CN110460394A - 一种基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法。通过握手过程中的发送数据指令消息RTS获取过时的信道状态信息，通过计算测试信号Test信号和RTS信号估计的信道状态信息的相关性作为水声时变信道相关性，将相关系数作为权重值，与反馈的信道状态信息一起作为分配依据，进行自适应资源分配。本发明简单易行，计算量小，针对具体的节点，比较每个载波上的相关系数大小，对于相关系数较小的载波而言，其作为自适应分配的依据有效性较低。这种方法能有效的减少时变水声信道对资源分配性能的影响。

Description

一种基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声通信网络技术，具体地说是一种自适应资源分配方法。

背景技术

水声信道的时变、空变、频变特性使其成为复杂的快速变化的无线信道，为保证系统在各种信道条件下均能达到预期的性能，水声信道的调制和编码等参数往往釆用的是根据信道状态最差条件来设计的固定方式，这个导致信道容量无法得到充分利用。因此，如果能根据水声信道时-空-频变的特性，在信道估计的基础上，采用自适应调制和参数选择，适时地利用有利信道条件、规避不利信道条件，能使通信信道容量得以充分利用。相对于无线电领域，水声领域的自适应接入方法有一系列的难点。其中难点之一在于水声信道的时变性，在自适应系统中要根据信道状态作参数调整的，水声环境的随机时变导致信道状态不断变化，只有对信号自适应传输时刻的信道做出准确的判断，才可以保证自适应方法的有效性。由于信道中大的传输时延，大时延会导致反馈信息相对于真实传输时刻是一个过时的信道状态信息，这种过时的信息对水声自适应系统有怎样的影响也是一个研究的重点和难点。

已知的水声自适应OFDMA系统中，通常都假设信道在一段时间内是不变的，或者直接采用过时的信道状态信息进行反馈，例如，Seventh International Conference onUbiquitous and Future Networks杂志在2015年发表的“A heuristic resourceallocation method for underwater uplink OFDMA system”论文中提出了一种启发式的水声上行OFDMA系统的资源分配方法，其假设信道状态信息在信道估计和资源分配的这段时间是不变的；Journal of Communications&Networks杂志2016发表的“Adaptive OFDMAwith partial CSI for downlink underwater acoustic communications”论文中提出了一种水声下行OFDMA系统的联合子载波比特功率资源分配方法，但该资源分配方法并未考虑水声信道时变的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效减少时变水声信道对资源分配性能的影响的基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：获取过时的信道状态信息；

步骤二：计算水声时变信道相关性；

步骤三：结合信道相关性，进行水声时变信道下的联合子载波比特功率分配，具体包括：

1、设置所有的节点初始化载波分配因子和分配的比特数为0，设置每个节点的数据量为0，目标误比特率为：

其中P_E为目标误比特率设定值。

目标数据量R_target为：

R_target＝R_l

其中R_l为目标数据量设定值。

载波能耗为：

P[u,k]＝0

其中P[u,k]为u子载波k在用户u上的能耗，ΔP[u,k]为每加载1bit所需额外消耗的能量，式中星座映射因子g(.)可写为：

信道子载波相关性为：

其中ρ[k；n₁,n₂]代表子载波k在时间序列n₁和n₂之间的时间相关性，代表子载波k在时间序列n上的信道增益向量，E(.)代表期望计算，var(.)代表方差计算。

2、结合信道相关性，节点轮询加载比特到对应载波上

检查节点u没有被其他节点使用的载波，找出其中使得比特加载能耗最小的两个载波和且ΔP[u,k₁]>ΔP[u,k₂]，比较和的子载波相关性，若ρ[k₁；n₁,n₂]≥ρ[k₂；n₁,n₂]，则选择子载波进行分配，否则选择子载波进行分配；

如果第一次选择该载波，则其他节点不能再使用载波且

其中为子载波分配因子，如分配了子载波则为1，反之为0。

相反如果载波被节点u选择过，更新载波上的比特数和能耗信息：

其中:

3、计算每个节点功率倍数因子β[u,k]：

4、根据最终得到的子载波分配因子调制比特数功率倍数因子β[u,k]的最优值进行资源分配。

本发明还可以包括：

1.所述的获取过时的信道状态信息具体包括：

每次完整的握手过程都通过RTS信号获得一个信道状态信息，其中每个通过RTS信号获得的信道状态信息都作为过时的瞬时信道状态信息。

2.所述的每次完整的握手过程包括：

主节点广播一个测试信号Test和一个请求发送数据指令消息RTS，每个数据节点根据接收到的RTS来估计信道；

每个子节点依据事先确定好的时序回复主节点一个准备发送指消息令CTS，其中估计到的信道状态信息嵌入CTS被反馈回去，主节点根据收集到的所有节点的信道状态信息，进行载波-功率-比特调制联合优化；

