認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中四維資源協(xié)作的研究現(xiàn)狀與未來(lái)方向

謝顯中，羅瑩，嚴(yán)可，陳九九

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認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中四維資源協(xié)作的研究現(xiàn)狀與未來(lái)方向

謝顯中，羅瑩，嚴(yán)可，陳九九

（重慶郵電大學(xué)個(gè)人通信研究所，重慶 400065）

在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（CRN）中，主次用戶之間可以有效地實(shí)現(xiàn)頻譜共享（頻譜協(xié)作），提高頻譜利用率；主次用戶之間共享頻譜會(huì)導(dǎo)致相互干擾，從RF干擾信號(hào)中收集能量，可以變害（干擾）為利（綠色能源）；RF能量收集受多種因素影響隨機(jī)變化而不穩(wěn)定，通過主次用戶之間能量傳輸（能量協(xié)作），可以進(jìn)一步改進(jìn)能量的利用效率；次用戶幫助主用戶協(xié)作中繼傳輸數(shù)據(jù)（信息協(xié)作），這既改善了主用戶傳輸性能，也為自己獲得了更多的傳輸機(jī)會(huì)。系統(tǒng)總結(jié)和分析認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中多維資源（頻譜、能量、干擾、中繼）的協(xié)作利用問題，主要包括四維資源協(xié)作模型與總體研究情況，CRN中能量收集與協(xié)作中繼，CRN中能量協(xié)作和能量收集，CRN中同時(shí)能量協(xié)作、能量收集和協(xié)作中繼及研究挑戰(zhàn)與未來(lái)方向等，對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)具有重要意義。

認(rèn)知無(wú)線電；頻譜共享；干擾收集；能量協(xié)作；信息協(xié)作

1 引言

隨著生活水平的不斷提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)移動(dòng)通信容量和業(yè)務(wù)的需求不斷增加。為了更好滿足日益增長(zhǎng)的巨大需求，移動(dòng)通信系統(tǒng)一直在不斷發(fā)展和演進(jìn)，學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了系列高新技術(shù)，并發(fā)展了第1代至第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）。但移動(dòng)通信一直面臨頻譜短缺、能量利用不充分、傳輸性能不理想等的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，于是，如何同時(shí)提高頻譜效率（SE, spectrum efficiency）和能量效率（EE, energy efficiency）引起高度重視。為此，近年來(lái)充分利用無(wú)線頻譜的認(rèn)知無(wú)線電[1,2]（CR, cognitive radio）技術(shù)、充分利用能量資源的能量采集/收集[3,4]（EH, energy harvesting）與能量協(xié)作[5,6]（EC, energy cooperation）技術(shù)、改進(jìn)無(wú)線傳輸性能的信息協(xié)作[7,8]（IC, information cooperation）技術(shù)等成為研究熱點(diǎn)。

頻譜和能量是無(wú)線電傳輸?shù)?種重要資源，頻譜效率和能量效率也是無(wú)線通信的2個(gè)重要方面。認(rèn)知無(wú)線電的提出已經(jīng)十幾年了，對(duì)基于認(rèn)知無(wú)線電的頻譜高效利用，即頻譜共享/協(xié)作（SS/SC, spectrum sharing / spectrum cooperation）研究較多，取得了很多成果，建立了一些開發(fā)平臺(tái)和測(cè)試床，并已開始在新一代無(wú)線通信（移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線區(qū)域網(wǎng)等）標(biāo)準(zhǔn)中利用[9~20]。由于認(rèn)知無(wú)線電需要頻譜檢測(cè)、環(huán)境感知、檢測(cè)感知信息交換、參數(shù)功能重配置等附加處理，導(dǎo)致更多的能量消耗，因此，能量效率更加重要，但是，如何利用認(rèn)知無(wú)線電提高能量效率還沒有深入研究[21~23]。

RF能量收集（簡(jiǎn)稱能量收集）可以改進(jìn)能量的高效利用[24~28]，最近能量收集的靈敏度和能量轉(zhuǎn)化效率也已很高。因此，可以將能量收集與認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（CRN, cognitive radio network）結(jié)合，讓認(rèn)知節(jié)點(diǎn)具有能量收集功能形成能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（EH-CRN）[29,30]。在EH-CRN中，次用戶（認(rèn)知用戶）可以從檢測(cè)的主用戶（授權(quán)用戶）發(fā)送信號(hào)（對(duì)次用戶相當(dāng)于干擾）中收集能量，主用戶可以從次用戶發(fā)送的信號(hào)（對(duì)主用戶相當(dāng)于干擾）中收集能量，實(shí)現(xiàn)干擾收集（IH, interference harvesting），即從干擾信號(hào)中收集能量，從而變害（干擾）為利（收集能量），使干擾成為一種資源。

但是，RF能量收集受時(shí)間、空間（位置）、無(wú)線電頻率、能量到達(dá)率及收集設(shè)備靈敏度等影響和隨機(jī)變化，在僅收集主用戶信號(hào)能量時(shí)次用戶性能還受主用戶的活動(dòng)狀態(tài)（接入與信息傳輸情況）影響，如果主次用戶之間能協(xié)作進(jìn)行能量傳輸，實(shí)現(xiàn)能量協(xié)作，也稱能量共享（ES, energy sharing），則可以平衡主次用戶的能量需求和供應(yīng)，進(jìn)一步改進(jìn)能量的利用效率，達(dá)到綠色通信與組網(wǎng)目的。

進(jìn)一步，在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中引入?yún)f(xié)作中繼，次用戶作為中繼，幫助主用戶協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息協(xié)作，并通過合理的功率分配，既幫助主用戶協(xié)作傳輸改善其傳輸性能，也從中獲得自己的傳輸機(jī)會(huì)及提供安全信息傳輸。另外，協(xié)作需要更多的信號(hào)處理，并需要更多的能量補(bǔ)充，進(jìn)行能量收集和能量協(xié)作更加重要。

本文總結(jié)和分析認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的主次用戶之間的干擾收集、能量協(xié)作、信息協(xié)作問題，從而可以形成多維資源（頻譜、能量、干擾、中繼）協(xié)作利用，將同時(shí)大幅提升頻譜效率和能量效率，并很好改進(jìn)吞吐量和服務(wù)質(zhì)量（QoS, quality of service），在移動(dòng)通信中體現(xiàn)了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、開放、綠色、共享”的發(fā)展理念。主要內(nèi)容包括四維資源協(xié)作模型與總體研究情況，CRN中能量收集與協(xié)作中繼，CRN中能量協(xié)作和能量收集，CRN中同時(shí)能量協(xié)作、能量收集和協(xié)作中繼，研究挑戰(zhàn)與未來(lái)方向等。

2 四維資源協(xié)作模型與總體研究情況

2.1 四維資源協(xié)作模型

在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩D2D網(wǎng)絡(luò)[4]、認(rèn)知無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[13]、認(rèn)知專用/應(yīng)急無(wú)線通信網(wǎng)[19]等）中，主用戶擁有頻譜資源，次用戶與主用戶共享頻譜。假設(shè)主用戶（PT和PR）、次用戶（ST和SR）都具有RF能量收集能力。其中，PT表示主用戶發(fā)送端，PR表示主用戶接收端，ST表示次用戶發(fā)送端，SR表示次用戶接收端。主用戶為法定用戶，沒有其他附加功能要求，但可以有2個(gè)頻點(diǎn)（1、2）共享；次用戶可以有2種附加功能，包括ST有全雙工或多天線波束成形。下面以2種典型應(yīng)用場(chǎng)景為例，考慮四維資源（頻譜、能量、干擾、中繼）協(xié)作利用系統(tǒng)的建模。

