CN114828192B - 一种混合水声和射频传输的跨介质通信的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种混合水声/射频传输的跨介质通信的功率分配方法。考虑在跨介质双向中继的帮助下，在水声和传统微波等不同媒体上工作的两个终端之间构建通信链路。本发明提出了一种最优功率分配算法，达到最小化中断概率的目的。本发明提供的方案相比于传统的平均功率分配方案而言使系统性能更好，能够降低中断概率；同时，该方案具有跨介质通信和功率优化的潜力，能适应混合水声通信和射频传输的场景。

Description

一种混合水声和射频传输的跨介质通信的功率分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种混合水声和射频传输的跨介质通信的功率分配方法；本发明涉及水声通信(Underwater Acoustic Communication，UAC)，射频(Radio Frequency，RF)，最优功率算法(Optimal Power AllocationAlgorithm，OPAA)等技术。

背景技术

水声通信(Underwater Acoustic Communication，UAC)网络由于其在海洋学研究、海洋环境监测、资源勘探、水下导航和海上防御等领域的广泛应用，日益受到学术界乃至各国军事海洋技术部门的重视。与通过无线电波传播的地面通信不同的，得益于在水下通信中相对较小的衰减和低吸收特性，声波成为了水介质通信中的最优技术。UAC与无线电波的主要区别之一是传播速度，声波在水中以相当低的速度c＝1.5km/s传播，比无线电波在空气中传播的速度小五个数量级。因此，水下和空中的通信在不同的介质中传播，由于它们各自的传播速度相差很大，所以它们之间无法直接相互通信。

然而，随着海空协同作战以及海陆军事作战的蓬勃发展，水声通信与无线通信的结合势在必行。为了解决这个问题，本发明提出了一种新型的具有双向中继的跨介质通信系统，使得UAC和射频(Radio Frequency，RF)通信之间能进行通信。另外，本发明还推导了上行和下行传输的平均和最小中断概率，以及在最小中断概率情况下的最优功率分配。

发明内容

本发明通过引入一个在声波和微波之间双向传输信号的中继，建立了一种新的海空跨介质通信系统，实现了UAC和RF通信。与传统的平均功率分配方案相比，最优功率分配算法能在同样衰减情况下，有效降低中断概率。

为了便于理解，对本发明采用的新的海空跨介质通信系统进行如下说明：

海空跨介质通信系统框图如图1所示，其中包括一个装置在岸上的天线接入点(Access Point，AP)、一个水下终端(例如传感器和潜艇)和一个安装在位于它们之间的船上的单输入单输出中继。另外，双向中继具有解码和转发能力，信号在一种介质中被接收并转换为可适用于另一种介质的信号进行重传。在这种场景下，中继可以完成与空中节点的电磁波通信和与水下节点的声波通信，使系统具备跨介质通信的能力。为了描述方便，将从岸上天线AP到中继的第一段链路和从中继到水下节点的第二段链路合称为下行链路，相应地，将从水下节点到中继的第一链路和从中继到岸上天线AP的第二条链路合称为上行链路。考虑半双工通信，信号首先通过下行链路信道传输，而上行链路传输发生在下一阶段。s表示要传输的符号，那么接收到的信号r可以表达为如下形式：

r＝αs+n，        (1)

其中α表示信道系数，根据传播环境的特性而变化，n表示接收端的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)。在本发明中，上述公式适用于整个通信，其中每一处噪声n都是AWGN，而α的数值取决于不同的介质。由于实际的大气传播环境中存在许多小颗粒，以及由声学传感器、海底、内部和表面海浪的运动形成的各种水环境，导致无论在空气中还是在水中，信号都是通过多径信道传输的。因此，时变多径信道在持续时间T上，传输信号s(t)的接收信号r(t)可以被表示为：

其中，α_i(t)表示在第i条路径上接收到的信号的信道系数，t_i(t)表示第i条路径的传播时延，f_c为载波频率。

为了说明每段传输的实际情况，分别用α_D,air、α_D,water、α_U,air和α_U,water来表示下行通信的空气介质、下行通信的水介质、上行通信的空气介质以及上行通信的水介质的信道系数。因此，每个终端对应的瞬时信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)可以定义为：

其中，γ_D,air和γ_D,water分别是下行链路中中继和水下节点的瞬时信噪比。此外，γ_D,water和γ_U,water分别是上行链路中中继和岸上天线AP的瞬时信噪比。另外，

