线网络中有一个认知用户su和n个认知中继，表示为{sri|i＝1,2,...,n}，其中su具有收集空间射频信号能量的功能，图2为时隙图，频谱感知和信息传输的周期为t，按时间顺序分为检测主用户阶段、报告阶段和数据传输阶段，时间分别为τdt、τrt和(1-τd-τr)t，τd和τr分别为检测主用户阶段和报告阶段的开销，0＜τd＜1，0＜τr＜1。
如图3所示，认知无线网络中带能量收集的频谱感知和信息传输方法，具体如下：
1)在检测主用户阶段，认知用户su和n个认知中继sr共同检测主用户是否占用频谱。
认知用户和认知中继采用能量检测的方法检测主用户是否占用频谱，即接收到主用户发射机的射频信号在某一时间段内的能量值，将其与预设的能量门限相比，根据比较结果进行判决，从而获取本地检测结果，其中，认知用户预设的能量门限值大于认知中继预设的能量门限值。
设第i个认知中继sri接收到主用户发射机的射频信号能量为εi，则sri的判决规则为，
其中，λ1为sri中预设的能量门限，
sri的本地检测概率和虚警概率分别表示为，
其中，pdi(λ1)为sri的本地检测概率，pfi(λ1)为sri的虚警概率，pr{}表示条件概率，u＝btτd为时间带宽积，t为主用户占用频谱的带宽，γi为sri接收到的射频信号信噪比，γ()为非完全gamma函数，
因为不同认知中继的噪声方差相同，所以有pf1(λ1)＝pf2(λ1)＝…＝pfn(λ1)，下面用pf(λ1)代替pfi(λ1)。但是，由于γi的值不同，本地检测概率不能做同样的简化。
同样，用εs表示su接收到主用户发射机的射频信号能量，则su的判决规则为，
其中，λ2为su中预设的能量门限，且λ2＞λ1，则su的本地检测概率和虚警概率分别表示为，
其中，γs为su接收到的射频信号信噪比，
2)若认知用户检测到主用户占用频谱，这意味主用户发射机的射频信号很强，即主用户对认知用户的干扰很强，则不考虑认知中继的本地检测结果而直接做出最终判决，即主用户占用频谱，此时认知用户的全局检测概率和虚警概率分别为，
pdg＝pds(λ2)(1)
pfg＝pfs(λ2)(2)
而在接下来的报告阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量，收集k个认知中继发射的本地检测结果信号能量，其中，k个认知中继检测到主用户未占用频谱，k≤n；随后在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量。
检测到主用户未占用频谱的认知中继，对本地检测结果进行循环冗余编码，然后利用检测到的主用户频谱，将编码后得到的本地检测结果信号发送给认知用户。为了避免多个认知中继同时发送信号时造成相互干扰，被检测到的主用户频谱分为n个子信道，每个认知中继占用1个子信道。
检测到主用户占用频谱的认知中继，不向认知用户发射本地检测结果信号，以避免对主用户通信造成干扰，而是转换到休眠模式，以节省能量耗损，直到下一个频谱感知周期到来；其中第i个认知中继sri的休眠概率ρi为，
ρi＝pr{εi≥λ1}＝pr{εi≥λ1|h1}pr{h1}+pr{εi≥λ1|h0}pr{h0}
＝pdi(λ1)(1-pa)+pf(λ1)pa
式中，pa＝{h0}为主用户未占用频谱的概率。
当认知中继检测到主用户未占用频谱的这个结果为误检时(即实际上主用户在占用频谱，而认知中继错误地检测为主用户未占用频谱)，认知中继向认知用户发送本地检测结果信号，会对主用户接收机造成的干扰。要对这种干扰进行限制，以保护主用户的正常通信。主用户正常通信需要满足主用户的传输中断概率ppuout低于预设门限值pout_th，即ppuout≤pout_th。主用户传输中断概率可表达为，
其中，sir为主用户接收机接收到的信号干扰比，sirth为主用户接收机的信号干扰比门限，pp为主用户发射机的发射功率，
由上式可见，认知中继对主用户接收机造成的干扰，可通过降低认知中继的发射功率和增加认知中继的本地检测概率来控制。
3)若认知用户检测到主用户未占用频谱，这意味着主用户发射机的射频信号不是很强，此时为了提高检测结果的可靠性，认知用户作为融合中心，接收k个认知中继发射的本地检测结果信号，认知用户将接收到并成功解码的k1个本地检测结果和n-k1个默认值，根据融合结果判断主用户是否占用频谱，其中，k个认知中继检测到主用户未占用频谱，k≤n，有k1个本地检测结果被接收并成功解码，k-k1个本地检测结果接收失败(如发生中断)，n-k个不向认知用户发射本地检测结果信号，接收失败或者没有发送本地检测结果信号的，认知用户会设一个默认值，即n-k1个默认值。如果融合后判决主用户占用频谱，则在信息传输阶段，认知用户收集主用户发射机的射频信号能量；否则，在信息传输阶段，认知用户利用检测到的主用户频谱通信。