典型應(yīng)用場(chǎng)景1 當(dāng)主用戶能量充足但傳輸條件差、次用戶能量不足時(shí)，為了改進(jìn)傳輸性能，主用戶向次用戶傳遞能量（能量協(xié)作），而次用戶幫助主用戶中繼傳輸數(shù)據(jù)（信息協(xié)作），同時(shí)次用戶也可從主用戶獲得頻譜傳輸自己數(shù)據(jù)（頻譜協(xié)作），進(jìn)一步，能量傳遞和數(shù)據(jù)傳輸階段次用戶和主用戶都可以進(jìn)行RF能量收集。

首先，主用戶只有一個(gè)頻點(diǎn)共享，主用戶以時(shí)間切換（TS, time switch）方式向次用戶傳遞能量，如圖1所示。該情況下四維資源協(xié)作一般需要4個(gè)處理階段。階段1) PT向ST傳遞能量（能量協(xié)作），PR和SR都收集能量（能量收集），ST的能量達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)門限后停止能量協(xié)作。階段2) PT向PR和ST傳遞數(shù)據(jù)，而SR可以繼續(xù)收集能量。階段3) ST幫助主用戶中繼傳輸數(shù)據(jù)給PR（信息協(xié)作），PR分集合并后改進(jìn)傳輸性能。階段4) 主用戶分享頻點(diǎn)給次用戶（頻譜共享），ST向次用戶SR傳輸數(shù)據(jù)，而PR和PT都可收集能量。若ST有全雙工功能，則ST同時(shí)接收PT的數(shù)據(jù)并向PR中繼轉(zhuǎn)發(fā)，階段2)和階段3)合并為一個(gè)階段；若ST有多天線波束成形功能，則ST同時(shí)用不同波束分別向PR和SR傳輸數(shù)據(jù)，階段3) 和階段4) 合并為一個(gè)階段。

進(jìn)一步，若ST收集的能量主要用于幫助主用戶中繼數(shù)據(jù)，則ST可以功率分流方式（PS, power splitting）從PT發(fā)來(lái)的信號(hào)中收集能量和接收數(shù)據(jù)，階段1)和階段2)合并為1個(gè)階段，如圖2所示。

另外，若主用戶有2個(gè)頻點(diǎn)（1、2）共享，則四維資源協(xié)作只需要3個(gè)處理階段，如圖3所示。階段1) PT用頻點(diǎn)1向次用戶ST傳遞能量（能量協(xié)作），同時(shí)，ST用主用戶的頻點(diǎn)2向SR傳輸數(shù)據(jù)（頻譜共享），PR可以收集RF頻點(diǎn)1和2的能量（能量收集），而SR也可收集RF頻點(diǎn)1的能量。階段2) PT用頻點(diǎn)f（從1和2選擇一個(gè)較好的頻點(diǎn)記為f）向PR和ST傳遞數(shù)據(jù)，SR可以收集頻點(diǎn)f的能量。階段3) ST用頻點(diǎn)f幫助主用戶中繼傳輸數(shù)據(jù)給PR（信息協(xié)作），PR分集合并后改進(jìn)傳輸性能，而SR可以繼續(xù)收集能量備用。若ST有全雙工或多天線波束成形，則上述3個(gè)處理階段可以合并為2個(gè)階段。

圖1 主用戶向次用戶傳能量（一個(gè)頻點(diǎn)，時(shí)間切換）

圖2 主用戶向次用戶傳能量（一個(gè)頻點(diǎn)，功率分流）

圖3 主用戶向次用戶傳能量（2個(gè)頻率）

典型應(yīng)用場(chǎng)景2 當(dāng)主用戶能量不足且傳輸條件差、次用戶能量充足時(shí)，為了獲得頻譜傳輸機(jī)會(huì)，次用戶向主用戶傳遞能量（能量協(xié)作），而主用戶則分配部分頻譜給次用戶傳輸數(shù)據(jù)（頻譜協(xié)作），同時(shí)次用戶還可幫助主用戶中繼傳輸數(shù)據(jù)（信息協(xié)作），進(jìn)一步，在能量傳遞和數(shù)據(jù)傳輸階段主用戶和次用戶都可以進(jìn)行RF能量收集。

如圖4所示，假設(shè)主用戶只有1個(gè)頻點(diǎn)共享（2個(gè)頻點(diǎn)類似），該情況下四維資源協(xié)作一般需要4個(gè)處理階段。階段1) ST向PT傳遞能量（能量協(xié)作），PR和SR都收集能量（能量收集），PT的能量達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)門限后停止能量協(xié)作。階段2) 主用戶分享頻點(diǎn)給次用戶（頻譜共享），ST向SR傳輸數(shù)據(jù)，而PR和PT都可收集能量。階段3) PT向PR和ST傳遞數(shù)據(jù)，而SR可以繼續(xù)收集能量。階段4) ST幫助主用戶中繼傳輸數(shù)據(jù)給PR（信息協(xié)作），PR分集合并后改進(jìn)傳輸性能，而SR可以繼續(xù)收集能量備用。若ST有全雙工或多天線波束成形，則上述4個(gè)處理階段可以合并為3個(gè)階段。

圖4 次用戶向主用戶傳能量（時(shí)間切換）

2.2 國(guó)內(nèi)外研究總體情況

本文主要涉及認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（頻譜共享，SS）中干擾收集（RF能量收集，EH）、能量共享（能量協(xié)作，EC）、信息協(xié)作（協(xié)作中繼，IC）結(jié)合，為清晰呈現(xiàn)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)及存在問題，本文逐步展開認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中能量收集（包括主次用戶之間協(xié)作中繼和沒有協(xié)作中繼）、能量協(xié)作（包括進(jìn)行能量收集和沒有能量收集）以及能量收集、能量協(xié)作、協(xié)作中繼三者結(jié)合的優(yōu)勢(shì)與研究情況，如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3 CRN中能量收集與協(xié)作中繼

3.1 CRN中同時(shí)能量收集和協(xié)作中繼

在CRN中同時(shí)能量收集與協(xié)作中繼研究方面（如表1中技術(shù)結(jié)合1)），包括主用戶信號(hào)收集能量[31,32]和其他RF信號(hào)收集能量[33~36]這2種情況。次用戶同時(shí)從主用戶信號(hào)收集能量和幫助主用戶中繼其信號(hào)，并獲得自己的傳輸機(jī)會(huì)和能量補(bǔ)償，同時(shí)主用戶還可從次用戶中繼傳輸階段收集能量。這時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)三維資源協(xié)作利用：頻譜協(xié)作利用、干擾收集能量、中繼協(xié)作傳輸，表2列出了具有能量收集、協(xié)作中繼的文獻(xiàn)。

文獻(xiàn)[31]考慮單天線認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，次用戶發(fā)送端和接收端都具有RF信號(hào)能量收集功能，可以幫助主用戶傳輸信息而沒有消耗自己的能量（從主用戶信號(hào)中收集能量），并給出了2個(gè)階段能量收集和信息傳輸協(xié)議。1) 主用戶發(fā)送信息，次用戶發(fā)送端收集能量，次用戶接收端利用功率分流，既從主用戶信號(hào)中收集能量，也接收主用戶信號(hào)（其后用該信號(hào)消除其干擾）。2) 次用戶發(fā)送端既傳輸自己信息，也幫助主用戶傳輸信息（該信息對(duì)次用戶接收端是干擾），次用戶發(fā)送端接收自己信息，也利用保存的主用戶信號(hào)消除其干擾。進(jìn)一步，得到次用戶和主用戶截?cái)喔怕时磉_(dá)式，并分析了能量和速率的折中，但是沒有考慮具體能量管理策略。

