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】
[0001] 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】
[0002] 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宄主要致力于 提高频谱感知性能，因此存在以下缺陷：
[0003] (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。
[0004] (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。
[0005] 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 研宄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】
[0006] 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。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] -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，
[0009] 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；
[0010] 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：
[0011] 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；
[0012] 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：
[0013] 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；
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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：
[0017](101)计算主用户s和N个认知网络节点叫之间的距离d(s,mJ，选择d(s,nii)最 小的前K个节点mk作为K个簇的初始簇头节点，其中，i= 1，2,…，N，k= 1，2,…，K;
[0018](102)初始化每个簇的节点集合Qk= {mk}以及初始簇中心ck= mk;
[0019] (103)对于剩余N-K个节点，计算每个节点mjlj每个簇k的簇中心ck的 距离d(nii，ck)，选择d(nii，ck)最小的簇，将叫归类到相应的簇节点集合中，即
【主权项】
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