[發明專利]基于同步感知和傳輸的能量捕獲認知無線電通信方法

有效

• 申請號: 201410554846.X
• 申請日: 2014-10-17
• 公開（公告）號: CN104320178B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 劉鑫;仲偉志;閆鈞華;井慶豐;賈敏;孔繁鏘;陳琨奇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H04B7/26
• 分類號: H04B7/26;H04B17/10;H04B17/20
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司32252
• 代理人: 戴朝榮

技術領域

本發明涉及無線電通信技術領域，尤其是一種基于同步感知和傳輸的能量捕獲認知無線電通信方法。

背景技術

無線電頻譜是一種有限的自然資源，一般由政府部門許可給授權用戶使用。近年來，隨著無線通信業務的增長，使得本來就稀缺的頻譜資源變得更加緊張。認知無線電通過動態利用授權用戶暫時未使用的空閑頻譜，能夠有效的提高頻譜資源的利用率。為了避免干擾授權用戶的正常通信，認知無線電在使用頻譜前，需要通過頻譜感知技術檢測授權用戶是否存在；如果授權用戶存在，認知無線電必須停止工作或者以低于授權用戶受到干擾的能量進行傳輸。認知無線電廣泛使用的頻譜感知技術是能量檢測，即將感知到的外界信號能量與預先設定的門限作比較，如果能量大于門限，判斷授權用戶存在，反之判斷授權用戶空閑。

能量捕獲是利用環境中的能量(如機械震動、光能、溫度變化、電磁場、化學能等)進行收集并實現應用。在無線通信中，能量捕獲將從外界環境中收集到的電磁場能量轉化成電能并儲存到系統電池中，隨后為無線通信系統的各種電子線路和電子器件進行供電，確保用戶的通信質量需求。能量捕獲不但能夠充分利用環境中浪費的能量資源而且其成本常常低于布設電源線的成本或更換電池所需的日常維護成本，因此用捕獲的能量供電的方法有極大的經濟收益。

現有的認知無線電通信技術存在如下缺陷：

(1)認知無線電的頻譜感知和數據傳輸是異步執行的，即感知時間內，認知無線電不能夠傳輸數據，由于傳輸時間的減少，導致系統的通信吞吐量較低；

(2)認知無線電自身的能量是有限的，但頻譜感知需要消耗額外的能量，由于傳輸能量的減少，導致系統的通信吞吐量較低；

(3)認知無線電的發射功率是恒定的，不能夠根據授權用戶的存在狀態動態調整；當授權用戶存在時，降低功率會減少對授權用戶的干擾，而當授權用戶空閑時，提高功率會增加頻譜的利用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于，提供一種顯著提高系統吞吐量的基于同步感知和傳輸的能量捕獲認知無線電通信方法。

一種基于同步感知和傳輸的能量捕獲認知無線電通信方法，包括認知無線電同步感知和傳輸的幀結構、認知無線電發射機和認知無線電接收機；認知無線電的幀結構在頻域上被分為感知頻帶和傳輸頻帶，認知無線電同步的監聽外界電磁環境，發射并接收信息數據。

感知頻帶內，認知無線電發射機和認知無線電接收機在整個幀時間內同時監聽外界的電磁環境，發射機對外界接收信號同時進行頻譜感知和能量捕獲，接收機只對外界接收信號進行頻譜感知。傳輸頻帶內，發射機和接收機在整個幀時間內發射和接收數據；當感知到授權用戶存在時，為了避免干擾授權用戶，發射機以較低的初始功率傳輸數據，接收機接收發射信號并直接恢復出原始數據；當感知到授權用戶空閑時，發射機將捕獲到的外界信號能量轉化成電能并儲存到電池中，功率放大單元根據電池容量放大發射功率，使發射機以較高的功率傳輸數據，接收機接收發射信號，通過功率縮放將信號恢復到最初能量級別并最終恢復出原始數據。

認知無線電發射機的能量捕獲和轉化部分由混頻器、本地振蕩器、匹配濾波器、帶通濾波器、整流電路和低通濾波器組成；混頻器、匹配濾波器、帶通濾波器、整流電路、低通濾波器依次相連，混頻器還連接有本地振蕩器，接收本地振蕩器產生的震蕩信號。

認知無線電發射機的工作步驟如下：

(1)發射機通過帶寬分配單元將信道帶寬分為感知頻帶和傳輸頻帶，并通過雙工天線同步執行感知頻帶內外界電磁環境的監聽和傳輸頻帶內通信信號的發射；

(2)在感知頻帶內，發射機接收并采樣外界信號，并對接收信號同時進行能量捕獲和頻譜感知，能量捕獲用于收集接收信號的能量，頻譜感知用于判斷接收信號中是否存在授權用戶信號；

(3)將信息數據通過數據處理單元轉化為適合信道傳輸的信號，包括信息編碼和信號調制過程；

(4)通過頻譜感知判斷授權用戶存在，在傳輸頻帶內，為了避免干擾授權用戶，發射機以較低的初始功率通過天線發射數據信號，反之執行步驟(5)；

(5)通過頻譜感知判斷授權用戶空閑，發射機通過能量轉化將捕獲到的外界信號能量轉化成系統自身需要的電能，并通過對電池充電將電能存儲起來；功率放大單元根據電池提供的能量放大發射機的發射功率，并以較高的功率通過天線發射數據信號。

認知無線電發射機的能量捕獲和轉化部分的工作步驟如下：

(1)將接收到的高頻交流信號和發射機的本地振蕩器產生的本地震蕩信號通過混頻器產生整流電路可處理的中頻交流信號。