主节点广播最优分配方案和数据包，分配方案是嵌入数据包前面的一个声明消息ANC，则每个节点接收到ANC后，物理层依据最优方案解调本节点的数据。

3.所述主节点广播一个测试信号Test和一个请求发送数据指令消息RTS过程中，Test信号和RTS信号相隔3秒。

4.所述的计算水声时变信道相关性具体包括：

通过计算Test信号和RTS信号估计的信道状态信息的相关性作为时变信道相关性，时变信道相关性作为判断信道时变快慢的依据。

5.所述的时变信道相关性表示为：

以时间序列n₃为参考，在时间序列n₁与n₂间的信道相关性ρ[k；p_n；n_i,n_j]在第k个子载波上的值为：

其中代表第k个子载波在时间序列n_i上的增益向量，E(.)代表期望计算，var(.)代表方差计算。

本发明的有益效果在于：

上述的基于水声时变信道相关性的自适应资源分配算法中，提出了一种联合子载波比特功率最优资源分配算法，并与时变水声信道的时间相关性相结合，将相关系数作为权重值，与反馈的信道状态信息一起作为分配依据。本发明所述的基于水声时变信道相关性的自适应资源分配算法，简单易行，计算量小，针对具体的节点，比较每个载波上的相关系数大小，对于相关系数较小的载波而言，其作为自适应分配的依据有效性较低。这种方法能有效的减少时变水声信道对资源分配性能的影响。

附图说明

图1为基于信道时间相关性的联合子载波比特功率资源分配方法原理图；

图2为下行水声自适应OFDMA握手原理图；

图3为信道时间相关性计算示意图。

具体实施方式

本发明针对时变水声信道下的下行OFDMA系统的自适应资源分配问题，研究了水声时变信道状态信息的时间相关特性，提出了一种联合子载波比特功率最优资源分配算法，并与时变水声信道的时间相关性相结合，将相关系数作为权重值，与反馈的信道状态信息一起作为分配依据。对于一个具体的节点而言，每个载波上的相关系数大小不同，对于相关系数较小的载波而言，其作为自适应分配的依据有效性较低。这种方法能有效的减少时变水声信道对资源分配性能的影响。

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明公开了一种基于水声时变信道相关性的自适应资源分配算法。本发明在下行水声OFDMA系统下，提出了一种新的自适应资源分配方案——基于水声时变信道相关性的联合子载波比特功率资源分配算法，这种方法将相关系数作为权重值，与反馈的信道状态信息一起作为分配依据，有效的减少时变水声信道对资源分配性能的影响。

基于水声时变信道相关性的自适应资源分配算法，包括：

步骤1：获取过时的信道状态信息；

步骤2：计算水声时变信道相关性；

步骤3：结合信道相关性，进行水声时变信道下的联合子载波比特功率分配；

在水声OFDMA自适应系统中，由于信道中大的传输时延，大时延会导致反馈信息相对于真实传输时刻是一个过时的信道状态信息，通过将相关系数作为权重值，与反馈的信道状态信息一起作为分配依据，能有效的减少时变水声信道对资源分配性能的影响。

步骤1：获取过时的信道状态信息；

在一个下行水声OFDMA系统中，一个完整的握手过程为：

首先，主节点广播一个很短测试信号(Test)和一个请求发送数据指令消息(RTS)，其中Test信号和RTS信号相隔3秒，每个数据节点可以根据接收到的RTS来估计信道；然后，每个子节点依据事先确定好的时序回复主节点一个准备发送指消息令(CTS)，其中估计到的信道状态信息嵌入CTS被反馈回去；主节点根据收集到的所有节点的信道状态信息，通过最优算法进行载波-功率-比特调制联合优化；最后，主节点广播最优分配方案和数据包，分配方案是嵌入数据包前面的一个声明消息(ANC)，则每个节点接收到ANC后，物理层依据最优方案解调本节点的数据。

因此，每次完整的握手过程都能通过RTS信号获得一个信道状态信息，其中每个通过RTS信号获得的信道状态信息都作为过时的瞬时信道状态信息。

步骤2：计算水声时变信道相关性；

我们通过计算Test信号和RTS信号估计的信道状态信息的相关性作为时变信道相关性，时变信道相关性可以作为判断信道时变快慢的依据。以时间序列n₃为参考，在时间序列n₁与n₂间的信道相关性ρ[k；p_n；n_i,n_j]在第k个子载波上的值为：