考慮主次用戶之間同時(shí)進(jìn)行能量收集和信息協(xié)作（協(xié)作中繼），針對(duì)認(rèn)知雙向非再生中繼網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)次用戶ST（中繼）具有多個(gè)天線，文獻(xiàn)[32]給出了次用戶基于功率分流與時(shí)間交換的無(wú)線能量和信息協(xié)作方案（2種），重點(diǎn)放在中繼轉(zhuǎn)發(fā)階段的波束成形向量設(shè)計(jì)，并就具有理想信道狀態(tài)信息（CSI, channel state information）和非理想CSI情況進(jìn)行了討論，但能量收集策略太簡(jiǎn)單，且沒有考慮具體能量管理策略。

表2 能量收集、協(xié)作中繼（EH+IC+SS）文獻(xiàn)

對(duì)于從其他RF信號(hào)收集能量方面，在只有單一能量供應(yīng)的時(shí)分方式（能量收集、頻譜感知、信息傳輸在不同時(shí)間進(jìn)行）的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[33]設(shè)計(jì)了次用戶存儲(chǔ)—檢測(cè)—傳輸3個(gè)階段的優(yōu)化協(xié)議，包括協(xié)作策略（是否與主用戶協(xié)作）、決策方案（用好多時(shí)間收集能量、分配多少功率給協(xié)作中繼），建立相應(yīng)優(yōu)化問題，分別得到在協(xié)作和非協(xié)作模式下次用戶吞吐量的閉式解。文獻(xiàn)[34]考慮具有能量收集能力的次用戶傳輸機(jī)可以為主用戶協(xié)作傳輸信息，假設(shè)有限能量隊(duì)列及無(wú)限長(zhǎng)的自身數(shù)據(jù)隊(duì)列和中繼主用戶數(shù)據(jù)隊(duì)列，能量隊(duì)列建模為一個(gè)離散時(shí)間馬爾可夫到達(dá)過程，且收集能量?jī)H用戶主用戶信息的譯碼和中繼轉(zhuǎn)發(fā)，給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定吞吐量上界和下界，并討論了能量到達(dá)率的影響。在文獻(xiàn)[34]基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[35]進(jìn)一步考慮了此用戶時(shí)延要求，給出了不需要信道信息的空時(shí)碼協(xié)作協(xié)議；進(jìn)一步，文獻(xiàn)[36]考慮了多分組接收（MPR）模型，并設(shè)計(jì)了新的協(xié)作協(xié)議。但是，由于復(fù)雜性，對(duì)于如何選擇次用戶協(xié)作沒有涉及，也沒有考慮頻譜檢測(cè)錯(cuò)誤和能量達(dá)到率等的影響。

3.2 CRN中能量收集但不協(xié)作中繼

若CRN中能量收集時(shí)主次用戶之間不協(xié)作中繼（如表1中技術(shù)結(jié)合2)），次用戶首先進(jìn)行頻譜檢測(cè)，若主用戶傳輸信息，則次用戶從主用戶信號(hào)收集能量，主用戶空閑，則次用戶傳輸信息，這時(shí)主用戶也可以從次用戶信號(hào)收集能量。這時(shí)，雖然也可以實(shí)現(xiàn)二維資源協(xié)作利用（頻譜協(xié)作利用、干擾收集能量），但頻譜效率略低；進(jìn)一步，由于問題簡(jiǎn)單一些，目前該方面的研究較多[37~80]，表3列出了具有能量收集、不協(xié)作中繼的文獻(xiàn)。

在僅主用戶信號(hào)收集能量方面，文獻(xiàn)[37]首先真正考慮認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中RF信號(hào)能量收集及其性能，在整體能量消耗不超過收集的能量約束下，文獻(xiàn)[37]通過部分可觀測(cè)馬爾可夫決策過程（POMDP）（次用戶的RF能量收集和數(shù)據(jù)傳輸受主用戶的活動(dòng)狀態(tài)（接入與信息傳輸情況）影響，因此，其能量收集和數(shù)據(jù)傳輸過程是一個(gè)不完全可觀測(cè)隨機(jī)過程）優(yōu)化次用戶發(fā)送端（ST）的工作模式選擇（信息傳輸模式和能量收集模式之間切換），提高了能量收集增強(qiáng)CR傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。在只有單一能量供應(yīng)的時(shí)分方式（能量收集、頻譜感知、信息傳輸在不同時(shí)間進(jìn)行）的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[38]建立了相應(yīng)能量收集—頻譜感知—信息傳輸（SST）結(jié)構(gòu)，通過收集時(shí)間、感知時(shí)間、傳輸時(shí)間之間的折中，以實(shí)現(xiàn)吞吐量的最大化，并利用差分進(jìn)化算法求解非線性混合整數(shù)規(guī)劃。在文獻(xiàn)[39]中，次用戶由能量收集方式自供能，且次用戶包括能量收集（存儲(chǔ)）—頻譜檢測(cè)—數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)階段處理，考慮3個(gè)處理階段時(shí)長(zhǎng)的折中實(shí)現(xiàn)最大化次用戶吞吐量。

表3 能量收集、不協(xié)作中繼（EH+SS）文獻(xiàn)

文獻(xiàn)[40]也認(rèn)為首次考慮次用戶從主用戶RF信號(hào)中收集能量時(shí)的最優(yōu)信道接入策略。當(dāng)主用戶沒有信號(hào)傳輸，則次用戶傳輸分組，若有信號(hào)傳輸，則次用戶從主用戶信號(hào)中收集能量；對(duì)于一個(gè)次用戶從一個(gè)主用戶RF信號(hào)中收集能量情況，次用戶基于馬爾可夫決策過程，以最大化吞吐量為目標(biāo)得到了次用戶的優(yōu)化接入策略，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法克服了沒有信道現(xiàn)在狀態(tài)和模型先驗(yàn)參數(shù)（信道空閑概率、分組成功傳輸概率、成功收集RF能量概率等）問題。在文獻(xiàn)[40]的基礎(chǔ)上，為分析多個(gè)次用戶從一個(gè)主用戶RF信號(hào)中收集能量時(shí)的性能，文獻(xiàn)[41]給出了一個(gè)包括信道狀態(tài)的排隊(duì)模型，并得到一個(gè)簡(jiǎn)單的次用戶選擇方案。在文獻(xiàn)[41]基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[42]考慮多個(gè)次用戶從多個(gè)主用戶RF信號(hào)中收集能量時(shí)的性能，由于每個(gè)次用戶不能同時(shí)檢測(cè)所有主用戶信道，他們之間需要協(xié)作，為最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分別給出了具有中心控制的輪詢接入和沒有中心的隨機(jī)計(jì)入方案。

文獻(xiàn)[43]采用隨機(jī)接入策略，假設(shè)次用戶具有多分組接收能力（MPR），在保證主用戶傳輸服務(wù)質(zhì)量（QoS）的約束下最大化次用戶吞吐量，并分析了能量到達(dá)率、主用戶傳輸遲延、MPR能力對(duì)接入性能和吞吐量的影響。在文獻(xiàn)[43]基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[44]考慮主次用戶均由能量收集方式自供能，在主次用戶能量隊(duì)列約束下，通過設(shè)計(jì)最優(yōu)次用戶檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)最大化平均業(yè)務(wù)速率。在文獻(xiàn)[43]的多分組接收模型基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[45]進(jìn)一步考慮次用戶僅有從主用戶RF信號(hào)中收集的能量，通過選擇適合的隨機(jī)接入策略（接入概率）最大化次用戶的吞吐量，并討論了次用戶性能和主用戶活動(dòng)情況之間的折中。

