[发明专利]兼顾能量有效性与传输可靠性的认知中继节点选择方法

说明书

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，涉及无线通信系统中的认知无线网络技术、多认知节点在协作感知与协作传输中的能量有效性和传输可靠性研究，实现频谱感知准确度与传输能量有效性之间的有效折衷，具体是一种兼顾能量有效性与传输可靠性的认知中继节点选择方法。

背景技术

认知无线电(Cognitive Radio,CR)亦称为感知无线电，它可在不影响主用户(Primary Users,PUs)通信的前提下，智能地利用大量空闲频谱以满足次用户(Secondary Users,SUs)即认知用户(Cognitive Users,CUs)的可靠通信，从而提高无线频谱的利用率，实现频谱资源共享。认知用户能够实时感知无线通信系统周围的网络环境，通过对环境的理解、主动学习来动态地调整网络参数以适应外部环境的变化。

认知无线电具备极高的频谱使用效率，允许在时间、频率以及空间上进行多维信道复用，它通过机会通信方式提高频谱利用率，充分利用有限的频谱资源，实现动态频谱共享。CR技术将大大降低了由于频段和带宽的限制对无线技术发展的束缚，代表着无线通信技术的新发展，并已作为B4G和物联网标准中的关键技术之一。

在追求高频谱利用率、高传输效率的同时，CR对能量有效性、提高系统抗干扰性能等方面提出了更高的要求。研究表明，节点进行频谱感知与传输的功耗问题是CR网络能耗开销的主要问题。随着CR节点密度的增加和网络覆盖面积的扩大，CR的能耗问题已日益受到关注，“绿色化”已经成为未来CR网络的发展方向之一。

构造绿色节能的CR网络是未来CR的发展趋势。在绿色CR网络中，必须考虑在CR节点能量有效性的前提下，利用多个CR节点进行协作感知与协作传输以提高感知准确度与传输可靠性。绿色CR网络目的是在保证主用户通信服务质量(Quality of Service,QoS)的前提下，通过CR无线能效管理，在提高频谱利用率和保障CR节点可靠传输的同时尽可能减少CR网络的能耗。

发明内容

本发明公开了一种兼顾能量有效性和传输可靠性的认知中继节点选择方法。考虑到CR网络中节点能量受限，且节点协作传输中可能产生的误码问题，提出了一种在频谱感知漏检概率和协作传输误码率约束下基于能量有效性的最优中继节点选择方法(Energy Awareness Optimal Relay Selection,EAORS)。该方法通过构造感知阶段与传输阶段的加权能耗目标函数，同时考虑协作感知时的漏检概率与协作传输时的误码率，通过数值计算求解非线性凸优化问题得到最优中继数。具体而言，该方法构造的加权能耗目标函数、协作感知漏检概率函数与协作传输误码率函数均是中继节点的凸函数，即构造的优化问题为非线性凸优化问题，从而通过数值计算确定在不同归一化感知时隙长度、不同接收信噪比要求和不同调制方式等场景下的最优认知中继节点数。同时，与基于压缩感知的协作检测方案相比，在相同感知时隙长度与调制方式下，该方法的能耗明显低于基于压缩感知的协作检测方案。该方法有效折衷了频谱感知准确度与节点能量有效性。该方法对于实现在认知无线网络中高效协作感知与可靠协作传输的同时保障节点的能量有效性，具有一定的意义。

本发明方法的具体步骤如下：

(1)频谱感知阶段1：PU发射机与PU接收机在通信的同时，SU发射机与N个认知中继节点(SUR)对PU频谱占用情况进行协作检测，以获取可利用的空闲频谱。

(2)频谱感知阶段2：N个认知中继节点将本地频谱感知结果通过N个正交报告信道汇报给SU发射机。SU发射机根据一定的准则进行感知数据融合与全局检测。

(3)协作传输阶段1：SU发射机兼顾N个认知中继节点在协作感知与协作传输过程中的能耗、协作感知的漏检概率门限与协作传输的误码率要求，在频谱感知漏检概率和协作传输误码率约束下基于能量有效性的最优中继选择方法(EAORS)选择K个最佳认知中继节点。同时，认知用户发射机将信号发送给所选的K个认知中继节点。

(4)协作传输阶段2：所选的K个认知中继节点将信号协作传输至认知用户接收机，认知用户接收机通过最大比合并准则进行信号重构。

在本方法中，步骤(1)和步骤(2)为协作感知阶段，采用参数α表征归一化感知时隙长度，步骤(3)和步骤(4)为协作传输阶段，采用参数1-α表征归一化传输时隙长度。其中，步骤(3)是本方法实现的关键。

(一)认知用户协作感知阶段