CN106330344A - 水声中继通信系统和速率最大准则资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对带有无线充电的水声中继通信系统的信道和容量优化资源分配方法，其中系统采用时分复用的通信方式，且功率消耗考虑电路功率消耗和发射功率消耗两部分。从信道和容量最大的角度出发，设计出一种充电时隙的优化方案。仿真结果表明，利用本发明中的优化方案，可以显著提高系统和容量。

Description

水声中继通信系统和速率最大准则资源分配方法

技术领域

本发明涉及水声通信系统的中继能源供应技术领域，尤其是基于水声通信和速率最大准则的功率和充电时间分配的方案。

背景技术

水声通信由于带宽受限、传输时延大、水中生物干扰以及多普勒频移等因素，成为了目前最大的挑战之一，也是当前研究的热点问题之一。水声通信中，发送节点的发射信号到达目的节点时，信号的大幅度衰减和畸变使得信息传输的可靠性下降。为了解决上述问题，中继转发技术应运而生，中继转发作为一种很有应用前景的中继策略，可降低基站到水下传感器的传输距离，能够降低传输损耗带来的不利影响，并且简单、易于配置和扩展。与此同时，能量供应问题也成为目前的挑战。

在传统的水声通信网络中，传感器节点通常采用电池供电。有限的节点能量会严重制约无线传感器网络的工作寿命并带来很高的网络维护成本(例如更换数以百计的节点电池)。在此背景下，引入一种新的无线充电技术，作为水声通信系统的中继能源供应方式。中继可以通过微波无线电力传输装置从基站远程补充能量。相比传统的能源供电方式，该技术可以减少频繁手动更换电池的麻烦，并有更高的吞吐量，更长的元件寿命以及更低的网络运营成本。此外，无线充电还可以根据不同的环境和服务需求控制它的发射功率、波形、占用时间和频率尺寸等。这些明显的优势使得无线供电成为一个有发展前景的新模式。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：引入一种新的无线充电技术，作为水声通信系统的中继能源供应方式，中继可以通过微波无线电力传输装置从基站远程补充能量。相比传统的能源供电方式，该技术可以减少频繁手动更换电池的麻烦，并有更高的吞吐量，更长的元件寿命以及更低的网络运营成本。此外，无线充电还可以根据不同的环境和服务需求控制它的发射功率、波形、占用时间和频率尺寸等。本发明提出了水声中继系统模型，其中中继采用无线充电技术，并基于水声通信和速率最大准则，提出了功率和充电时间分配方案。

本发明采取的技术方案具体为：一种带有无线充电的水声中继通信系统，其特征在于：由水面基站、K个水面浮标中继和对应的K个水下传感器用户组成，其中K为正整数，水面浮标中继带有可充电电池，从基站获取能量，h_i表示基站到第i个浮标中继的信道功率增益，满足其中复随机变量表示基站到第i个浮标中继的信道信息；g_i表示第i个浮标中继到第i个传感器的信道功率增益，满足其中复随机变量表示第i个浮标中继到第i个传感器的信道信息。

所述通信系统的通信方法，其特征在于整个通信过程分为两个阶段，第一阶段为基站给浮标中继充电的过程；第二阶段为浮标中继将信号发送至水下传感器的过程，通信过程采用时分复用的通信方式；系统中基站给各个浮标中继充电的时间为τ₀T，各浮标中继发送信号到传感器的时间为τ₁T,τ₂T,…,τ_KT，其中τ₁＝τ₂＝…＝τ_K，不失一般性地，对T作归一化处理；由于

在第一阶段，即基站给浮标中继充电的过程中，x_A为基站在第一个时隙发送的能量信号，x_A为复随机信号并满足E[|x_A|²]＝P_A，其中P_A表示基站的发射功率，第i个浮标的接收能量为

其中表示充电效率，且

第i个中继的发射功率为

在第二个阶段，即浮标中继将信号发送至水下传感器的过程中，x_i表示浮标发送信号，y_i表示水下传感器接收信号，n_i表示水下接收噪声，并满足n_i～CN(0，σ₁ ²），其中为此噪声的方差，则有

$y_i=\sqrt{g_i}{x}_i+n_i,i=1,...,K$

由p_i与上述y_i表达式，得到中继到传感器通信速率表达式为

其中，

一种带有无线充电的水声中继通信系统的充电时间分配方法，其特征在于进行在和速率最大准则下的充电时间分配方案设计，其中和速率的表达式为

$R_{sum}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i\left(\mathrm{\τ}\right)$