文獻(xiàn)[46]考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)（主網(wǎng)絡(luò)）中認(rèn)知D2D用戶（次用戶）以襯墊（Underlay）方式通信，D2D傳輸機(jī)從附近的干擾（可以認(rèn)為是主用戶信號(hào)）中收集能量供電，當(dāng)收集能量充分時(shí)通過頻譜檢測(cè)功能尋找空閑信道傳輸信息，給出了次用戶隨機(jī)接入和帶優(yōu)先級(jí)接入的策略，并利用隨機(jī)幾何方法分析了接入性能。文獻(xiàn)[47]考慮主用戶能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，以最大化平均吞吐量為目標(biāo)，在主用戶截?cái)喔怕始s束下，對(duì)次用戶的能量時(shí)間和傳輸時(shí)間的優(yōu)化，得到了一種有效的在線方案。文獻(xiàn)[48]討論認(rèn)知OFDM中繼系統(tǒng)中，中繼由RF收集能量供電，在次用戶QoS和主用戶干擾約束下，以最大化次用戶吞吐量為目標(biāo)，對(duì)功率分流率、OFDM子載波、傳輸功率聯(lián)合優(yōu)化，并通過對(duì)偶分解得到了一種次優(yōu)的迭代算法。文獻(xiàn)[49]針對(duì)具有多個(gè)主用戶信道的能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，次用戶考慮選擇哪些信道進(jìn)行能量收集或傳輸信息，以最大化次用戶吞吐量為目標(biāo)，在能量約束下得到了一個(gè)優(yōu)化的信道選擇概率向量。在文獻(xiàn)[49]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[50]進(jìn)一步考慮指派哪些次用戶進(jìn)行協(xié)作頻譜檢測(cè)，在能量約束下和主用戶檢測(cè)約束下，以最大化次用戶可用吞吐量為目標(biāo)，得到優(yōu)化的檢測(cè)門限及檢測(cè)—能量收集時(shí)間的折中。

在主用戶信號(hào)收集能量的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，文獻(xiàn)[51]討論了吞吐量、能量收集、截?cái)喔怕手g的關(guān)系，在主用戶QoS約束下，通過最大化收集能量得到優(yōu)化的頻譜檢測(cè)時(shí)間，也給出了通過最大化吞吐量下的頻譜檢測(cè)時(shí)間。在主用戶信號(hào)收集能量的能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，文獻(xiàn)[52]在次用戶干擾率（通信速率與干擾速率之比）和次用戶檢測(cè)性能（檢測(cè)概率和虛警概率）的約束下，給出了通過調(diào)整頻譜檢測(cè)時(shí)間最大化吞吐量。當(dāng)次用戶在能量收集帶時(shí)從主用戶信號(hào)收集能量，當(dāng)處在保護(hù)帶外且收集能量超過預(yù)定門限時(shí)傳輸數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[53]基于隨機(jī)幾何工具給出了一個(gè)可變功率傳輸方案，得到了次用戶的傳輸概率表達(dá)式，并分析了次用戶和主用戶的截?cái)喔怕屎屯掏铝?。文獻(xiàn)[54]繼續(xù)考慮多個(gè)次用戶從一個(gè)主用戶RF信號(hào)中收集能量并共享一個(gè)主用戶空閑信道時(shí)的性能，為最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量（包括全部主次用戶），討論信道檢測(cè)概率和接入概率的聯(lián)合影響，在能量隊(duì)列無(wú)限大或很小的2種極端情況下，給出了能量到達(dá)率、信道可用概率和競(jìng)爭(zhēng)此用戶數(shù)的關(guān)系。此外，文獻(xiàn)[55]還給出了具有能量收集功能的認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)的功能和認(rèn)知圈及RF收集能量供應(yīng)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了當(dāng)時(shí)的相關(guān)研究情況，還重點(diǎn)討論了頻譜檢測(cè)時(shí)間和能量收集的平衡、頻譜接入方式、信道選擇決策等問題。

在針對(duì)從其他RF信號(hào)收集能量方面，也有一些文獻(xiàn)進(jìn)行了討論。為最大化次用戶吞吐量，文獻(xiàn)[56]引入次用戶能量隊(duì)列，利用馬爾可夫決策過程，首次對(duì)具有能量收集功能的認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)的能量收集時(shí)間和頻譜感知時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，并通過檢測(cè)可靠性和吞吐量的折中獲得優(yōu)化的能量利用。文獻(xiàn)[57]引入能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)，定義了共享信道接入概率，討論了傳輸碰撞約束下調(diào)整頻譜檢測(cè)門限以最大化總的吞吐量，得到了最優(yōu)的頻譜檢測(cè)門限、頻譜能量受限界和頻譜受限界?；谖墨I(xiàn)[57]，文獻(xiàn)[58]研究傳輸功率對(duì)能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)性能的影響，進(jìn)一步討論了傳輸功率與平均吞吐量及能量到達(dá)率的關(guān)系，并得到優(yōu)化的功率控制策略。文獻(xiàn)[59]考慮次用戶通過能量收集提供能源時(shí)的理論吞吐量，將主用戶業(yè)務(wù)時(shí)域相關(guān)性建模為一個(gè)離散馬爾可夫過程，考慮能量到達(dá)率、時(shí)域相關(guān)性、頻譜檢測(cè)門限影響，在整體能量消耗不超過收集的能量約束和碰撞約束下得到了最大吞吐量的上界。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[60]設(shè)計(jì)了優(yōu)化的次用戶頻譜接入方案，并達(dá)到文獻(xiàn)[59]中能量收集次用戶吞吐量的理論上界。文獻(xiàn)[61]繼續(xù)對(duì)文獻(xiàn)[59]進(jìn)行改進(jìn)，以平均吞吐量作為目標(biāo)函數(shù)，并考慮了能量收集率和次用戶進(jìn)行頻譜檢測(cè)的概率，同時(shí)增加了頻譜檢測(cè)概率時(shí)間相關(guān)性約束，這樣可以同時(shí)取得能量有效性和頻譜有效性；進(jìn)一步導(dǎo)出了優(yōu)化的能量收集率和檢測(cè)門限。

