基于认知的物联网频谱感知和能量捕获研究

The Internet of Things (IoT) is an important part of the new generation of information industry and an important development direction of the global information industry. However, the scarcity of spectrum resources, and a series of problems such as high energy consumption and low energy efficiency of IoT devices limit the application and sustainable development of IoT. How to improve the spectrum efficiency and energy harvesting capability is a challenging problem in IoT. To cope with this challenge, this project carries out researches on “cognitive radio technology-based cooperative spectrum sensing” and “cognitive energy harvesting and management” from the perspectives of “spectrum sensing” and “energy harvesting”. 1. From the perspective of spectrum sensing, we establish a cooperative spectrum sensing model based on cognitive radio technology, analyze the impacts of sensing parameters, and design a combined decision to enhance the accuracy of sensing results, so as to improve spectrum utilization. 2. From the perspective of energy harvesting, we explore the tendency of energy harvesting efficiency with the power of radio frequency signal based on the charging data. Then we separately design strategies of data transmission and cognitive energy harvesting to optimize the transmission performance. The two perspectives exhibit not only the independence from each other, but the interrelation as well. The research of this project will provide both profound fundamental supports and useful insights for the spectrum sensing and energy harvesting technologies of IoT.

物联网是新一代信息技术产业的重要组成部分，也是全球信息产业的重要发展方向。然而频谱资源紧缺，物联网设备能耗大、能效低等一系列问题，限制了物联网产业的大规模应用和可持续发展。如何提升物联网的频谱利用率和能量捕获能力，是物联网建设中亟需解决的挑战性问题。为了应对这一挑战，本项目从“频谱感知”和“能量捕获”两个角度出发，开展“基于认知无线电的协作频谱感知”和“基于认知的能量捕获和利用机制”两方面的研究。1. 从频谱感知的角度，建立基于认知无线电的协作频谱感知模型，分析感知参数的影响，设计组合决策得出更精确的感知结果，以提升频谱利用率。2. 从能量捕获的角度，聚焦电磁波信号强度和充电数据，充分挖掘能量捕获效率随电磁波信号强度的变化趋势，设计数据传输和认知能量捕获策略，以优化数据传输。两方面研究既相对独立，又相互影响。本项目的研究将为物联网的频谱感知和能量捕获技术提供有力的基础支撑和有益的思想探索。

为应对提升物联网的频谱利用率和能量捕获能力这两项挑战，本项目从“频谱感知”和“能量捕获”两个角度出发，开展了“基于认知无线电的频谱感知”和“基于认知的能量捕获和策略调度”两方面的研究。. 取得的研究成果包括：1.从频谱感知角度，分别建立了受地理位置影响和能量受限情况下的合作频谱感知模型，分析了感知参数对感知精度的影响，设计了最优的组合决策以提升频谱利用率；此外，针对多信道频谱感知，使用凸优化方法寻找最优的感知信道，从而通过优化能量捕获和数据传输的时间分配最大化网络吞吐量；2.从能量捕获的角度，为解决双重远近效应，引入移动混合接入点，研究了混合接入点的移动性对用户能量捕获和数据传输的影响，从而为用户设计最优的传输策略；此外，为平衡认知无线电网络中次级用户的数据传输和能量捕获，提出了一种频谱感知、信道选择、能量捕获和数据传输的自适应解决方案，使得次级用户可以自适应地根据当前可用能量来选择信道进行感知，能量捕获或者数据传输。. 基于以上研究成果，本项目共发表论文24篇，其中SCI索引论文21篇，EI索引论文2篇；申请发明专利8项，其中2项已授权，5项已公开；培养已毕业研究生6名，超额完成研究计划。