一種基于無線能量的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)作頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種基于無線能量的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)作頻譜感知方法，涉及無線電 通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，無線頻譜由政府部門授權(quán)給特定的主用戶來使用，近年來，隨著通信用戶的 急劇增長(zhǎng)，無線頻譜資源越顯匱乏，因此，人們提出認(rèn)知無線電技術(shù)來提高現(xiàn)有頻譜的利用 率。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)基于認(rèn)知無線電，是一種智能的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它能夠感知周圍的頻譜環(huán)境， 發(fā)現(xiàn)并接入主用戶未使用的空閑頻譜，從而達(dá)到高效利用頻譜的目的。為了在接入主用戶 頻譜時(shí)不對(duì)主用戶產(chǎn)生任何干擾，頻譜感知是最關(guān)鍵的一步，也是認(rèn)知無線電最核心的技 術(shù)，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)只有通過頻譜感知檢測(cè)到主用戶不存在于頻譜中，才允許利用頻譜傳輸數(shù)據(jù)。 認(rèn)知無線電廣泛使用的單節(jié)點(diǎn)頻譜感知方法是能量檢測(cè)方法，然而，如果主用戶處于嚴(yán)重 的信道衰落或者陰影效應(yīng)中，由于接收到的主用戶能量十分微弱，單節(jié)點(diǎn)頻譜感知的性能 會(huì)顯著降低。為了解決這一問題，人們提出利用認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)位于不同空間區(qū)域的節(jié)點(diǎn) 協(xié)作感知主用戶，節(jié)點(diǎn)間協(xié)作交互各自的本地感知信息，節(jié)點(diǎn)通過融合檢測(cè)對(duì)主用戶不同 區(qū)域的感知信息，能夠顯著提高頻譜感知性能。目前，關(guān)于協(xié)作頻譜感知的研宄主要致力于 提高頻譜感知性能，因此存在以下缺陷：
[0003] (1)協(xié)作頻譜感知中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)需要一定的時(shí)間協(xié)作交互感知信息，協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)越 多，協(xié)作交互的時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間越短，因此為了降低時(shí)間開銷，需要 選擇少量的合適節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作。
[0004] (2)協(xié)作頻譜感知中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)需要消耗一定的能量協(xié)作交互感知信息，相應(yīng)的用 于數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰繒?huì)降低，因此為了降低能量開銷，需要為協(xié)作節(jié)點(diǎn)額外補(bǔ)充電能。
[0005] 無線能量采集和傳輸是指：發(fā)射端利用射頻器件將電能轉(zhuǎn)化成電磁波，通過天線 定向或全向地輻射出去，在遠(yuǎn)處的接收端使用天線接收輻射的電磁波，利用能量采集技術(shù) 將電磁波重新轉(zhuǎn)化成電能并存儲(chǔ)起來，從而實(shí)現(xiàn)無線能量的遠(yuǎn)距離傳輸。目前，全世界廣泛 研宄的空間太陽能發(fā)電站就是基于該項(xiàng)技術(shù)，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，利用電能產(chǎn)生微波信 號(hào)并向地面站發(fā)射，地面站采集微波信號(hào)的能量并重新轉(zhuǎn)化成電能，達(dá)到為地面供電的目 的。無線能量采集和傳輸不但能夠充分利用環(huán)境中浪費(fèi)的電磁能量，節(jié)約系統(tǒng)能源，而且其 建設(shè)成本常常低于布設(shè)電源線的成本或更換電池所需的日常維護(hù)成本，因此用采集的無線 能量供電的方法擁有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。將能量采集技術(shù)融入認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)感知主 用戶的同時(shí)采集主用戶發(fā)射信號(hào)的無線能量，通過利用采集的能量供電來補(bǔ)充協(xié)作頻譜感 知的耗能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于無線能量的 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)作頻譜感知方法，克服當(dāng)前協(xié)作頻譜感知中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)的協(xié)作交互需要消 耗一定的時(shí)間和能量開銷，導(dǎo)致協(xié)作節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間和能量降低的問題。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種基于無線能量的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)作頻譜感知方法，包括認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)和基于無線能量采集和傳輸?shù)姆执貐f(xié)作頻譜感知，其中，
[0009] 所述認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)分為協(xié)作頻譜感知時(shí)隙、能量采 集時(shí)隙和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙，所述協(xié)作頻譜感知時(shí)隙包括本地感知時(shí)隙和協(xié)作交互時(shí)隙，所述 協(xié)作交互時(shí)隙包括K個(gè)子時(shí)隙；