文獻(xiàn)[62]通過過去和現(xiàn)在的觀測(cè)信息代替能量收集量的預(yù)測(cè)值，聯(lián)合優(yōu)化功率分配策略和頻譜檢測(cè)持續(xù)時(shí)間最大化次用戶吞吐量，利用滑窗方法得到次優(yōu)算法，并實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)的能量管理。文獻(xiàn)[63]考慮次用戶傳輸端具有能量收集功能時(shí)，在整體能量消耗不超過收集的能量約束和碰撞約束下，通過最大化次用戶平均吞吐量得到次用戶傳輸端的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)和檢測(cè)門限的關(guān)系。對(duì)于次用戶具有能量收集功能的單用戶多信道的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[64]在能量中和約束（energy neutrality constraint）下，通過選擇最優(yōu)信道進(jìn)行檢測(cè)和傳輸最大化次用戶平均頻譜效率，得到了信道選擇準(zhǔn)則，并討論了檢測(cè)錯(cuò)誤和能量可用概率的影響。在文獻(xiàn)[65]中，次用戶由能量收集方式自供能，且次用戶包括能量收集（存儲(chǔ)）—頻譜檢測(cè)—傳輸3個(gè)階段處理，考慮3個(gè)處理階段時(shí)長(zhǎng)的折中實(shí)現(xiàn)最大化次用戶吞吐量，并討論不精確的能量到達(dá)率影響。文獻(xiàn)[66]考慮多時(shí)隙頻譜檢測(cè)問題，為了最大化次用戶吞吐量，討論了能量存儲(chǔ)率、檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)和檢測(cè)門限之間的聯(lián)合優(yōu)化。在文獻(xiàn)[66]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[67]進(jìn)一步討論了多時(shí)隙頻譜檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)融合和決策融合2種頻譜檢測(cè)融合規(guī)則下，構(gòu)建了非線性整數(shù)優(yōu)化問題，能量存儲(chǔ)率、檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)和檢測(cè)門限之間的聯(lián)合優(yōu)化及折中關(guān)系。文獻(xiàn)[68]考慮多個(gè)中繼的認(rèn)知中繼信道，主用戶和次用戶都具有能量收集能力，認(rèn)知中繼采用波束成形傳輸信息以減少對(duì)主用戶干擾，但沒有考慮主次用戶之間協(xié)作；給出了一種新的次用戶協(xié)作協(xié)議，該協(xié)議利用多中繼集的稀疏性，并可以動(dòng)態(tài)選擇QoS最好的中繼。

文獻(xiàn)[69]首次在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中考慮次用戶從主用戶信號(hào)中收集能量問題。設(shè)次用戶傳輸端以時(shí)分方式處于等待模式和忙模式。在等待模式（等待主用戶傳輸信息結(jié)束），若產(chǎn)生干擾很小，則次用戶以Underlay傳輸信息，若產(chǎn)生干擾影響主用戶，則次用戶不傳輸而從主用戶信號(hào)收集能量，目標(biāo)為最大化剩余能量；在忙模式（主用戶空閑），次用戶以O(shè)verlay傳輸信息，目標(biāo)為保證主用戶QoS下最大化吞吐量。在每個(gè)時(shí)隙開始，為了最大化長(zhǎng)期吞吐量，次用戶利用部分可觀測(cè)馬爾可夫決策過程確定是睡眠還是檢測(cè)主用戶信道，并利用能量門限確定傳輸信息形式，并給出了優(yōu)化接入策略。在次用戶和主用戶都利用環(huán)境收集能量供電的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，文獻(xiàn)[70]利用隱輸入馬爾可夫模型建模主次用戶的交互，探討了二維（2D）頻譜檢測(cè)方案，并能聯(lián)合檢測(cè)頻譜和估計(jì)主用戶的傳輸功率等級(jí)。文獻(xiàn)[71]考慮能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中次用戶傳輸功率優(yōu)化，對(duì)信道估計(jì)和能量收集的不確定性建模，以干擾和能量約束下，以最大化吞吐量為目標(biāo)，得到健壯的功率控制方法。在RF能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)多個(gè)次用戶協(xié)作頻譜檢測(cè)方法具有局限（沒有體現(xiàn)RF能量收集的影響），文獻(xiàn)[72]考慮對(duì)協(xié)作頻譜檢測(cè)進(jìn)行優(yōu)化，并給出了2種信道模式選擇方法及對(duì)協(xié)作頻譜檢測(cè)的影響。在RF能量收集認(rèn)知中繼信道中，傳統(tǒng)的多中繼選擇方法具有局限（沒有體現(xiàn)RF能量收集的影響），針對(duì)干擾和距離約束下的多個(gè)DF中繼選擇，文獻(xiàn)[73]給出了一種機(jī)會(huì)中繼選擇策略，并得到考慮得到次用戶截?cái)喔怕时磉_(dá)式。

在認(rèn)知無(wú)線電傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器（次用戶）通過收集的能量進(jìn)行感知和傳輸數(shù)據(jù)，為了有效進(jìn)行能量管理、頻譜管理和資源分配，在主用戶保護(hù)和傳感器數(shù)據(jù)隊(duì)列穩(wěn)定性約束下，文獻(xiàn)[74]構(gòu)造了一個(gè)聚集網(wǎng)絡(luò)效用優(yōu)化模型，基于李雅普諾夫（Lyapunov）優(yōu)化將效用優(yōu)化模型分解為能量管理子問題、頻譜管理子問題和資源分配子問題，并給出了相應(yīng)的低復(fù)雜度的在線算法。文獻(xiàn)[75]繼續(xù)討論次用戶具有能量收集功能的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中能量收集—頻譜檢測(cè)—數(shù)據(jù)傳輸（SST）優(yōu)化問題，為最大化能量利用率，給出了一個(gè)三模式選擇的SST協(xié)議，在預(yù)定剩余能量門限下聯(lián)合優(yōu)化能量存儲(chǔ)率和傳輸功率。在次用戶（多個(gè)）傳輸機(jī)具有從主用戶信號(hào)和附近專用無(wú)線供能站收集能量情況下，次用戶在收集能量和傳輸數(shù)據(jù)之間進(jìn)行時(shí)間切換；在主用戶傳輸功率及次用戶對(duì)主用戶接收機(jī)干擾約束下，文獻(xiàn)[76]討論了主用戶對(duì)次用戶性能的影響，給出了系統(tǒng)模型，構(gòu)建了性能影響和主用戶傳輸功率及次用戶對(duì)主用戶接收機(jī)干擾之間的分析表達(dá)式；結(jié)果顯示，當(dāng)次用戶接近主用戶傳輸機(jī)時(shí)，盡管可以從主用戶信號(hào)收集能量，但主用戶傳輸?shù)母蓴_也下降次用戶性能，另外，次用戶對(duì)主用戶接收機(jī)干擾約束也限制了次用戶性能。目前，能量收集認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（EH-CRN）理論模型中都沒有考慮能量狀態(tài)變化，文獻(xiàn)[77]中給出了馬爾可夫電池模型和能量消耗概率，并用分組丟失率優(yōu)化傳輸策略，討論了能量階段概率和頻譜檢測(cè)不準(zhǔn)確的影響。

但是，上述研究沒有考慮主次用戶協(xié)作，部分文獻(xiàn)條件和策略設(shè)置太簡(jiǎn)單，各信道信息需要接收機(jī)反饋沒有說明；忽略次用戶接收端（SR）的能量收集，對(duì)具體能量管理策略和功率控制問題沒有討論，缺乏對(duì)頻譜檢測(cè)錯(cuò)、用戶業(yè)務(wù)到達(dá)率影響分析，也沒有考慮Underlay通信方式可以持續(xù)進(jìn)行能量收集以及相應(yīng)的吞吐量、遲延和能量的折中問題。

