[发明专利]基于能量协作的双向认知中继网络资源分配方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种在双向认知无线中继网络中基于系统吞吐量最大化的资源分配方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

中继技术通过在发送端和接收端引入中继节点，加强了无线通信系统的覆盖能力、 QOS保障能力，有效降低系统建设成本，先进的中继技术作为未来移动通信系统的关键技术之一已经在各大研究机构、设备商和运营商之间展开深入的研究和热烈的讨论。从中继节点的功能来分，中继通信可以分为两大类，即放大转发AF(Amplify-and-Forward) 中继和解码转发DF(Decode-and-Forward)中继；AF方式下，中继节点只对收到的信号进行简单的放大、转发处理。DF方式下，中继节点首先恢复出原始信息，然后重新编码后发射给相应用户。放大转发AF中继具有设备简单、维护方便、价格便宜等优点，但是它在放大信号的同时也放大了携带的噪声；译码转发DF中继在接收到基站发来的信息时先进行译码，解出原始信息，再利用相同的码字对原始信息进行重新编码，最终转发给目的用户或者下一跳中继，可以避免噪声的放大，其性能在一定程度上要优于放大转发AF中继方式。

能量采集技术可以从周围环境源源不断的采集能量，比如无线电波、光、风能等，从而大大延长能量受限设备的生命周期，降低充电成本，提高无线网络的性能。但是能量采集技术的引入也会大大增加资源分配的复杂度，因为采集的能量可能是离散的或者连续的，采集能量的大小一般也是随机分布的。

另外，认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知(Spectrum Sensing) 和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和频谱共享(Spectrum Sharing)。认知无线电中，次级用户动态的搜索频谱空穴进行通信，这种技术称为动态频谱接入。在主用户占用某个授权频段时，次级用户必须从该频段退出，去搜索其它空闲频段完成自己的通信，从而提高系统的频谱资源利用率。

当无线通信系统包含两个及以上能量采集节点时，若各节点处于不同的环境，可能采集的能量总量差距很大，采集能量过小的节点可能会产生中断，此时可以用无线能量协作的方式将一个节点的能量传输到另一个节点。基本原理包含下面三种：

1)电磁感应式

初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应，事实上，电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感，中国本土的比亚迪公司，早在2005 年12月申请的非接触感应式充电器专利，就使用了电磁感应技术。

2)磁场共振

由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏 60瓦灯泡，并将其取名为WiTricity。该实验中使用的线圈直径达到50cm，还无法实现商用化，如果要缩小线圈尺寸，接收功率自然也会下降。

3)无线电波式

这是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器。

发明内容

技术问题：本发明针对包含两个次用户节点的双向认知中继网络，通过引入能量协作与认知无线电技术，提高了无线网络的能量效率和频谱效率。同时，由于该优化问题计算复杂度很高，本发明提供了一种解耦并迭代的最优求解方法。

技术方案：本发明提供一种基于能量协作的双向认知中继网络资源分配方法，该方法包括以下步骤：