和

对应于四种链路情况下的平均SNR。

对于无线通信信道，中断概率是中继系统性能评估的重要指标之一，它取决于链路的信噪比和信道衰落分布模型。在双向中继系统中，当任一链路出现中断时，通常是指瞬时SNR未达到给定阈值γ_th的时候，被认定为发生了中断事件。逻辑上来讲，由上行和下行两部分组成的整个跨介质通信系统的平均中断概率可以表示为：

其中，P_D,out是下行链路传输的中断概率，而P_U,out是上行链路传输的中断概率。具体来说，P_D,out和P_U,out表示在每个传输方向上中继两侧成功通信的事件集的补集。直观地说，P_D,out可以表示为：

P_D,out＝1-P(γ_D,air>γ_th)P(γ_D,water>γ_th)，         (4)

其中P(γ_D,air>γ_th)和P(γ_D,water>γ_th)表示瞬时SNR超过SNR阈值γ_th的概率。同理，P_U,out可以表示为：

P_U,out＝1-P(γ_U,air>γ_th)P(γ_U,water>γ_th)，       (6)

其中上行链路中的P(γ_U,air>γ_th)和P(γ_U,water>γ_th)与上述的下行链路类似。

本发明的目标是通过最小化在确定功率值下中继处的中断概率来提高性能，可以描述为：

其中

表示中继的总平均功率。值得注意的是，(7)是一维优化问题而不是凸优化问题，因为P_D,out和P_U,out分别是

和

的单调递减函数。

本发明的技术方案如下：

一种混合水声和射频传输的跨介质通信的功率分配方法，分析RF和UAC系统信道的具体分布，以便进行中断性能评估和最优功率分配方案的展示，所述最优功率分配方法包括：

S1、考虑在空气中利用微波进行下行链路通信，在没有视距(Line-Of-Sight，LOS)信号分量的情况下，信道系数服从瑞利分布，可以定义为：

其中σ²是衰落系数的方差。根据方程

瞬时SNRγ_D,air遵循由下式给出的指数分布：

因此，利用概率密度函数(Probability Density Function，PDF)的积分，可以得到γ_D,air的累积分布函数(Cumulative Distribution Function，CDF)：

S2、考虑在水中利用声波进行下行链路通信，UAC信道服从瑞利分布是可以的。然而，由于存在多个噪声源，一般的AWGN模型不适合描述UAC信道中的加性噪声。因此，为AWGN信道设计的传统通信接收机在水环境中表现不佳。尽管没有公认的最合适的分布模型的指导方针来描述这种信道的统计表征，但在本发明中，可以对信道系数通过Nakagami-m分布进行建模，这是在不考虑存在的LOS的情况下针对UAC信道的主要分布模型之一。Nakagami-m分布的主要特点是它能够在实际情况下拟合实验数据，考虑了m个多径波在非均匀环境中的传播的因素，以及数学计算的简单性和证明模型合理性。相应的PDF可以表示为：

其中Γ(.)表示伽马函数，Ω表示平均衰落功率，其值等于

参数m是对衰落的刻画，定义为矩量之比，由下式给出：

受不同衰落条件的影响，Nakagami-m分布可以模拟从单边高斯衰落(m＝0.5)到无衰落(m＝∞)的一系列衰落信道。此外，Nakagami-m分布能够模拟瑞利分布和对数正态分布，同时它也是瑞利分布的推广，当m＝1时，信号呈瑞利分布。

S3、如果每个符号的瞬时SNR为

E_b表示每比特的信号能量，N₀表示噪声的功率谱密度每个符号的平均SNR为

则根据伽马分布，γ_D,water的PDF可以由上述两个公式得到方程

化简而成：

求其积分，Nakagami-m衰落的CDF可写为：

S4、根据(5)，中断概率P_D,out可以表示为：

S5、由于下行和上行的对称性，空中的下行通信对应于空中的上行通信，而水中的下行通信对应于水中的上行通信。因此，上行链路可以看作是下行链路的逆过程即交换通过介质顺序，信道系数α_U,water和α_U,water分别遵循UAC信道中的Nakagami-m衰落和RF信道中的瑞利衰落。因此，中断概率P_U,out可以由下式给出：

最后，利用(15)和(16)，可以实现(4)中的优化问题。此外，还可以计算出中继的功率分配

和

本发明的有益效果为，本发明分析了一个在声波和微波之间通过中继双向传输信号的跨介质通信系统，分别在水和空气介质中实现UAC和RF通信。同时，本发明提出了一种在中继设定的平均SNR值时，最小化中断概率的功率分配的优化算法。最后，基于UAC信道中使用Nakagami-m分布的优化算法给出表达式的可行性，研究人员能够评估海空跨介质系统的性能。

