基於可持續充電水聲多跳通信系統的資源分配方法與流程

2023-05-18 16:38:46

本發明涉及水聲通信系統的中繼能源供應
技術領域：
，尤其是一種可顯著提高系統的可達遍歷和容量上界的方法。
背景技術：
：水聲通信技術是當前研究的熱點問題之一。在水聲通信系統中，信號在傳輸過程中受到窄帶、高噪聲、長時延傳輸等因素影響，發送節點發射的信號到達目的節點時，信號的大幅度衰減和畸變使得信息傳輸的可靠性下降。為了解決上述問題，中繼放大傳輸技術應運而生，中繼放大傳輸作為一種很有應用前景的中繼策略，可降低基站到水下傳感器的傳輸距離，能夠降低傳輸損耗帶來的不利影響，並且簡單、易於配置和擴展。與此同時，能量供應問題也是目前的挑戰。在傳統的水聲傳感器網絡中，傳感器節點通常採用電池供電。有限的能量會制約網絡的工作壽命，並且帶來很高的運營成本(例如更換數以百計的節點的電池)；另一方面，節點電池攜帶的能量非常有限，電池存儲能量的多少決定了整個節點的壽命。因此，能量獲取成為水聲通信網絡中需要優先考慮的一個問題，也是系統設計中最大的挑戰。在此背景下，本文考慮了一種具有能量收集能力的無線供電的水聲通信系統。引入一種新的無線充電技術，作為水聲通信系統的中繼能源供應方式。中繼可以通過微波無線電力傳輸裝置從基站遠程補充能量。相比傳統的能源供電方式，該技術可以減少頻繁手動更換電池的麻煩，並有更高的吞吐量，更長的元件壽命以及更低的網絡運營成本。此外，無線充電還可以根據不同的環境和服務需求控制它的發射功率、波形、佔用時間和頻率尺寸等。這些明顯的優勢使得無線供電成為一個有發展前景的新模式。技術實現要素：本發明要解決的技術問題為：引入一種新的無線充電技術，作為水聲通信系統的中繼能源供應方式，相比傳統的能源供電方式，該技術可以減少頻繁手動更換電池的麻煩，並有更高的吞吐量，更長的元件壽命以及更低的網絡運營成本。本發明提出了水聲中繼系統模型，其中中繼採用無線充電技術，並基於系統在可達遍歷和容量上邊界最大，提出了一種時隙分配方案。該方案與其它方案相比，顯著提高了系統的可達遍歷和容量上界本發明採取的技術方案具體為：一種基於充電的水聲中繼系統基於充電的水聲中繼系統由一個船載基站、K個水下傳感器以及每個傳感器對應的水面的聲吶中繼組成。另外，系統的基站、中繼和傳感器都是單天線的，中繼有一個放大器用來放大從傳感器接收到的信號，並且中繼端配有可充電電源，可以從基站發送的信號中獲取能量。上述系統的通信方法，其特徵在於整個通信過程可分為兩個階段，第一階段為下行鏈路傳輸階段，即基站給中繼充電的過程；第二階段為上行鏈路傳輸階段，即水下傳感器通過中繼放大轉發將信號發送至基站的過程。基站S到第i個中繼Bi的下行鏈路信道功率增益滿足其中復隨機變量表示下行鏈路信道信息；第i個傳感器Ui到第i個中繼Bi以及第i個中繼Bi到基站S的上行鏈路信道功率增益分別滿足和其中復隨機變量表示水下傳感器到中繼的信道信息，復隨機變量表示中繼到基站的信道信息；採用時分復用的通信方式，避免了各個傳感器間的幹擾；τ0為下行鏈路基站給中繼的歸一化充電時間，τi為上行鏈路中第i個傳感器Ui發送信號到基站的歸一化時間，且有上述通信方法，其特徵在於在第一個階段，即下行鏈路能量傳輸過程中，控制充電時間長度為τ0。第i個中繼接收到的能量為其中表示充電效率，我們令xS為基站在第一個時隙發送的信號，xS為復隨機信號並滿足E[|xS|2]＝PS，而pS表示基站的發射功率。