此外，本文也注意到一些文獻(xiàn)對(duì)次用戶2種能源（能量收集的能量和傳統(tǒng)電網(wǎng)/電池的能源）供應(yīng)，這時(shí)收集的能量可以存儲(chǔ)起來(lái)，與傳統(tǒng)能源進(jìn)行集中管理或分開管理，整體能量消耗不能超過2種能量總和。在該方面，為了不對(duì)主用戶干擾，文獻(xiàn)[78]利用隨機(jī)幾何模型和獨(dú)立同分布泊松點(diǎn)過程考慮主用戶的傳輸保護(hù)帶和能量收集帶，若ST在能量收集帶則進(jìn)行機(jī)會(huì)能量收集（從主用戶信號(hào)中收集能量），若ST沒有在傳輸保護(hù)帶則進(jìn)行機(jī)會(huì)傳輸通信；在截?cái)喔怕始s束下，通過優(yōu)化次用戶的傳輸功率和密度，最大化次用戶吞吐量，但是，沒有結(jié)合SR的能量收集，ST的能量管理太簡(jiǎn)單，ST定向傳輸則不受傳輸保護(hù)帶限制。文獻(xiàn)[79]對(duì)協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電的研究進(jìn)行了總結(jié)，利用極化可以避免干擾思想，次用戶基站和均有正交極化天線，且次用戶終端有太陽(yáng)能收集功能，給出了基于極化和能量收集的2個(gè)階段協(xié)作構(gòu)架與傳輸幀結(jié)構(gòu)，得到一種最大化加權(quán)和速率的低復(fù)雜度優(yōu)化功率分配策略，提高了頻譜效率和能量效率，但是，未考慮RF能量收集和能量管理策略，極化天線利用效率不高，也可采用波束成形方式。文獻(xiàn)[80]考慮由能量收集供電的頻譜檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和電池供電的傳感節(jié)點(diǎn)組成的異構(gòu)認(rèn)知傳感網(wǎng)絡(luò)，頻譜檢測(cè)節(jié)點(diǎn)感知空閑信道傳輸傳感節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；在能量約束下，分別給出了最大化檢測(cè)時(shí)間的頻譜檢測(cè)節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略，以及傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間、功率和信道分配方案，但是，未考慮主次用戶協(xié)作及頻譜檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)協(xié)作。

4 CRN中能量協(xié)作和能量收集

CRN中主要研究主次用戶之間的信息協(xié)作，當(dāng)次用戶能量受限且離主用戶發(fā)送（PT）端較近時(shí)，也需要考慮主次用戶之間進(jìn)行能量協(xié)作；通過能量傳遞進(jìn)行能量共享/協(xié)作可以解決能量收集的隨機(jī)變化和不穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高能量效率；基于表1中技術(shù)結(jié)合3)，還可以實(shí)現(xiàn)三維資源協(xié)作利用，即頻譜共享協(xié)作、干擾收集能量、能量共享協(xié)作。在具有能量協(xié)作的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)方面，2014年才得到重視并開始研究[81]，大部分都與能量收集結(jié)合進(jìn)行研究[82~89]，其概要分類如表4所示。

針對(duì)一個(gè)主用戶對(duì)（PT-PR）和一個(gè)次用戶對(duì)（ST-SR），文獻(xiàn)[81]首次考慮主次用戶之間同時(shí)進(jìn)行能量協(xié)作和信息協(xié)作，在單向通信情況下，假設(shè)次用戶ST（中繼）具有多個(gè)天線，提出了次用戶基于功率分流與時(shí)間交換的無(wú)線能量和信息協(xié)作方案（2種），并分別給出了和速率優(yōu)化與波束成形的相應(yīng)算法；結(jié)果顯示，同時(shí)能量協(xié)作和信息協(xié)作改進(jìn)了性能，而功率分流方案效果更好。但是，沒有考慮主用戶或次用戶收集干擾獲取能量，忽略次用戶中繼主用戶信息需要的時(shí)間問題，僅僅在單個(gè)時(shí)隙進(jìn)行能量和信息同時(shí)協(xié)作，也沒有考慮次用戶自己傳輸信息的優(yōu)化方案。

其后，文獻(xiàn)[82]假設(shè)具有多個(gè)天線的一個(gè)對(duì)ST和SR，為了同時(shí)進(jìn)行能量和信息協(xié)作，考慮2個(gè)階段協(xié)作，并引入了參數(shù)調(diào)節(jié)2個(gè)階段長(zhǎng)度，以克服文獻(xiàn)[81]中忽略次用戶中繼主用戶信息需要的時(shí)間問題，ST（中繼）采用基于功率分流的無(wú)線能量和信息協(xié)作方案，并分別給出了和速率優(yōu)化與波束成形的相應(yīng)算法。針對(duì)主用戶能量受限的情況，文獻(xiàn)[83]考慮2個(gè)階段協(xié)作。階段1) 次用戶可以自由地接入傳輸信息，主用戶從次用戶信號(hào)中收集能量；階段2) 主用戶利用收集能量傳輸自己信息，分析了主次用戶的吞吐量和截?cái)喔怕省Ｎ墨I(xiàn)[84]考慮多個(gè)次用戶對(duì)和主用戶接入策略，分別對(duì)文獻(xiàn)[81]和文獻(xiàn)[83]的工作進(jìn)行了擴(kuò)展；設(shè)計(jì)了3個(gè)階段能量協(xié)作和信息協(xié)作協(xié)議，側(cè)重次用戶接入方式處理，給出5種接入策略并進(jìn)行數(shù)字分析。但是，僅適用于PT能量受限的情況，每種接入策略的討論太簡(jiǎn)單，忽略了主用戶接入策略，即由收集能量到傳輸信息的轉(zhuǎn)換接入；另外，未涉及如何選取階段時(shí)長(zhǎng)參數(shù)，當(dāng)有多個(gè)主用戶對(duì)或多個(gè)次用戶對(duì)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)非常復(fù)雜，還可以考慮發(fā)送廣播信號(hào)供次用戶檢測(cè)并停止占用頻譜。

表4 能量協(xié)作、能量收集（EC+EH+SS）文獻(xiàn)

由于RF能量收集受時(shí)間、空間（位置）、無(wú)線電頻率、能量到達(dá)率及收集設(shè)備靈敏度等影響和隨機(jī)變化，需要考慮用戶之間的能量共享，以充分發(fā)揮能量資源的效益；在總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[85]給出了2種能量共享方案，包括用戶之間直接能量傳輸?shù)闹苯庸蚕?、用戶之間通過業(yè)務(wù)分流進(jìn)行間接能量共享，并對(duì)其進(jìn)行了比較分析。文獻(xiàn)[86]考慮認(rèn)知蜂窩網(wǎng)絡(luò)中蜂窩基站（主用戶發(fā)送端，PT）及蜂窩用戶（主用戶接收端，PR）和認(rèn)知基站（次用戶發(fā)送端，ST）及認(rèn)知用戶（次用戶接收端，SR）之間進(jìn)行同時(shí)頻譜和能量協(xié)作，ST和PR具有多天線，且PR具有能量收集功能；ST與PR進(jìn)行協(xié)作，ST采用波束成形分別向SR和PR定向傳輸信息，PR采用時(shí)分模式進(jìn)行能量收集（當(dāng)ST傳輸信息時(shí)）和信息接收（當(dāng)PT傳輸信息時(shí)），這樣實(shí)現(xiàn)互惠互利（ST獲得頻譜傳輸機(jī)會(huì)，PR收集到能量備用）；在同時(shí)保證蜂窩用戶吞吐量和能量收集量約束下給出了最大化認(rèn)知用戶容量的優(yōu)化問題，并轉(zhuǎn)化為SDP問題求解。但是，僅考慮了集中控制方式的能量共享，且方案不具體；另外，沒有考慮如何調(diào)節(jié)PR采用時(shí)分模式的時(shí)長(zhǎng)參數(shù)，且該參數(shù)要同時(shí)保證吞吐量和能量收集量。