附图说明

图1是一种包括水下终端、岸上AP和跨介质双向中继的跨介质通信系统示意图；

图2是m取值分别为(a)m＝2.7，(b)m＝3.2时，最优功率分配方案与平均功率分配方案的中断概率比较图；

图3是m取值分别为(a)m＝2.7，(b)m＝3.2时，中继的最佳功率分配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方法：

以Nakagami-m的参数m取值分别为2.7和3.2为例，设置下行无线链路发射端功率为2dB，上行水声链路发射端功率为11dB。

S1、首先分别生成符合Nakagami-m分布和符合瑞利分布的随机数，让符号依次经过下行瑞利信道、下行Nakagami-m分布水声信道、上行瑞利信道、上行Nakagami-m分布水声信道，分别在平均功率分配时和最优功率分配时即中断概率最小时记录下行和上行未中断信号数并计算中断概率，同时用理论值进行验证，计算结果如图2所示。最优功率分配方案优于其平均功率分配方案，因为最优功率分配方案在每个SNR值的中断概率低于其平均功率分配对应的方案。此外，模拟数据与理论数据近似吻合，反映了Nakagami-m衰落模型在UAC信道中应用的可行性。从图2中两个子图之间的细节来看，图2(a)的整体中断概率小于图2(b)，这验证了信道衰落参数m越大，性能越好，因为系统具有由于相对较小的信道波动。

S2、记录最优功率分配时每个SNR值的中继处的功率值，以显示衰落参数m和SNR阈值γ_th对中继功率分配的影响，计算结果如图3所示。从结果中可以观察到

和

都随着

的增加而增加，因为中继的总功率越来越大，下行链路或上行链路的功率也会越来越大。然而，与

相比，

在所有SNR范围内上升的幅度相当大并在功率分配中起主导作用。这本质上是因为信号在UAC信道中衰落严重，比无线电更耗能，需要更大的功率才能保证传输成功。

Claims (1)

1.一种混合水声和射频传输的跨介质通信的功率分配方法，定义通信系统包括空中接入点、水下终端和中继，将空中接入点到中继的第一段链路和从中继到水下节点的第二段链路合称为下行链路，将从水下节点到中继的第一链路和从中继到空中接入点的第二条链路合称为上行链路，定义γ_D,air和γ_D,water分别是下行链路中中继和水下节点的瞬时信噪比，γ_D,water和γ_U,water分别是上行链路中中继和空中接入点的瞬时信噪比；其特征在于，包括以下步骤：

S1、定义在空气中利用微波进行下行链路通信，在没有视距信号分量的情况下，信道系数服从瑞利分布，为：

其中，α表示信道系数，σ²是衰落系数的方差；根据方程

瞬时SNRγ_D,air遵循由下式给出的指数分布：

因此，利用概率密度函数的积分，得到γ_D,air的累积分布函数：

其中，

是下行链路中中继的平均SNR；

S2、在水中利用声波进行下行链路通信，对信道系数通过Nakagami-m分布进行建模，相应的PDF表示为：

其中Γ(.)表示伽马函数，Ω表示平均衰落功率，其值等于

参数m是对衰落的刻画，定义为矩量之比，由下式给出：

S3、定义每个符号的瞬时SNR为

E_b表示每比特的信号能量，N₀表示噪声的功率谱密度，每个符号的平均SNR为

则根据伽马分布，γ_D,water的PDF方程

化简成：

求其积分，Nakagami-m衰落的CDF为：

S4、得到上行中断概率P_D,out为：

其中，γ_th为SNR阈值；

S5、将上行链路看作是下行链路的逆过程即交换通过介质顺序，上行通信的空气介质以及上行通信的水介质的信道系数α_U,water和a_U,water分别遵循UAC信道中的Nakagami-m衰落和RF信道中的瑞利衰落，因此，下行中断概率P_U,out由下式给出：

S6、定义优化问题的目标函数为P_out，则功率分配系统优化模型为：

其中，

和

分别代表下行水声链路的平均功率和上行空气链路的平均功率，

指的是中继的总平均功率，在

的确定功率值下，分配

和

使链路成功通信，并计算出最小的中断概率；

S7、将使得链路成功通信时的下行链路功率值

分为1000个区间，利用得到的P_D,out和P_U,out，求解

并且记录每个区间的最小中断概率对应的

用此时确定功率值下中继总功率减去

即可得到上行链路功率值

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