其中R_i(τ)为第i个浮标中继发送信号至水下传感器的速率，其中τ＝[τ₀,τ₁,…,τ_K]；τ₀为基站给中继的归一化充电时间，τ_i为上行链路中第i个浮标中继发送信号至水下传感器的归一化时间；

水声通信和速率最大的分配问题描述为

$\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\max & \underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i({\mathrm{\&tau;}}_0,P_A)\end{array}\\ \begin{array}{cc}s.t.& 0<{\mathrm{\&tau;}}_0<1,P_A\&le;P_0\end{array}\end{array}$

其中P₀表示基站发射功率的最大值；由此看出，速率与功率成正比，即功率越大速率越大，则当P_A＝P₀时，速率最大；

优化τ₀，对τ₀求导

得到相应的单调性结论：存在唯一的τ₀₀，当τ₀＜τ₀₀时，R_sum(τ)关于τ₀单调递增；当τ₀＞τ₀₀时，R_sum(τ)关于τ₀单调递减，τ₀ ^*是的解。

在该水声通信系统中只有一个水下传感器，即K＝1时，求解化简可得

${\log }_2(1+mx)=\frac{1}{\ln 2}+\frac{m-1}{ln2(mx+1)}$

其中，

由于上式左侧是对数形式，右侧是线性形式，引入Lambert函数(W{·})，定义可得

$n=\frac{W\left\{\frac{d\ln 2}{2^c}\right\}}{ln2}$

其中，

进一步地，可得

此时的即为在单用户情况下，和速率最大时充电时间的最优分配方案。

在该水声通信系统中有多个水下传感器，即K≥2时，和速率最大时充电时间最优分配是的解。

附图说明

图1为本发明水声中继系统的模型；

图2为本发明TDMA信号传输时隙结构；

图3为基于和速率最大准则的分配方案(单用户)仿真结果；

图4为基于和速率最大准则的分配方案(多用户)仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

结合图1所示的水声中继系统，该系统由带有无线充电的水声中继通信系统由水面基站、K个水面浮标中继和对应的K个水下传感器用户组成，K为正整数。水面浮标带有可充电电池，从基站获取能量，h_i表示基站到第i个浮标的信道功率增益，满足其中复随机变量表示此过程的信道信息；g_i表示第i个中继到第i个传感器的信道功率增益，满足其中复随机变量表示此过程的信道信息。

整个通信过程可分为两个阶段，第一阶段为基站给浮标中继充电的过程；第二阶段为浮标中继将信号发送至水下传感器的过程。这里采用时分复用的通信方式。图2给出了在时分复用下的信号传输流和能量传输流，在图1所示系统中基站给各个浮标充电的时间为τ₀T，各中继发送信号到传感器的时间为τ₁T,τ₂T,…,τ_KT，其中τ₁＝τ₂＝…＝τ_K，不失一般性地，对T作归一化处理。由于

在第一个阶段，即基站给浮标中继充电的过程中，x_A为基站在第一个时隙发送的能量信号，x_A为复随机信号并满足E[|x_A|²]＝P_A，其中P_A表示基站的发射功率，第i个浮标的接收能量为

其中表示充电效率，且

第i个中继的发射功率为

在第二个阶段，即浮标中继将信号发送至水下传感器的过程中，x_i表示浮标发送信号，y_i表示水下传感器接收信号，n_i表示水下接收噪声，并满足n_i～CN(0，σ₁ ²，其中为此噪声的方差，则有

$y_i=\sqrt{g_i}{x}_i+n_i,i=1,...,K$

由上述p_i与y_i表达式，可以得到中继到传感器通信速率表达式为

其中，

根据图1所述的系统，进行在和速率最大准则下的充电时间分配方案设计。其中和速率的表达式为

$R_{sum}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)$

其中R_i(τ)为第i个浮标中继发送信号至水下传感器的速率，其中τ＝[τ₀,τ₁,…,τ_K]；τ₀为基站给中继的归一化充电时间，τ_i为上行链路中第i个浮标中继发送信号至水下传感器的归一化时间。水声通信和速率最大的分配问题描述为

$\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\max & \underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i({\mathrm{\&tau;}}_0,P_A)\end{array}\\ \begin{array}{cc}s.t.& 0<{\mathrm{\&tau;}}_0<1,P_A\&le;P_0\end{array}\end{array}$