认知用户作为融合中心，它的融合判决方法如下：
定义his表示认知用户对第i个认知中继发来的本地检测结果信号做判决的事件，当认知用户对第i个认知中继发来的本地检测结果信号判决结果为主用户占用频谱时用his＝1表示，当认知用户对第i个认知中继发来的本地检测结果信号判决结果为主用户未占用频谱时用his＝0表示。dsu表示认知用户融合认知中继本地判决结果后的最终判决事件，当融合后的最终判决为主用户占用频谱时用dsu＝1表示，当融合后的最终判决为主用户未占用频谱时用dsu＝0表示。
认知用户对认知中继本地检测结果信号的判决规则为：当认知中继检测到主用户占用频谱，或是检测到主用户未占用频谱的认知中继向认知用户发送本地检测结果时发生中断，认知用户都判决为his＝1；当认知中继检测到主用户未占用频谱，并且向认知用户发送时未发生中断，认知用户判决为his＝0。上述判决规则可表示为
其中，θis＝1表示认知中继向认知用户发送本地检测结果信号时发生中断的事件，θis＝0表示认知中继成功向认知用户发送本地检测结果信号的事件。根据香农定理，如果信道容量大于信息传输速率，则信息传输不发生中断，因此，θis＝0的概率表示为，
其中，
因为只有当认知中继检测到主用户未占用频谱时才发送本地检测结果，故而采用“与”融合规则进行融合，即只要有一个his＝0，那么dsu＝0，否则dsu＝1。经过“与”融合后认知用户的全局检测概率和虚警概率分别为，
综合上述认知用户检测结果为主用户占用和未占用频谱的两种情况，结合式(1)—(4)，可以得到认知用户的全局检测概率和虚警概率分别为
pdg＝pds(λ2)+(1-pds(λ2))pdf(5)
pfg＝pfs(λ2)+(1-pfs(λ2))pff(6)
认知用户收集能量的过程包括以下两部分：一是在主用户占用频谱，且认知用户也检测到这个事实时，认知用户在报告阶段同时收集来自k个认知中继发来的本地检测结果信号能量和主用户发射机的射频信号能量，在信息传输阶段认知用户继续收集来自主用户发射机的射频信号能量；二是在主用户占用频谱，但认知用户未检测到这个事实，而融合k1个本地检测结果和n-k1个默认值后最终判决发现这个事实时，认知用户在信息传输阶段收集来自主用户发射机的射频信号能量。
综上，可以将认知用户在报告阶段和传输阶段收集到的总能量表示为，
其中，eh为收集到的总能量，η为能量转换效率，0＜η＜1，pds为认知用户的本地检测概率，即pds(λ2)；
另一方面，认知用户在频谱感知和信息传输的一个周期内，消耗的总能量表示为，
ec＝pdtτd+pftτr[pa(1-pfs(λ2))+(1-pa)(1-pds(λ2))]
+ptt(1-τd-τr)[pa(1-pfg(λ2))+(1-pa)(1-pdg(λ2))]
其中，ec为消耗的总能量，pd表示认知用户在检测主用户阶段的功率损耗，pf表示认知用户在报告阶段认知中继发来的信号时的功率损耗，pt表示认知用户在信息传输阶段的功率损耗，pdg(λ2)为式(5)的认知用户的全局检测概率，pfg(λ2)为式(6)的认知用户的全局虚警概率。
可见，为保证认知用户收集到的能量能够满足其消耗能量的需求，认知用户在报告阶段和传输阶段收集到的总能量eh应大于它在频谱感知和信息传输的一个周期内消耗的总能量ec。
按照以上公式，建立使全局检测概率最大化和全局虚警概率最小化的最优化问题。通过对优化问题求解，可以获得使全局检测概率和虚警概率最优的相关参数值。
下面通过对所求优化参数进行数值仿真，来说明本发明的技术效果。图4给出了全局虚警概率门限与全局检测概率之间的关系曲线，可见，无论γs和γi大小关系如何，本发明都可以在低的虚警概率(如0.01)下获得大于0.9的高检测概率。同时，图5显示无论认知中继数目变化或是主用户发射功率变化，认知用户收集到的能量始终都能满足大于其消耗能量的要求，而且收集到的能量会随着主用户发射功率的增加而增大。因而可得，本发明在提升频谱感知性能的同时，使认知用户获得了可以保证其正常工作的充足能量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。