基于能量收集的认知无线电资源分配研究.pdf

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1、２０１７年第３１卷第２期测试技术学报Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．２２０１７（总第１２２期）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＥＳＴＡＮＤＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（ＳｕｍＮｏ．１２２）文章编号：１６７１－７４４９（２０１７）０２－０１５３－０５基于能量收集的认知无线电资源分配研究①郭艳艳，卫霞，田雯（山西大学物理电子工程学院，山西太原０３０００６）摘要：本文将能量收集及协作中继技术引入到认知无线电网络中，研究次用户作为中继节点帮助主用户转发数据的协作认知场景，提出了一种基于解码转发模式下的最优能量收集时间及功率分配策略．仿真结果表明：和直接传输相比，不仅降低了主用户的中断概率，增大了次用

2、户的传输速率，而且节省了网络传输能量，延长了网络的寿命周期．关键词：认知无线电；协作中继通信；解码转发；能量收集中图分类号：ＴＮ９１４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７４４９．２０１７．０２．０１１ＲｅｓｏｕｒｃｅＡｌｌｏｃａｔｉｏｎｉｎＣｏｇｎｉｔｉｖｅＲａｄｉｏＳｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈＥｎｅｒｇｙＨａｒｖｅｓｔｉｎｇＧＵＯＹａｎｙａｎ，ＷＥＩＸｉａ，ＴＩＡＮＷｅｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉ

3、ｓｐａｐｅｒ，ｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｒｅｌａｙｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏｔｈｅｃｏｇｎｉｔｉｖｅｒａｄｉｏｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄａｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｃｅｎａｒｉｏｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｕｓｅｒｓａｓｔｈｅｒｅｌａｙｎｏｄｅｈｅｌｐｐｒｉｍａｒｙｕｓｅｒｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｄａｔａｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｎａｏｐｔｉｍａｌｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍａｂｏｕｔｔｉｍｅａｎｄｐｏｗｅｒａｌｌｏｃａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎＤｅｃｏｄｅ

4、－ａｎｄ－ｆｏｒｗａｒｄｍｏｄｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｄｉｒｅｃｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｃｈｅｍｅｎｏｔｏｎｌｙｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｏｕｔａｇｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｒｉ－ｍａｒｙｕｓｅｒｓａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｕｓｅｒｓ＇ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｅ，ｂｕｔａｌｓｏｓａｖｅｓｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｒｏｌｏｎｇｓｔｈｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｇｎｉｔｉｖｅｒａｄｉｏ；ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｒ

5、ｅｌａｙｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｄｅｔｅｃｔ－ａｎｄ－ｆｏｒｗａｒｄ；ｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ近年来，随着无线通信的快速发展，有限的频谱资源成了限制无线通信业务快速发展的瓶颈．认知无线电（ＣｏｇｎｉｔｉｖｅＲａｄｉｏ，ＣＲ）作为一种新兴的无线通信技术，通过允许次用户伺机接入主用户的授权频［１－３］谱进行信息传输来提高频谱利用率，从而解决无线频谱紧缺问题．然而，在实际认知通信网络中，存在通信质量差、传输速率低和能量不足等，也是非常严重的问题．协作中继技术通过网络节点间的资源共享及协作，提高了无线通信的性能（如分集增益、复用增益等），从而达到高速、可靠的“绿色”通信目标．因

6、此，将协作中继技术引入到认知通信网络中，不仅可以提高用户的通信质量，而且可以增加认知用户的传输机会，提高频谱利用率．在实际认知通信网络中，即使次用户信道质量非常好，但没有足够的能量，次用户也不可能为主用［４］户中继数据．因此，这就需要寻找主用户和次用户在能量方面的合作，将能量收集（ＥｎｅｒｇｙＨａｒｖｅｓ－ｔｉｎｇ，ＥＨ）技术引入到认知无线电通信网络中，充分利用周围的绿色能源进行信息转发，从而在提高网络收稿日期：２０１６－１１－１９①作者简介：郭艳艳（１９７６－），女，副教授，博士，主要从事无线通信研究．１５４测试技术学报２０１７年第２期［５］传输性能的前提下，延长网络的生存时间

7、，达到绿色通信的目的，现已被人们所关注．文献［６］中，研究了在能量因果关系和碰撞约束下ＣＲ的预期总吞吐量，并提供了最优能量收集及分配政策；文献［７］研究了射频能量收集的认知无线网络，并将最优策略描述为马尔可夫决策过程；文献［８］中，研究了基于能量收集的认知无线电的空间频谱重复利用问题，并建模为独立齐次泊松过程．这些方案中并没有考虑对主用户的干扰，且采用了复杂的功率控制算法，不适用于实际的复杂通信环境．针对上述问题，本文提出了一种基于能量收集的解码－转发（Ｄｅｔｅｃｔ－ａｎｄ－Ｆｏ