基于能量采集的认知无线电系统——最优化资源分配策略研究#李丹，尹斯星，李书芳**5101520253035（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京，100876）摘要：针对基于时隙结构的引入能量采集的认知无线电系统，提出一种动态的资源分配策略，最大化系统次用户的可获得吞吐量。基于当前的系统资源，以及对系统后续状态的估计，判断系统频谱感知的最佳停止时刻，最优化系统时间与能量的分配策略。关键词：认知无线电；能量采集；动态决策；吞吐量中图分类号：TN92OptimalResourcesAllocationStrategiesinSelf-PoweredCognitiveRadioSystemswithWirelessEnergyHarvestingLIDan,YINSixing,LIShufang(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing,100876)Abstract:Inthispaper,weconsideraCRsystemoperatinginslottedmode,inwhichtheSUextractsenergyonlyviawirelessenergyharvestingfromambientradiosignal.Consideringthetradeoffbetweendurationofsaving,sensingandtransmitting,weprovideadynamicresourceallocationstrategiesbasedonthecurrentsystemresourcesandestimationofsubsequentstate,inordertomaximizetheachievablethroughputofseconduser.Keywords:cognitiveradio;energyharvesting;dynamicdecision;throughput0引言简要近几年，随着无线通信业务的迅猛增长，通信系统的能耗问题备受关注。如何提高通信系统的能量效率是亟待解决的问题，“绿色通信”的概念也应运而生。相比普通的通信系统，认知无线电系统通过频谱感知来提高频谱利用率，因此其能量消耗较普通通信系统更加严重。如何提高认知无线电通信系统的能效，已引起业界的广泛关注。近两年业界提出将能量采集技术引入认知无线电通信系统，与传统的电池驱动通信系统不同，无线网络通过能量采集技术无止境的从环境中获取能量。环境中的无线信号在携带信息的同时也携带了能量，这样环境中的各种干扰信号将会通过能量采集技术变废为宝。目前已经有大量文献研究基于能量采集技术的无线通信系统。在[1]和[2]中，首次提出了能量与信息同时传输的概念，并且给出了容量-能量方程，用以刻画能量与信息之间的折中。文献[3]，作者基于信息论研究能量采集水平。文献[4]和[5]，研究无线通信系统中的能量管理策略。文献[6]，研究在高斯信道（AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN）下的点对点通信系统中，最大化吞吐量和最小化传输时间。文献[7]中，作者研究了衰落信道中基金项目：国家自然科学基金（61139001）作者简介：李丹（1987年6月7日），女，硕士在读，北京邮电大学信息与通信工程学院，无线通信与电磁兼容实验室，研究方向：基于能量采集的认知无线电系统通信联系人：李书芳（1963年），女，北京邮电大学信息与通信工程学院教授，主要研究方向：无线通信与电磁兼容.lisf@bupt.edu.cn-1-CH1CH2„„„„CHn通信系统的能量采集技术。文献[8]提出了一种能量采集-数据传输协议，旨在寻找最优的速40455055率，从而最优化系统性能。文献[9]对信号与能量的同时传输提出一种“时间交换”的概念。文献[10]基于AWGN信道中的吞吐量，提出一种能量分配策略。本文研究了基于时隙结构的认知无线电系统，假设该系统的次用户没有固定的能量来源，只能通过能量采集的方式从环境中的无线信号提取能量。由于硬件限制,本文采用能量采集-频谱感知-数据传输（SST,saving-sensing-transmitting）的时隙结构，将一个时隙划分为三个互不重叠的时隙片段，如果划分更多的时间给能量采集，将能够为频谱感知与数据传输提供更充足的能量，但同时减少了用于频谱感知与数据传输的时间；如果分配更多的时间和能量给频谱感知，同样用于数据传输的时间和能量都将减少，但是却能够获得更多的可用信道。因此本文研究，如何最优化的分配系统资源（时间和能量），从而最大化系统的吞吐量。本文引入单步预测的动态分配策略，在频谱感知的过程中，基于系统的当前状态（可用时间资源与可用能量资源以及信道的可用概率），并对后续状态进行估计，决定频谱感知的最佳停止时间，从而最大化系统的吞吐量。1系统时隙模...