[发明专利]认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法

说明书

本发明公开了认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法。本发明以绿色无线认知网络为研究背景，引入具有能量收集能力的认知节点，给出了所提存在多个能量收集认知源节点情况下的认知携能网络中主网络与次网络之间合作安全通信策略的场景与数学模型。分析了该通信系统中主网络的安全通信性能以及次网络的可达通信速率。研究了主网络发送节点的发送功率、最佳认知节点发送功率、主网络目的节点干扰功率对主网络安全通信速率的影响。本发明方法满足存在多个能量收集认知源节点情况下认知携能网络中主网络安全通信性能的要求，同时也保证了次网络的通信质量要求。

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，提出了一种认知无线携能通信中存在多个能量收集认知源节点情况下的最佳认知源节点选择与波束成型向量的联合设计方法，并给出了具体的流程。该方法涉及认知携能通信网络中最佳认知源节点的选择策略与认知节点波束成型向量的联合设计，主要为存在多个能量收集认知源节点的认知携能通信网络中实现安全信道容量最大化的通信策略。

背景技术

随着无线业务数据量的爆炸性增长，无线通信系统面临频谱资源告急以及能量消耗剧增的双重压力。根据美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)的调查报告，已经授权给现行商用和军用无线通信系统的大量频谱资源，在不同的时域和地域实际上并未得到充分利用,甚至某些通信系统的无线频谱的利用率只有15％。已授权频谱利用率低下的普遍现象加剧了频谱资源的匮乏问题。为了有效解决频谱资源匮乏这一问题，提高现有频谱的利用率，认知无线网络(Cognitive Radio Network,CRN)技术应运而生，它允许主次用户共享授权频谱，大大提高了频谱利用率。

无线业务的飞速膨胀带来的另一问题是，能量的大量消耗与无线设备供能难度的加大。特别是，大量随机分布的无线通信设备(如传感器、智能终端等)是由容量有限的电池供电，极大地增加了无线通信网络的维护成本，也限制了其生命周期。能量收集技术由于其无间断进行能量收集并提供绿色无污染的能量等特点，越来越受到学术界和工业界的关注。特别是以射频(Radio Frequency,RF)信号为能量来源的能量收集技术，由于其可以使得无线网络中的设备通过天线接收电磁波信号，并经过整流电路将其转换为电能加以利用，被视为一种延长无线网络节点生存周期的有效办法。另一方面，电磁波信号作为信息的物理载体，已经广泛应用于无线通信中。因而，无线电信号这种与生俱来的同时承载信息和能量于一身的物理特性孕育了一门新兴的支持无线信息和能量同时传输的技术——无线携能通信技术(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)。该技术利用无线电射频信号同时传输信息和能量，实现无线信息和能量可控高效同时传输，极大地延长了能量受限网络的寿命。

SWIPT技术为协作通信(Cooperative Communications，CC)，尤其是协作认知无线网络(Cooperative Cognitive Radio Network，CCRN)的系统设计带来了新的机遇。结合能量收集技术的次网络为无线通信系统低的频谱利用效率提供了很好的解决方法，同时为延长和解决网络生存时间提供了新的思路。在CCRN中引入能量收集技术，其相比于传统的CCRN，其允许认知用户在接收授权主用户信号进行协作转发的同时，从授权主用户的信号中收集一定的传输能量，这对认知用户提供了更多的激励措施，使得认知用户更愿意且有能力协助授权主用户传输，从而使系统的整体性能得到提升。因此，认知无线电与能量收集技术的结合，为当前的无线通信系统提供了新的解决方案。