在Underlay認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，由于認(rèn)知用戶沒有主用戶是否傳輸?shù)男畔?，為不干擾主用戶，傳統(tǒng)做法是次用戶以較低功率發(fā)送信息，這樣次用戶傳輸質(zhì)量也不太好；文獻(xiàn)[87]首次在Underlay認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中考慮能量協(xié)作，主用戶PT能量受限，次用戶ST向主用戶PT傳遞能量，從而可以較高的功率傳輸，使自己的傳輸性能得以改善；在單時(shí)隙工作情況給出了優(yōu)化的功率傳遞策略，在2個(gè)時(shí)隙情況給出了次優(yōu)的功率分配和傳遞策略。針對(duì)Underlay認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，中繼通過次用戶ST向其同時(shí)傳遞能量和信息時(shí)收集的能量供能，文獻(xiàn)[88]得到了次用戶ST-SR對(duì)之間的截?cái)喔怕时磉_(dá)式及隨信干噪比（SINR）的變化關(guān)系，并求得高SINR時(shí)的閉式解。但是，僅針對(duì)認(rèn)知中繼信道，且主次用戶之間沒有協(xié)作，功率分配和傳遞策略太簡(jiǎn)單。

以上研究主要是針對(duì)一個(gè)頻率在能量協(xié)作/共享，文獻(xiàn)[89]假設(shè)2個(gè)頻率且協(xié)作的頻譜是正交，考慮認(rèn)知蜂窩小區(qū)之間進(jìn)行同時(shí)頻譜和能量協(xié)作實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)，結(jié)合比例公平性，基于總費(fèi)用最小給出了同時(shí)頻譜和能量協(xié)作方案以及相應(yīng)的分布式優(yōu)化算法，為優(yōu)化設(shè)計(jì)協(xié)作蜂窩系統(tǒng)提供了重要參考。但是，沒有給出具體的能量協(xié)作管理策略，另外，假設(shè)頻譜和能量成本都是固定的，實(shí)際情況下這會(huì)動(dòng)態(tài)變化，應(yīng)考慮定價(jià)和博弈問題。

5 CRN中同時(shí)能量協(xié)作、能量收集和協(xié)作中繼

在CRN中可以同時(shí)能量協(xié)作、能量收集和信息協(xié)作（協(xié)作中繼），在能量收集和協(xié)作中繼結(jié)合優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高能量效率；基于表1中技術(shù)結(jié)合4)，并實(shí)現(xiàn)四維資源協(xié)作利用：頻譜共享協(xié)作、干擾收集能量、中繼協(xié)作傳輸信息、能量共享協(xié)作，但總體目前研究工作不多[90~93]，其概要分類如表5所示。

文獻(xiàn)[90]針對(duì)主用戶網(wǎng)絡(luò)（一個(gè)接入點(diǎn)和主用戶）和多個(gè)次用戶網(wǎng)絡(luò)共存情況，且主用戶缺乏能量但頻譜充足，次用戶缺乏頻譜而能量充足，考慮主次用戶進(jìn)行協(xié)作頻譜共享；為了改進(jìn)主用戶的傳輸性能，主用戶選擇一個(gè)較近的次用戶傳遞能量給他，且該次用戶幫助他中繼數(shù)據(jù)給接入點(diǎn)，而主用戶則分配給部分頻譜給選中的次用戶傳輸數(shù)據(jù)；假設(shè)次用戶按泊松點(diǎn)過程（PPP）分布在2D平面，主用戶收集能量時(shí)間與次用戶吞吐量之間存在一個(gè)折中，在主用戶QoS約束下最大化次用戶的整體吞吐量，給出了優(yōu)化的帶寬（主用戶給次用戶傳輸數(shù)據(jù)）分配和時(shí)間（次用戶給主用戶收集能量）分配算法，并利用隨機(jī)幾何分析了系統(tǒng)性能。但是，忽略了遲延問題，如何選擇次用戶協(xié)作、多個(gè)次用戶之間是否可以協(xié)調(diào)行動(dòng)（包括協(xié)調(diào)傳能量和協(xié)調(diào)用頻譜等）沒有涉及。

為了同時(shí)提供主用戶和次用戶的業(yè)務(wù)速率保證，文獻(xiàn)[91]考慮在多個(gè)時(shí)隙主次用戶間進(jìn)行能量和信息同時(shí)協(xié)作，給出了主用戶速率優(yōu)化和迭代算法。根據(jù)環(huán)境和業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)變化情況，文獻(xiàn)[92]通過調(diào)整小區(qū)尺寸進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾磙D(zhuǎn)移一個(gè)小區(qū)的業(yè)務(wù)到另一個(gè)小區(qū)，將一個(gè)小區(qū)的能量傳遞到另一個(gè)小區(qū)進(jìn)行能量協(xié)作，進(jìn)一步提高能效實(shí)現(xiàn)綠色通信?？紤]認(rèn)知蜂窩小區(qū)之間進(jìn)行聯(lián)合能量和業(yè)務(wù)協(xié)作，在保證QoS的約束下使網(wǎng)絡(luò)能量消耗最小化，給出了優(yōu)化問題求解和數(shù)字結(jié)果。在文獻(xiàn)[92]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[93]研究同時(shí)能量和業(yè)務(wù)傳遞，有一個(gè)集中控制單元管理基站間的能量和業(yè)務(wù)協(xié)作，考慮包括用戶隨機(jī)到達(dá)、分組隨機(jī)到達(dá)、能量環(huán)境條件隨機(jī)變化等更多隨機(jī)因素的影響。但是，這些工作未考慮雙向能量協(xié)作，沒有考慮有對(duì)環(huán)境和業(yè)務(wù)的感知功能，主用戶（PT和PR）、次用戶（ST和SR）都具有RF能量收集能力未研究；另外，集中控制單元使開銷增加，同時(shí)該單元也存在較大能耗；進(jìn)一步，現(xiàn)在方案在不同小區(qū)之間必須同時(shí)能量和業(yè)務(wù)傳遞，有時(shí)可能小區(qū)之間分別進(jìn)行能量協(xié)作或業(yè)務(wù)協(xié)作效果更好。

表5 能量收集、能量協(xié)作、協(xié)作中繼（EC+EH+IC+SS）文獻(xiàn)

6 研究挑戰(zhàn)與未來(lái)方向

綜上可知，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中多維資源協(xié)作的還有諸多挑戰(zhàn)，存在不少需要解決的問題，總結(jié)如下。

表1中技術(shù)結(jié)合1)可實(shí)現(xiàn)三維資源（頻譜協(xié)作、干擾收集能量、信息協(xié)作）的協(xié)作利用，研究較少[31~36]；例如，在認(rèn)知蜂窩D2D網(wǎng)絡(luò)下行中，主用戶（基站）頻譜充足而傳輸條件差（小區(qū)邊沿蜂窩用戶），次用戶（D2D用戶）位置較好而缺乏頻譜的場(chǎng)景，為了獲得頻譜傳輸機(jī)會(huì)，次用戶幫助主用戶中繼傳輸其信號(hào)（信息協(xié)作），同時(shí)獲得自己的傳輸頻譜機(jī)會(huì)（頻譜協(xié)作），且主用戶和次用戶都可以在對(duì)方數(shù)據(jù)傳輸（干擾）階段進(jìn)行RF能量收集。

表1中技術(shù)結(jié)合2)僅可實(shí)現(xiàn)二維資源（頻譜協(xié)作、干擾收集能量）協(xié)作利用，且研究較多[37~80]，雖然還存在一些問題，但繼續(xù)研究潛力有限。

表1中技術(shù)結(jié)合3)可實(shí)現(xiàn)三維資源（頻譜協(xié)作、干擾收集能量、能量協(xié)作）的協(xié)作利用，研究也不多[81~89]；例如，在認(rèn)知無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，主用戶（傳感器）頻譜充足而能量不足，次用戶（非授權(quán)用戶）能量充足而缺乏頻譜的場(chǎng)景，為了獲得能量補(bǔ)充，主用戶給次用戶（ST）頻譜傳輸機(jī)會(huì)（頻譜協(xié)作），同時(shí)次用戶（ST）向主用戶傳遞能量（能量協(xié)作），且次用戶（SR）和主用戶也可分別從能量傳遞和數(shù)據(jù)傳輸階段進(jìn)行RF能量收集。