上述通信方法，其特徵在於在第二階段，即上行鏈路傳輸中，第i個傳感器的通信時間長度為τi，yBi表示中繼端接收信號，nBi表示中繼端接收噪聲，且其中為此噪聲的方差，則有yBi=g1ixi+nBi,i=1,...,K]]>其中xi表示傳感器Ui端發射信號，pUi為第i個傳感器Ui的發射功率，且xi～CN(0,pUi)，中繼以放大因子αi對接收到信號放大並轉發給基站，ySi表示基站接收信號，nSi表示基站端接收噪聲，且其中為此噪聲的方差，則基站接收到的信號為ySi=αig2ig1ixi+αig2inBi+nSi,i=1,...,K]]>其中PBi為第i個中繼的發射功率，xU即為傳感器Ui端發射信號xi，由Ei的表達式可以得到由γSi和pBi的表達式得到水下傳感器到基站通信速率表達式為Ri(τ)=τilog2(1+αi2g2ig1iαi2g2inBi2+nSi2)=τilog2(1+aiτ0biτ0+ciτi)]]>其中τ＝[τ0,τ1,…,τK]，ci＝glinSi2pUi+nBi2nSi2對上述系統進行最大系統遍歷和容量上界最大化的方案設計。系統遍歷和容量上界定義為系統和速率的期望能夠達到的最大值，系統和速率表達式為Rsum(τ)=Σi=1KRi(τ)]]>由於水聲信道的多變性使得其難以估計，對水聲信道進行統計平均，即對g1i取均值，且Rsum(τ)關於g1i為凹函數，根據詹森不等式，遍歷和容量滿足ERsum(τ)=EΣi=1Kτilog2(1+aiτ0biτ0+ciτi)≤Σi=1Kτilog21+E(ai)τ0E(bi)τ0+E(ci)τi]]>其中E(ai),E(bi),E(ci)分別為E(ci)＝nSi2pUiE(g1i)+nBi2nSi2這之中，表示第i個中繼的充電效率，令xS為基站在第一個時隙發送的信號，xS為復隨機信號並滿足E[|xS|2]＝PS，而pS表示基站的發射功率；下行鏈路信道功率增益滿足復隨機變量表示下行鏈路信道信息；第i個傳感器Ui到第i個中繼Bi以及中繼Bi到基站S的上行鏈路信道功率增益分別滿足和復隨機變量表示水下傳感器到中繼的信道信息，復隨機變量表示中繼到基站的信道信息；nBi表示中繼端接收噪聲；nSi表示基站端接收噪聲；pUi為第i個傳感器Ui的發射功率。由於各個水下傳感器配備的懸浮到水面的中繼的距離近似相等，在考慮大尺度衰落下不同中繼接收信噪比取同一個值，即E(bi)/E(ai)為同一值。令那麼這個海洋中繼通信系統遍歷和容量上界優化問題可以描述為maxRsum(τ)]]>s.t.Σi=0Kτi≤1]]>τi≥0,i＝1,…,K由解決此問題得到，在遍歷和容量上界最大化下的時間分配為τi*=1A,i=0E(ai)-x*E(bi)E(ci)A,i=1,...,K]]>其中，x*是f(x)的唯一解，f(x)=(1+x)ln(1+x)+(E(bi)E(ai)x-1)(E(bi)E(ai)Σi=1KE(ai)E(ci)-1)x+Σi=1KE(ai)E(ci).]]>即為實際時間，其中T表示一個通信周期。本發明的實行流程：第一步，基站給中繼進行充電；第二步，水下傳感器通過中繼放大轉發將信號發送至基站。通過基站與中繼上的中央控制單位進行時隙控制，保證按照權利要求5中的時隙分配方案對上述兩步驟進行時隙分配，其中，充電過程時隙為通信過程時隙為附圖說明圖1為本發明水聲中繼系統的模型；圖2為本發明TDMA上行鏈路與下行鏈路的時間分配；圖3為基於路徑損耗變化的不同方案對比圖；具體實施方式以下結合附圖和具體實施例進一步描述。結合圖1所示的水聲中繼系統，該系統由一個船載基站、K個水下傳感器以及每個傳感器對應的水面的聲吶中繼組成，其中K為正整數。另外，系統的基站、中繼和傳感器都是單天線的，中繼有一個放大器用來放大從傳感器接收到的信號，並且中繼端配有可充電電源，可以從基站發送的信號中獲取能量。整個通信過程可分為兩個階段，第一階段為下行鏈路傳輸階段，即基站給中繼充電的過程；第二階段為上行鏈路傳輸階段，即水下傳感器通過中繼放大轉發將信號發送至基站的過程。如圖1所示，第i個傳感器Ui到第i個中繼Bi以及第i個中繼Bi到基站S的上行鏈路信道功率增益分別滿足和其中復隨機變量表示水下傳感器到中繼的信道信息，復隨機變量表示中繼到基站的信道信息。結合圖2，這裡採用時分復用的通信方式，避免了各個傳感器間的幹擾；τ0為下行鏈路基站給中繼的歸一化充電時間，τi為上行鏈路中第i個傳感器Ui發送信號到基站的歸一化時間，且有在第一個階段，即下行鏈路能量傳輸過程中，控制充電時間長度為τ0。