[0010] 所述認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)的基于無線能量采集和傳輸?shù)姆执貐f(xié)作頻譜感知方法，具體 步驟包括：
[0011] 步驟1、將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的N個(gè)節(jié)點(diǎn)平均分為K個(gè)簇，并為每個(gè)簇選擇一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)， K個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作頻譜感知；
[0012] 步驟2、采用簇頭節(jié)點(diǎn)協(xié)作頻譜感知方法檢測(cè)主用戶是否存在于頻譜之中：
[0013] 如果在協(xié)作頻譜感知時(shí)隙檢測(cè)到主用戶不存在，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙接入主 用戶頻譜并傳輸信息；否則，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙不接入主用戶頻譜、不傳輸信息，并 等待下一幀重新檢測(cè)主用戶；
[0014] 步驟3、每個(gè)簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)在協(xié)作頻譜感知時(shí)隙和能量傳輸時(shí)隙，采用普通節(jié)點(diǎn) 無線能量采集和傳輸方法，分別采集和傳輸主用戶發(fā)射信號(hào)的無線能量。
[0015] 步驟4、簇頭節(jié)點(diǎn)在能量傳輸時(shí)隙，采集本簇內(nèi)所有普通節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的無線能 量，并將無線能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)電能存儲(chǔ)到可充電電池中，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙傳輸 信息時(shí)，利用存儲(chǔ)的電能補(bǔ)充協(xié)作頻譜感知所消耗的能量，保證簇頭節(jié)點(diǎn)擁有足夠的傳輸 能量。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟1中采用的分簇和簇頭選擇方法，由以 下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0017](101)計(jì)算主用戶s和N個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)叫之間的距離d(s,mJ，選擇d(s,nii)最 小的前K個(gè)節(jié)點(diǎn)mk作為K個(gè)簇的初始簇頭節(jié)點(diǎn)，其中，i= 1，2,…，N，k= 1，2,…，K;
[0018](102)初始化每個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)集合Qk= {mk}以及初始簇中心ck= mk;
[0019] (103)對(duì)于剩余N-K個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)mjlj每個(gè)簇k的簇中心ck的 距離d(nii，ck)，選擇d(nii，ck)最小的簇，將叫歸類到相應(yīng)的簇節(jié)點(diǎn)集合中，即
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于無線能量的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于：包括認(rèn)知網(wǎng)絡(luò) 的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于無線能量采集和傳輸?shù)姆执貐f(xié)作頻譜感知，其中， 所述認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)分為協(xié)作頻譜感知時(shí)隙、能量采集時(shí) 隙和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙，所述協(xié)作頻譜感知時(shí)隙包括本地感知時(shí)隙和協(xié)作交互時(shí)隙，所述協(xié)作 交互時(shí)隙包括K個(gè)子時(shí)隙； 所述認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)的基于無線能量采集和傳輸?shù)姆执貐f(xié)作頻譜感知方法，具體步驟 包括： 步驟1、將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的N個(gè)節(jié)點(diǎn)平均分為K個(gè)簇，并為每個(gè)簇選擇一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，K個(gè) 簇頭節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作頻譜感知； 步驟2、采用簇頭節(jié)點(diǎn)協(xié)作頻譜感知方法檢測(cè)主用戶是否存在于頻譜之中： 如果在協(xié)作頻譜感知時(shí)隙檢測(cè)到主用戶不存在，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙接入主用戶 頻譜并傳輸信息；否則，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙不接入主用戶頻譜、不傳輸信息，并等待 下一幀重新檢測(cè)主用戶； 步驟3、每個(gè)簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)在協(xié)作頻譜感知時(shí)隙和能量傳輸時(shí)隙，采用普通節(jié)點(diǎn)無線 能量采集和傳輸方法，分別采集和傳輸主用戶發(fā)射信號(hào)的無線能量。 步驟4、簇頭節(jié)點(diǎn)在能量傳輸時(shí)隙，采集本簇內(nèi)所有普通節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的無線能量，并 將無線能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)電能存儲(chǔ)到可充電電池中，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙傳輸信息 時(shí)，利用存儲(chǔ)的電能補(bǔ)