表1中技術(shù)結(jié)合4)可實(shí)現(xiàn)四維資源（頻譜、干擾收集能量、能量、信息）的協(xié)作利用，這方面研究[90~93]剛開始。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩D2D網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知專用/應(yīng)急無(wú)線通信網(wǎng)等）中，主用戶擁有頻譜資源，次用戶與主用戶共享頻譜。當(dāng)主用戶能量充足但傳輸條件差、次用戶能量不足時(shí)，為了改進(jìn)傳輸性能，主用戶向次用戶傳遞能量（能量協(xié)作），而次用戶幫助主用戶中繼傳輸數(shù)據(jù)（信息協(xié)作），同時(shí)次用戶也可從主用戶獲得頻譜傳輸自己數(shù)據(jù)（頻譜協(xié)作），進(jìn)一步，能量傳遞和數(shù)據(jù)傳輸階段次用戶和主用戶都可以進(jìn)行RF能量收集。當(dāng)主用戶能量不足且傳輸條件差、次用戶能量充足時(shí)，為了獲得頻譜傳輸機(jī)會(huì)，次用戶向主用戶傳遞能量（能量協(xié)作），而主用戶則分配給部分頻譜給次用戶傳輸數(shù)據(jù)（頻譜協(xié)作），同時(shí)次用戶還可幫助主用戶中繼傳輸數(shù)據(jù)（信息協(xié)作），進(jìn)一步，在能量傳遞和數(shù)據(jù)傳輸階段主用戶和次用戶都可以進(jìn)行RF能量收集。

盡管表1中技術(shù)結(jié)合4)可以充分利用4種資源，同時(shí)提升頻譜效率和能量效率，具有很好的應(yīng)用前景；但是，必須構(gòu)建包括不同功能節(jié)點(diǎn)、4種資源、3種協(xié)作方式、多種優(yōu)化參數(shù)、各類約束條件等的系統(tǒng)模型，涉及異構(gòu)能量和信息協(xié)作、分布式能量收集和能量管理、主次用戶之間共享激勵(lì)策略、協(xié)作傳輸機(jī)制等問題，需要考慮多維資源的聯(lián)合優(yōu)化和折中、共享協(xié)作的公平性和安全性、頻譜接入的性能等。

因此，四維資源的協(xié)作利用（頻譜協(xié)作、干擾收集能量、能量協(xié)作、信息協(xié)作）出現(xiàn)了許多新挑戰(zhàn)，主要包括：不同協(xié)作方式、相互制約優(yōu)化目標(biāo)及多種約束參數(shù)給四維資源協(xié)作利用聯(lián)合優(yōu)化帶來(lái)的復(fù)雜性，協(xié)作方主導(dǎo)地位變化導(dǎo)致主次用戶之間頻譜共享、干擾收集、中繼傳輸、能量協(xié)作的博弈激勵(lì)機(jī)制設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，協(xié)作方是否可信產(chǎn)生的四維資源（頻譜、能量、干擾、中繼）協(xié)作利用安全問題。

為了突破這些認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中四維資源協(xié)作利用的挑戰(zhàn)，需要解決四維資源協(xié)作利用的模型和方案，四維資源協(xié)作利用的優(yōu)化，四維資源協(xié)作利用的激勵(lì)和管理，四維資源協(xié)作利用的安全性，為此，可能的研究方向包括基于四維資源（頻譜、能量、干擾、中繼）協(xié)作的模型和協(xié)作方案，四維資源（頻譜、能量、干擾、中繼）協(xié)作利用的聯(lián)合優(yōu)化算法，主次用戶之間頻譜共享、干擾收集、中繼傳輸、能量協(xié)作的激勵(lì)機(jī)制與能量管理算法，安全的四維資源（頻譜、能量、干擾、中繼）協(xié)作利用策略與算法等。這些問題的突破和解決，將具有重要應(yīng)用前景，會(huì)影響未來(lái)無(wú)線通信的發(fā)展。

7 結(jié)束語(yǔ)

四維資源（頻譜、能量、干擾、中繼）的協(xié)作利用，將提升頻譜效率和能量效率，并改進(jìn)吞吐量和服務(wù)質(zhì)量，在移動(dòng)通信中體現(xiàn)了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、開放、綠色、共享”的發(fā)展理念。本文總結(jié)和分析了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中主次用戶之間的干擾收集、能量協(xié)作、信息協(xié)作問題，包括四維資源協(xié)作模型與總體研究情況，CRN中能量收集與協(xié)作中繼，CRN中能量協(xié)作和能量收集，CRN中同時(shí)能量協(xié)作、能量收集和協(xié)作中繼，研究挑戰(zhàn)與未來(lái)方向等，這對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)具有重要意義。

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Recent advances and future challenges of four key resourcescooperation in cognitive radio network

XIE Xianzhong, LUO Ying, YAN Ke, CHEN Jiujiu

Key Lab of Computer Networks and Communications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

Cognitive radio (CR) can improve spectrum utilization by spectrum sharing or cooperation between the primary user and secondary users. It is well known that energy, interference and relay are also three key resources in cognitive radio network (CRN). Energy cooperation or sharing between the primary user and secondary user will further promote energy efficiency. Energy harvesting from RF interference signal can turn bane (interference) into a boon (green energy). Secondary user relay data of the primary user can enhance QoS of the primary user, also get some opportunities for their own transmission. Thus, four resources cooperation (spectrum, energy, interference, relay) in CRN will improve simultaneously both spectrum efficiency and energy efficiency, and also increase throughput and QoS. The overviews for collaborative utilization problems of four key resources in CRN was given. Firstly, collaboration models of four key resources were analyzed. Then, recent research advances were summarized, including three kinds of resources collaborative utilization (both energy harvesting and relay transmission, both energy cooperation and energy harvesting) and four resources collaborative utilization (simultaneous relay transmission, energy harvesting and energy cooperation) in CRN. Further, some potential challenges of four key resources cooperation in CRN were discussed. Finally, some key future research directions was concluded.

cognitive radio, spectrum sharing, interference harvesting, energy cooperation, information cooperation

TN929.53

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2018033

2017-07-31；

2018-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61271259, No.61471076, No.61601070）；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目（No.KJ1600411)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.CSTC2016jcyjA0455）；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.IRT1299）；重慶市教委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)基金資助項(xiàng)目（No.JK12010000062）

The National Natural Science Foundation of China (No.61271259, No.61471076, No.61601070), The Science and Technology Project Affiliated to the Education Department of Chongqing (No.KJ1600411), The Basic and Frontier Research Project Affiliated to Chongqing (No.CSTC2016jcyjA0455), The Developed Program for Changjiang Scholars and Innovative Team (No.IRT1299), Key Lab’s Special Fund Project Affiliated to the Education Department of Chongqing(No.JK12010000062)

謝顯中（1966-），男，四川通江人，博士，重慶郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦蓴_對(duì)齊、認(rèn)知無(wú)線電、協(xié)作通信技術(shù)等。

羅瑩（1994-），女，重慶人，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電、能量收集與協(xié)作技術(shù)。

嚴(yán)可（1995-），女，重慶人，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電、信息與能量同傳技術(shù)。

陳九九（1994-），男，湖南岳陽(yáng)人，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樾畔⑴c能量同傳技術(shù)、全雙工無(wú)線通信系統(tǒng)。