其中P₀表示基站发射功率的最大值。由此看出，速率与功率成正比，即功率越大速率越大，则当P_A＝P₀时，速率最大。

下面优化τ₀，对τ₀求导

得到相应的单调性结论：存在唯一的τ₀₀，当τ₀＜τ₀₀时，R_sum(τ)关于τ₀单调递增；

当τ₀＞τ₀₀时，R_sum(τ)关于τ₀单调递减。是的解。

在图1所示水声通信系统中只有一个水下传感器，即K＝1时，求解化简可得

${\log }_2(1+mx)=\frac{1}{\ln 2}+\frac{m-1}{ln2(mx+1)}$

其中，

由于上式左侧是对数形式，右侧是线性形式，引入Lambert函数(W{·})，定义可得

$n=\frac{W\left\{\frac{d\ln 2}{2^c}\right\}}{ln2}$

其中，

进一步地，可得

此时的即为在单用户情况下，和速率最大时充电时间的最优分配方案。

在图1所示水声通信系统中有多个水下传感器，即K≥2时，和速率最大时充电时间最优分配是的解。图3与图4分别验证了在单用户与多用户情况下，本发明得出的优化时间分配明显提高了系统的和速率，且相比于单用户场景，多用户场景下的系统和速率也会有一定提升。

Claims (7)

1.一种带有无线充电的水声中继通信系统，其特征在于：由水面基站、K个水面浮标中继和对应的K个水下传感器用户组成，其中K为正整数，水面浮标中继带有可充电电池，从基站获取能量，h_i表示基站到第i个浮标中继的信道功率增益，满足其中复随机变量表示基站到第i个浮标中继的信道信息；g_i表示第i个浮标中继到第i个传感器的信道功率增益，满足其中复随机变量表示第i个浮标中继到第i个传感器的信道信息。

2.如权利要求1所述通信系统的通信方法，其特征在于整个通信过程分为两个阶段，第一阶段为基站给浮标中继充电的过程；第二阶段为浮标中继将信号发送至水下传感器的过程，通信过程采用时分复用的通信方式；系统中基站给各个浮标中继充电的时间为τ₀T，各浮标中继发送信号到传感器的时间为τ₁T，τ₂T,…,τ_KT，其中τ₁＝τ₂＝…＝τ_K，不失一般性地，对T作归一化处理；由于

3.根据权利2所述的方法，其特征在于在第一阶段，即基站给浮标中继充电的过程中，x_A为基站在第一个时隙发送的能量信号，x_A为复随机信号并满足E[|x_A|²]＝P_A，其中P_A表示基站的发射功率，

第i个浮标的接收能量为

其中表示充电效率，且

第i个中继的发射功率为

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于在第二个阶段，即浮标中继将信号发送至水下传感器的过程中，x_i表示浮标发送信号，y_i表示水下传感器接收信号，n_i表示水下接收噪声，并满足n_i～CN(0，σ₁ ²)，其中为此噪声的方差，则有

$y_i=\sqrt{g_i}{x}_i+n_i,i=1,...,K$

由p_i与上述y_i表达式，得到中继到传感器通信速率表达式为

其中，

5.一种带有无线充电的水声中继通信系统的充电时间分配方法，其特征在于进行在和速率最大准则下的充电时间分配方案设计，其中和速率的表达式为

$R_{sum}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)$

其中R_i(τ)为第i个浮标中继发送信号至水下传感器的速率，其中τ＝[τ₀,τ₁,…,τ_K]；τ₀为基站给中继的归一化充电时间，τ_i为上行链路中第i个浮标中继发送信号至水下传感器的归一化时间；

水声通信和速率最大的分配问题描述为

$max\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i({\mathrm{\&tau;}}_0,P_A)$

s.t. 0＜τ₀＜1,P_A≤P₀

其中P₀表示基站发射功率的最大值；由此看出，速率与功率成正比，即功率越大速率越大，则当P_A＝P₀时，速率最大；

优化τ₀，对τ₀求导

得到相应的单调性结论：存在唯一的τ₀₀，当τ₀＜τ₀₀时，R_sum(τ)关于τ₀单调递增；

当τ₀＞τ₀₀时，R_sum(τ)关于τ₀单调递减，τ₀ ^*是的解。

6.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于在该水声通信系统中只有一个水下传感器，即K＝1时，求解化简得

${\log }_2(1+mx)=\frac{1}{\ln 2}+\frac{m-1}{ln2(mx+1)}$

其中，

由于上式左侧是对数形式，右侧是线性形式，引入Lambert函数(W{·})，定义可得

$n=\frac{W\left\{\frac{dln2}{2^c}\right\}}{ln2}$

其中，

进一步地，可得

此时的即为在单用户情况下，和速率最大时充电时间的最优分配方案。

7.根据权利要求5中所述的方法，在该水声通信系统中有多个水下传感器，即K≥2时，和速率最大时充电时间最优分配τ₀ ^*是的解。