其中代表第k个子载波在时间序列n_i上的增益向量，E(.)代表期望计算，var(.)代表方差计算。

步骤3：结合信道相关性，进行水声时变信道下的联合子载波比特功率分配；

1、设置所有的节点初始化载波分配因子和分配的比特数为0，设置每个节点的数据量为0，目标误比特率为：

其中P_E为目标误比特率设定值。

目标数据量R_target为：

R_target＝R_l

其中R_l为目标数据量设定值。

载波能耗为：

P[u,k]＝0

其中P[u,k]为u子载波k在用户u上的能耗，ΔP[u,k]为每加载1bit所需额外消耗的能量，式中星座映射因子g(.)可写为：

信道子载波相关性为：

其中ρ[k；n₁,n₂]代表子载波k在时间序列n₁和n₂之间的时间相关性，代表子载波k在时间序列n上的信道增益向量，E(.)代表期望计算，var(.)代表方差计算。

2、结合信道相关性，节点轮询加载比特到对应载波上

检查节点u没有被其他节点使用的载波，找出其中使得比特加载能耗最小的两个载波和比较和的子载波相关性，若ρ[k₁；n₁,n₂]≥ρ[k₂；n₁,n₂]，则选择子载波进行分配，否则选择子载波进行分配。

如果第一次选择该载波，则其他节点不能在使用载波且

其中为子载波分配因子，如分配了子载波则为1，反之为0。

相反如果载波被节点u选择过，那么调制方式需要发生改变，我们需要更新载波上的比特数和能耗信息：

其中:

3、计算每个节点功率倍数因子β[u,k]：

4、根据最终得到的子载波分配因子调制比特数功率倍数因子β[u,k]的最优值进行资源分配。

Claims (6)

1.一种基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法，其特征是：

步骤一：获取过时的信道状态信息；

步骤二：计算水声时变信道相关性；

步骤三：结合信道相关性，进行水声时变信道下的联合子载波比特功率分配，具体包括：

1、设置所有的节点初始化载波分配因子和分配的比特数为0，设置每个节点的数据量为0，目标误比特率为：

其中P_E为目标误比特率设定值；

目标数据量R_target为：

R_target＝R_l

其中R_l为目标数据量设定值；

载波能耗为：

P[u,k]＝0

其中P[u,k]为u子载波k在用户u上的能耗，ΔP[u,k]为每加载1bit所需额外消耗的能量，式中星座映射因子g(.)写为：

信道子载波相关性为：

其中ρ[k；n₁,n₂]代表子载波k在时间序列n₁和n₂之间的时间相关性，代表子载波k在时间序列n上的信道增益向量，E(.)代表期望计算，var(.)代表方差计算；

2、结合信道相关性，节点轮询加载比特到对应载波上

检查节点u没有被其他节点使用的载波，找出其中使得比特加载能耗最小的两个载波和且ΔP[u,k₁]>ΔP[u,k₂]，比较和的子载波相关性，若ρ[k₁；n₁,n₂]≥ρ[k₂；n₁,n₂]，则选择子载波进行分配，否则选择子载波进行分配；

如果第一次选择该载波，则其他节点不能再使用载波且

其中为子载波分配因子，如分配了子载波则为1，反之为0；

相反如果载波被节点u选择过，更新载波上的比特数和能耗信息：

其中:

3、计算每个节点功率倍数因子β[u,k]：

4、根据最终得到的子载波分配因子调制比特数功率倍数因子β[u,k]的最优值进行资源分配。

2.根据权利要求1所述的基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法，其特征是所述的获取过时的信道状态信息具体包括：

每次完整的握手过程都通过RTS信号获得一个信道状态信息，其中每个通过RTS信号获得的信道状态信息都作为过时的瞬时信道状态信息。

3.根据权利要求2所述的基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法，其特征是所述的每次完整的握手过程包括：

主节点广播一个测试信号Test和一个请求发送数据指令消息RTS，每个数据节点根据接收到的RTS来估计信道；

每个子节点依据事先确定好的时序回复主节点一个准备发送指消息令CTS，其中估计到的信道状态信息嵌入CTS被反馈回去，主节点根据收集到的所有节点的信道状态信息，进行载波-功率-比特调制联合优化；

主节点广播最优分配方案和数据包，分配方案是嵌入数据包前面的一个声明消息ANC，则每个节点接收到ANC后，物理层依据最优方案解调本节点的数据。

4.根据权利要求3所述的基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法，其特征是：所述主节点广播一个测试信号Test和一个请求发送数据指令消息RTS过程中，Test信号和RTS信号相隔3秒。

5.根据权利要求1至4任何一项所述的基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法，其特征是所述的计算水声时变信道相关性具体包括：

通过计算Test信号和RTS信号估计的信道状态信息的相关性作为时变信道相关性，时变信道相关性作为判断信道时变快慢的依据。

6.根据权利要求5所述的基于水声时变信道相关性的自适应资源分配方法，其特征是所述的时变信道相关性表示为：

以时间序列n₃为参考，在时间序列n₁与n₂间的信道相关性ρ[k；p_n；n_i,n_j]在第k个子载波上的值为：

其中代表第k个子载波在时间序列n_i上的增益向量，E(.)代表期望计算，var(.)代表方差计算。