基于可持续充电水声多跳通信系统的资源分配方法

摘要

本发明公开了一种针对时分复用的水声中继放大转发通信系统的资源分配方法，其中声呐中继配备无线充电设备，可从船载基站获取能量。从信道遍历和容量上界最大的角度出发，设计出一种时隙资源的分配方案。仿真结果表明，利用本发明中的分配策略，可以显著提高系统遍历和容量上界，从而提高了系统吞吐量以及系统的工作效率。

说明书

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，尤其是一种可显著提高系统的可达遍历和容量上界的方法。

背景技术

水声通信技术是当前研究的热点问题之一。在水声通信系统中，信号在传输过程中受到窄带、高噪声、长时延传输等因素影响，发送节点发射的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，中继放大传输技术应运而生，中继放大传输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，能量供应问题也是目前的挑战。

在传统的水声传感器网络中，传感器节点通常采用电池供电。有限的能量会制约网络的工作寿命，并且带来很高的运营成本(例如更换数以百计的节点的电池)；另一方面，节点电池携带的能量非常有限，电池存储能量的多少决定了整个节点的寿命。因此，能量获取成为水声通信网络中需要优先考虑的一个问题，也是系统设计中最大的挑战。在此背景下，本文考虑了一种具有能量收集能力的无线供电的水声通信系统。

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，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。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，并基于系统在可达遍历和容量上边界最大，提出了一种时隙分配方案。该方案与其它方案相比，显著提高了系统的可达遍历和容量上界

本发明采取的技术方案具体为：一种基于充电的水声中继系统基于充电的水声中继系统由一个船载基站、K个水下传感器以及每个传感器对应的水面的声呐中继组成。另外，系统的基站、中继和传感器都是单天线的，中继有一个放大器用来放大从传感器接收到的信号，并且中继端配有可充电电源，可以从基站发送的信号中获取能量。

上述系统的通信方法，其特征在于整个通信过程可分为两个阶段，第一阶段为下行链路传输阶段，即基站给中继充电的过程；第二阶段为上行链路传输阶段，即水下传感器通过中继放大转发将信号发送至基站的过程。基站S到第i个中继B_i的下行链路信道功率增益满足其中复随机变量表示下行链路信道信息；第i个传感器U_i到第i个中继B_i以及第i个中继B_i到基站S的上行链路信道功率增益分别满足和其中复随机变量表示水下传感器到中继的信道信息，复随机变量表示中继到基站的信道信息；采用时分复用的通信方式，避免了各个传感器间的干扰；τ₀为下行链路基站给中继的归一化充电时间，τ_i为上行链路中第i个传感器U_i发送信号到基站的归一化时间，且有

上述通信方法，其特征在于在第一个阶段，即下行链路能量传输过程中，控制充电时间长度为τ₀。第i个中继接收到的能量为

其中表示充电效率，我们令x_S为基站在第一个时隙发送的信号，x_S为复随机信号并满足E[|x_S|²]＝P_S，而p_S表示基站的发射功率。

上述通信方法，其特征在于在第二阶段，即上行链路传输中，第i个传感器的通信时间长度为τ_i，y_Bi表示中继端接收信号，n_Bi表示中继端接收噪声，且其中为此噪声的方差，则有

$>y_{Bi}=\sqrt{g_{1i}}{x}_i+n_{Bi},i=1,...,K$>

其中x_i表示传感器U_i端发射信号，p_Ui为第i个传感器U_i的发射功率，且x_i～CN(0,p_Ui)，中继以放大因子α_i对接收到信号放大并转发给基站，y_Si表示基站接收信号，n_Si表示基站端接收噪声，且其中为此噪声的方差，则基站接收到的信号为

$>y_{Si}={\alpha }_i\sqrt{g_{2i}}\sqrt{g_{1i}}{x}_i+{\alpha }_i\sqrt{g_{2i}}{n}_{Bi}+n_{Si},i=1,...,K$>