第i個中繼接收到的能量為其中表示充電效率，我們令xS為基站在第一個時隙發送的信號，xS為復隨機信號並滿足E[|xS|2]＝PS，而ps表示基站的發射功率。在第二個階段，即上行鏈路傳輸中，第i個傳感器的通信時間長度為τi，yBi表示中繼端接收信號，nBi表示中繼端接收噪聲，且nBi～CN(0,σ12)，其中為此噪聲的方差，則有yBi=g1ixi+nBi,i=1,...,K]]>其中xi表示傳感器Ui端發射信號，pUi為第i個傳感器Ui的發射功率，且xi～CN(0,pUi)，中繼以放大因子αi對接收到信號放大並轉發給基站，ySi表示基站接收信號，nSi表示基站端接收噪聲，且nSi～CN(0,σ22)，其中為此噪聲的方差，則基站接收到的信號為ySi=αig2ig1ixi+xg2inBi+nSi,i=1,...,K]]>其中PBi為第i個中繼的發射功率，xU即為傳感器Ui端發射信號xi，由Ei的表達式可以得到由γSi和pBi的表達式得到水下傳感器到基站通信速率表達式為Ri(τ)=τilog2(1+αi2g2ig1iαi2g2inBi2+nSi2)=τilog2(1+aiτ0biτ0+ciτi)]]>其中τ＝[τ0,τ1,…,τK]，ci＝g1inSi2pUi+nBi2nSi2結合圖1系統，進行最大系統遍歷和容量上界最大化的方案設計。系統遍歷和容量上界定義為系統和速率的期望能夠達到的最大值，系統和速率表達式為Rsum(τ)=Σi=1KRi(τ)]]>由於水聲信道的多變性使得其難以估計，對水聲信道進行統計平均，即對g1i取均值，且Rsum(τ)關於g1i為凹函數，根據詹森不等式，遍歷和容量滿足ERsum(τ)=EΣi=1Kτilog2(1+aiτ0biτ0+ciτi)≤Σi=1Kτilog21+E(ai)τ0E(bi)τ0+E(ci)τi]]>其中E(ai),E(bi),E(ci)分別為E(ci)＝nSi2pUiE(g1i)+nBi2nSi2這之中，表示第i個中繼的充電效率，令xS為基站在第一個時隙發送的信號，xS為復隨機信號並滿足E[|xS|2]＝PS，而pS表示基站的發射功率；下行鏈路信道功率增益滿足復隨機變量表示下行鏈路信道信息；第i個傳感器Ui到第i個中繼Bi以及中繼Bi到基站S的上行鏈路信道功率增益分別滿足和復隨機變量表示水下傳感器到中繼的信道信息，復隨機變量表示中繼到基站的信道信息；nBi表示中繼端接收噪聲；nSi表示基站端接收噪聲；pUi為第i個傳感器Ui的發射功率。由於各個水下傳感器配備的懸浮到水面的中繼的距離近似相等，在考慮大尺度衰落下不同中繼接收信噪比取同一個值，即E(bi)/E(ai)為同一值。令那麼這個海洋中繼通信系統遍歷和容量上界優化問題可以描述為maxRsum(τ)]]>s.t.Σi=0Kτi≤1]]>τi≥0,i＝1,…,K由解決此問題得到，在遍歷和容量上界最大化下的時間分配為τi*=1A,i=0E(ai)-x*E(bi)E(ci)A,i=1,...,K]]>其中，x*是f(x)的唯一解，f(x)=(1+x)ln(1+x)+(E(bi)E(ai)x-1)(E(bi)E(ai)Σi=1KE(ai)E(ci)-1)x+Σi=1KE(ai)E(ci).]]>即為實際時間，其中T表示一個通信周期。根據圖1所示系統，結合上述時隙分配方案，得到本發明的實行流程：第一步，基站給中繼進行充電；第二步，水下傳感器通過中繼放大轉發將信號發送至基站。通過基站與中繼上的中央控制單位進行時隙控制，保證按照權利要求5中的時隙分配方案對上述兩步驟進行時隙分配，其中，充電過程時隙為通信過程時隙為根據上述時隙分配方案進行仿真比較，如圖3所示，證明了本發明提出的分配策略相比於其他傳統方案顯著提高了系統遍歷和容量上界，從而提高了系統吞吐量以及系統的工作效率。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp