基于先聽后傳的能量捕獲認(rèn)知無線電通信方法
【專利摘要】一種基于先聽后傳的能量捕獲認(rèn)知無線電通信方法，其特征在于，包括：認(rèn)知無線電先聽后傳的幀結(jié)構(gòu)、認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)和認(rèn)知無線電接收機(jī)；認(rèn)知無線電的幀結(jié)構(gòu)被分為感知時(shí)隙和傳輸時(shí)隙。本發(fā)明的有益效果為：認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)在感知外界電磁信號(hào)的同時(shí)捕獲外界信號(hào)的能量，當(dāng)感知到授權(quán)用戶空閑時(shí)，發(fā)射機(jī)將捕獲到的所有外界信號(hào)能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)所需要的電能并存儲(chǔ)到電池中，由于電池容量的提高，發(fā)射機(jī)能夠以更大的發(fā)射功率傳輸更多的信息數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的通信吞吐量。
【專利說明】基于先聽后傳的能量捕獲認(rèn)知無線電通信方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種基于先聽后傳的能量捕獲認(rèn)知無線 電通信方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 認(rèn)知無線電基于軟件無線電，是一種提高頻譜資源利用率的智能無線通信技術(shù)。 它通過擇機(jī)使用政府固定分配給授權(quán)用戶的法定頻譜，大幅度提高有限頻譜資源的利用 率，但前提是認(rèn)知無線電不能給授權(quán)用戶的正常通信帶來任何干擾。因此，認(rèn)知無線電在傳 輸數(shù)據(jù)前需要通過頻譜感知技術(shù)檢測信道中是否存在授權(quán)用戶，只有當(dāng)授權(quán)用戶空閑時(shí)， 認(rèn)知無線電才能夠進(jìn)行通信。認(rèn)知無線電最常使用的頻譜感知技術(shù)是能量檢測，通過將感 知到的外界信號(hào)能量與預(yù)先設(shè)定的門限做比較對(duì)授權(quán)用戶判決，即如果能量大于門限，判 斷授權(quán)用戶存在，否則判斷授權(quán)用戶空閑。
[0003] 能量捕獲是一種高效利用能源的新技術(shù)，通過捕獲、轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)太陽能、風(fēng)能、電 磁能和動(dòng)能等外部能源，為一些小型的無線通信設(shè)備和無線通信終端提供電能，進(jìn)一步提 高系統(tǒng)的無線通信質(zhì)量。一個(gè)采用能量捕獲方法的無線通信系統(tǒng)可以將任何無線終端發(fā)射 的信號(hào)能量收集起來，轉(zhuǎn)化成自身可以使用的電能并存儲(chǔ)起來，在需要的時(shí)候?yàn)闊o線通信 系統(tǒng)補(bǔ)充能量。能量捕獲電子線路的成本常常低于布設(shè)電源線的成本或更換電池所需的日 常維護(hù)成本，因此用捕獲的能量供電的方法有極大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0004] 現(xiàn)有的認(rèn)知無線電通信技術(shù)存在如下缺陷：（1)認(rèn)知無線電只有當(dāng)授權(quán)用戶不存 在時(shí)才能夠使用頻譜，因此系統(tǒng)使用頻譜的時(shí)間非常有限且絕大多數(shù)時(shí)間都處于空閑狀 態(tài)，直接導(dǎo)致系統(tǒng)的通信吞吐量相對(duì)較低，往往不能夠滿足用戶對(duì)通信質(zhì)量的需求；（2)認(rèn) 知無線電系統(tǒng)的能量非常有限并且需要消耗額外的能量感知授權(quán)用戶信號(hào)，因此用于傳輸 數(shù)據(jù)的能量會(huì)減少，直接影響系統(tǒng)的正常工作并降低系統(tǒng)的通信吞吐量；(3)認(rèn)知無線電 在對(duì)外界電磁環(huán)境進(jìn)行頻譜感知時(shí)，缺乏對(duì)外界電磁能量的有效利用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種提高系統(tǒng)的通信吞吐量的基于先聽后 傳的能量捕獲認(rèn)知無線電通信方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于先聽后傳的能量捕獲認(rèn)知無線電通信 方法，包括認(rèn)知無線電先聽后傳的幀結(jié)構(gòu)、認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)和認(rèn)知無線電接收機(jī)。認(rèn)知無 線電的幀結(jié)構(gòu)被分為感知時(shí)隙和傳輸時(shí)隙，認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在傳輸數(shù)據(jù)前必 須監(jiān)聽外界電磁環(huán)境。感知時(shí)隙內(nèi)，認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同步監(jiān)聽外界的電磁環(huán) 境，發(fā)射機(jī)對(duì)外界接收信號(hào)同步進(jìn)行頻譜感知和能量捕獲，接收機(jī)只對(duì)外界接收信號(hào)進(jìn)行 頻譜感知。傳輸時(shí)隙內(nèi)，當(dāng)感知到授權(quán)用戶存在時(shí)，認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)捕獲外界信號(hào)的能 量，認(rèn)知無線電的接收機(jī)停止工作；當(dāng)感知到授權(quán)用戶空閑時(shí)，認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)將捕獲 到的所有外界信號(hào)能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)電能，并通過放大發(fā)射功率和接收機(jī)之間進(jìn)行通信，認(rèn) 知無線電的接收機(jī)接收發(fā)射信號(hào)，通過功率縮放將信號(hào)恢復(fù)到最初能量級(jí)別并最終恢復(fù)出 原始數(shù)據(jù)。認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的能量捕獲和轉(zhuǎn)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(chǎn)生的震蕩信號(hào)。
[0007] 認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的工作步驟如下：
[0008] (1)在感知時(shí)隙內(nèi)，發(fā)射機(jī)通過天線監(jiān)聽特定頻段內(nèi)外界的電磁環(huán)境，接收并采樣 外界信號(hào)；
[0009] (2)對(duì)接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行能量捕獲和頻譜感知，能量捕獲用于收集外界接收信號(hào) 的能量，頻譜感知用于判斷接收信號(hào)中是否存在授權(quán)用戶信號(hào)；
[0010] (3)通過頻譜感知判斷授權(quán)用戶存在，在傳輸時(shí)隙內(nèi)，發(fā)射機(jī)繼續(xù)監(jiān)聽外界電磁環(huán) 境，并不斷捕獲外界接收信號(hào)的能量，反之執(zhí)行步驟（4);
[0011] (4)通過頻譜感知判斷授權(quán)用戶空閑，發(fā)射機(jī)通過能量轉(zhuǎn)化將捕獲到的所有外界 信號(hào)能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)自身所需的電能，并通過對(duì)電池充電將電能存儲(chǔ)起來；將信息數(shù)據(jù)通 過數(shù)據(jù)處理單元轉(zhuǎn)化為適合信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)，包括信息編碼和信號(hào)調(diào)制過程，功率放 大單元根據(jù)電池提供的能量放大發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，并最終通過天線發(fā)射數(shù)據(jù)信號(hào)。
[0012] 認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的能量捕獲和轉(zhuǎn)化部分的工作步驟如下：
[0013] (1)將接收到的外界高頻交流信號(hào)和發(fā)射機(jī)的本地振蕩器產(chǎn)生的本地振蕩信號(hào)通 過混頻器產(chǎn)生整流電路可處理的中頻交流信號(hào)。
[0014] (2)中頻交流信號(hào)通過匹配濾波器濾除外界電磁環(huán)境中的干擾噪聲。
[0015] (3)將匹配濾波器的輸出信號(hào)通過帶通濾波器調(diào)諧到整流電路可處理的頻率范 圍。
[0016] (4)整流電路將中頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流信號(hào)。
[0017] (5)將直流信號(hào)通過低通濾波器濾除基波和諧波信號(hào)后獲得直流電壓信號(hào)。
[0018] 認(rèn)知無線電接收機(jī)的工作步驟如下：
[0019] (1)在感知時(shí)隙內(nèi)，接收機(jī)通過天線監(jiān)聽外界的電磁環(huán)境，接收并采樣外界信號(hào)；
[0020] (2)對(duì)外界接收的信號(hào)進(jìn)行頻譜感知，判斷接收信號(hào)中是否存在授權(quán)用戶信號(hào)；
[0021] (3)通過頻譜感知判斷授權(quán)用戶存在，在傳輸時(shí)隙內(nèi)，接收機(jī)暫停工作，反之執(zhí)行 步驟（4);
[0022] (4)通過頻譜感知判斷授權(quán)用戶空閑，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)的信號(hào)，通過功率縮放單 元將發(fā)射機(jī)的信號(hào)恢復(fù)到最初能量級(jí)別，最后通過數(shù)據(jù)恢復(fù)單元恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)，包 括信號(hào)解調(diào)和信息譯碼過程。
[0023] 本發(fā)明的有益效果為：認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)在感知外界電磁信號(hào)的同時(shí)捕獲外界信 號(hào)的能量，當(dāng)感知到授權(quán)用戶空閑時(shí)，發(fā)射機(jī)將捕獲到的所有外界信號(hào)能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)所 需要的電能并存儲(chǔ)到電池中，由于電池容量的提高，發(fā)射機(jī)能夠以更大的發(fā)射功率傳輸更 多的信息數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的通信吞吐量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的認(rèn)知無線電先聽后傳的幀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明的認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖3是本發(fā)明的認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的能量捕獲和轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖4是本發(fā)明的認(rèn)知無線電接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明將認(rèn)知無線電的幀結(jié)構(gòu)分為感知時(shí)隙和傳輸時(shí)隙，認(rèn)知無線 電在傳輸數(shù)據(jù)前必須監(jiān)聽外界的電磁環(huán)境。感知時(shí)隙內(nèi)，認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)監(jiān) 聽外界的電磁環(huán)境，發(fā)射機(jī)對(duì)外界接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行頻譜感知和能量捕獲，接收機(jī)只對(duì)外 界接收信號(hào)進(jìn)行頻譜感知。傳輸時(shí)隙內(nèi)，當(dāng)感知到授權(quán)用戶存在時(shí)，認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)停 止發(fā)射信號(hào)，并且不斷捕獲外界接收信號(hào)的能量，認(rèn)知無線電的接收機(jī)停止工作；當(dāng)感知到 授權(quán)用戶空閑時(shí)，認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)將捕獲到的所有外界信號(hào)能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)電能，并 通過放大發(fā)射功率和接收機(jī)之間進(jìn)行通信。
[0029] 如圖2所示，認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的工作步驟如下：
[0030] (1)在感知時(shí)隙內(nèi)，發(fā)射機(jī)通過天線監(jiān)聽可使用信道的外界電磁環(huán)境，包括噪聲、 授權(quán)用戶信號(hào)和信道衰落特性等；接收并采樣外界信號(hào)，采樣頻率為接收信號(hào)最高頻率的 2倍。采樣后的信號(hào)表示為：y (1)，y (2)，…，y (M)，M是采樣點(diǎn)數(shù)。
[0031] (2)對(duì)接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行能量捕獲和頻譜感知，能量捕獲用于收集接收信號(hào)的能 量，捕獲的信號(hào)能量EH表示為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于先聽后傳的能量捕獲認(rèn)知無線電通信方法，其特征在于，包括：認(rèn)知無線 電先聽后傳的峽結(jié)構(gòu)、認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)和認(rèn)知無線電接收機(jī)；認(rèn)知無線電的峽結(jié)構(gòu)被分 為感知時(shí)隙和傳輸時(shí)隙；感知時(shí)隙內(nèi)，發(fā)射機(jī)對(duì)外界接收信號(hào)同步進(jìn)行頻譜感知和能量捕 獲，接收機(jī)只對(duì)外界接收信號(hào)進(jìn)行頻譜感知；傳輸時(shí)隙內(nèi)，當(dāng)感知到授權(quán)用戶存在時(shí)，認(rèn)知 無線電的發(fā)射機(jī)捕獲外界信號(hào)能量，認(rèn)知無線電的接收機(jī)停止工作；當(dāng)感知到授權(quán)用戶空 閑時(shí)，認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)將捕獲到的所有外界信號(hào)能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)電能，并通過放大發(fā) 射功率和接收機(jī)之間進(jìn)行通信。
2. 如權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于，認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的工作步驟如下： (1) 在感知時(shí)隙內(nèi)，發(fā)射機(jī)通過天線監(jiān)聽特定頻段內(nèi)外界的電磁環(huán)境，接收并采樣外界 信號(hào)； (2) 對(duì)接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行能量捕獲和頻譜感知，能量捕獲用于收集外界接收信號(hào)的能 量，頻譜感知用于判斷接收信號(hào)中是否存在授權(quán)用戶信號(hào)； (3) 通過頻譜感知判斷授權(quán)用戶存在，在傳輸時(shí)隙內(nèi)，發(fā)射機(jī)繼續(xù)監(jiān)聽外界電磁環(huán)境， 并不斷捕獲外界接收信號(hào)的能量，反之執(zhí)行步驟（4); (4) 通過頻譜感知判斷授權(quán)用戶空閑，發(fā)射機(jī)通過能量轉(zhuǎn)化將捕獲到的所有外界信號(hào) 能量轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)自身所需的電能，并通過對(duì)電池充電將電能存儲(chǔ)起來；將信息數(shù)據(jù)通過數(shù) 據(jù)處理單元轉(zhuǎn)化為適合信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)，包括信息編碼和信號(hào)調(diào)制過程，功率放大單 元根據(jù)電池提供的能量放大發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，并最終通過天線發(fā)射數(shù)據(jù)信號(hào)。
3. 如權(quán)利要求2所述的通信方法，其特征在于，認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的能量捕獲和轉(zhuǎn)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(chǎn)生的震蕩信號(hào)。
4. 如權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于，認(rèn)知無線電接收機(jī)的工作步驟如下： (1) 在感知時(shí)隙內(nèi)，接收機(jī)通過天線監(jiān)聽外界的電磁環(huán)境，接收并采樣外界信號(hào)； (2) 對(duì)外界接收的信號(hào)進(jìn)行頻譜感知，判斷接收信號(hào)中是否存在授權(quán)用戶信號(hào)； (3) 通過頻譜感知判斷授權(quán)用戶存在，在傳輸時(shí)隙內(nèi)，接收機(jī)暫停工作，反之執(zhí)行步驟 (4)； (4) 通過頻譜感知判斷授權(quán)用戶空閑，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)的信號(hào)，通過功率縮放單元將 發(fā)射機(jī)的信號(hào)恢復(fù)到最初能量級(jí)別，最后通過數(shù)據(jù)恢復(fù)單元恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)，包括信 號(hào)解調(diào)和信息譯碼過程。
【文檔編號(hào)】H04B17/382GK104467998SQ201410555636
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】劉鑫, 孔繁鏘, 閆鈞華, 賈敏, 仲偉志, 井慶豐, 陳少華 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)