其中P_Bi为第i个中继的发射功率，x_U即为传感器U_i端发射信号x_i，由E_i的表达式可以得到

由γ_Si和p_Bi的表达式得到水下传感器到基站通信速率表达式为

$>R_i\left(\tau \right)={\tau }_i{\log }_2(1+\frac{{{\alpha }_i}^2{g}_{2i}{g}_{1i}}{{{\alpha }_i}^2{g}_{2i}{n_{Bi}}^2+{n_{Si}}^2})={\tau }_i{\log }_2(1+\frac{a_i{\tau }_0}{b_i{\tau }_0+c_i{\tau }_i})$>

其中τ＝[τ₀,τ₁,…,τ_K]，

c_i＝g_lin_Si²p_Ui+n_Bi²n_Si²

对上述系统进行最大系统遍历和容量上界最大化的方案设计。系统遍历和容量上界定义为系统和速率的期望能够达到的最大值，系统和速率表达式为

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

由于水声信道的多变性使得其难以估计，对水声信道进行统计平均，即对g_1i取均值，且R_sum(τ)关于g_1i为凹函数，根据詹森不等式，遍历和容量满足

$>E\left[R_{sum}\left(\tau \right)\right]=E\left[\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\tau }_i{\log }_2(1+\frac{a_i{\tau }_0}{b_i{\tau }_0+c_i{\tau }_i})\right]\le \underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\tau }_i{\log }_2\left[1+\frac{E\left(a_i\right){\tau }_0}{E\left(b_i\right){\tau }_0+E\left(c_i\right){\tau }_i}\right]$>

其中E(a_i),E(b_i),E(c_i)分别为

E(c_i)＝n_Si²p_UiE(g_1i)+n_Bi²n_Si²

这之中，表示第i个中继的充电效率，令x_S为基站在第一个时隙发送的信号，x_S为复随机信号并满足E[|x_S|²]＝P_S，而p_S表示基站的发射功率；下行链路信道功率增益满足复随机变量表示下行链路信道信息；第i个传感器U_i到第i个中继B_i以及中继B_i到基站S的上行链路信道功率增益分别满足和复随机变量表示水下传感器到中继的信道信息，复随机变量表示中继到基站的信道信息；n_Bi表示中继端接收噪声；n_Si表示基站端接收噪声；p_Ui为第i个传感器U_i的发射功率。

由于各个水下传感器配备的悬浮到水面的中继的距离近似相等，在考虑大尺度衰落下不同中继接收信噪比取同一个值，即E(b_i)/E(a_i)为同一值。

令那么这个海洋中继通信系统遍历和容量上界优化问题可以描述为

$>\max {\bar{R}}_{sum}\left(\tau \right)$>

$>\left(\begin{array}{cc}s.t.& \underset{i=0}{\overset{K}{\Sigma }}{\tau }_i\le 1\end{array}\right)$>

τ_i≥0,i＝1,…,K

由解决此问题得到，在遍历和容量上界最大化下的时间分配为

$>{{\tau }_i}^{*}=\left(\begin{array}{c}\frac{1}{A},i=0\\ \frac{\frac{E\left(a_i\right)-x^{*}E\left(b_i\right)}{E\left(c_i\right)}}{A},i=1,...,K\end{array}\right)$>

其中，x^*是f(x)的唯一解，

$>f\left(x\right)=(1+x)\ln (1+x)+(\frac{E\left(b_i\right)}{E\left(a_i\right)}x-1)[(\frac{E\left(b_i\right)}{E\left(a_i\right)}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{E\left(a_i\right)}{E\left(c_i\right)}-1)x+\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{E\left(a_i\right)}{E\left(c_i\right)}].$>

即为实际时间，其中T表示一个通信周期。

本发明的实行流程：

第一步，基站给中继进行充电；

第二步，水下传感器通过中继放大转发将信号发送至基站。

通过基站与中继上的中央控制单位进行时隙控制，保证按照权利要求5中的时隙分配方案对上述两步骤进行时隙分配，其中，充电过程时隙为通信过程时隙为

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上行链路与下行链路的时间分配；

图3为基于路径损耗变化的不同方案对比图；

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，该系统由一个船载基站、K个水下传感器以及每个传感器对应的水面的声呐中继组成，其中K为正整数。另外，系统的基站、中继和传感器都是单天线的，中继有一个放大器用来放大从传感器接收到的信号，并且中继端配有可充电电源，可以从基站发送的信号中获取能量。

整个通信过程可分为两个阶段，第一阶段为下行链路传输阶段，即基站给中继充电的过程；第二阶段为上行链路传输阶段，即水下传感器通过中继放大转发将信号发送至基站的过程。如图1所示，第i个传感器U_i到第i个中继B_i以及第i个中继B_i到基站S的上行链路信道功率增益分别满足和其中复随机变量表示水下传感器到中继的信道信息，复随机变量表示中继到基站的信道信息。

结合图2，这里采用时分复用的通信方式，避免了各个传感器间的干扰；τ₀为下行链路基站给中继的归一化充电时间，τ_i为上行链路中第i个传感器U_i发送信号到基站的归一化时间，且有

在第一个阶段，即下行链路能量传输过程中，控制充电时间长度为τ₀。第i个中继接收到的能量为

其中表示充电效率，我们令x_S为基站在第一个时隙发送的信号，xS为复随机信号并满足E[|x_S|²]＝P_S，而ps表示基站的发射功率。

在第二个阶段，即上行链路传输中，第i个传感器的通信时间长度为τ_i，y_Bi表示中继端接收信号，n_Bi表示中继端接收噪声，且n_Bi～CN(0,σ₁²)，其中为此噪声的方差，则有

$>y_{Bi}=\sqrt{g_{1i}}{x}_i+n_{Bi},i=1,...,K$>

其中x_i表示传感器U_i端发射信号，p_Ui为第i个传感器U_i的发射功率，且x_i～CN(0,p_Ui)，中继以放大因子α_i对接收到信号放大并转发给基站，y_Si表示基站接收信号，n_Si表示基站端接收噪声，且n_Si～CN(0,σ₂²)，其中为此噪声的方差，则基站接收到的信号为

$>y_{Si}={\alpha }_i\sqrt{g_{2i}}\sqrt{g_{1i}}{x}_i+x\sqrt{g_{2i}}{n}_{Bi}+n_{Si},i=1,...,K$>

其中P_Bi为第i个中继的发射功率，x_U即为传感器U_i端发射信号x_i，由E_i的表达式可以得到

由γ_Si和p_Bi的表达式得到水下传感器到基站通信速率表达式为

$>R_i\left(\tau \right)={\tau }_i{\log }_2(1+\frac{{{\alpha }_i}^2{g}_{2i}{g}_{1i}}{{{\alpha }_i}^2{g}_{2i}{n_{Bi}}^2+{n_{Si}}^2})={\tau }_i{\log }_2(1+\frac{a_i{\tau }_0}{b_i{\tau }_0+c_i{\tau }_i})$>

其中τ＝[τ₀,τ₁,…,τ_K]，

c_i＝g_1in_Si²p_Ui+n_Bi²n_Si²

结合图1系统，进行最大系统遍历和容量上界最大化的方案设计。系统遍历和容量上界定义为系统和速率的期望能够达到的最大值，系统和速率表达式为

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

由于水声信道的多变性使得其难以估计，对水声信道进行统计平均，即对g_1i取均值，且R_sum(τ)关于g_1i为凹函数，根据詹森不等式，遍历和容量满足

$>E\left[R_{sum}\left(\tau \right)\right]=E\left[\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\tau }_i{\log }_2(1+\frac{a_i{\tau }_0}{b_i{\tau }_0+c_i{\tau }_i})\right]\le \underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\tau }_i{\log }_2\left[1+\frac{E\left(a_i\right){\tau }_0}{E\left(b_i\right){\tau }_0+E\left(c_i\right){\tau }_i}\right]$>

其中E(a_i),E(b_i),E(c_i)分别为

E(c_i)＝n_Si²p_UiE(g_1i)+n_Bi²n_Si²

这之中，表示第i个中继的充电效率，令x_S为基站在第一个时隙发送的信号，x_S为复随机信号并满足E[|x_S|²]＝P_S，而pS表示基站的发射功率；下行链路信道功率增益满足复随机变量表示下行链路信道信息；第i个传感器U_i到第i个中继B_i以及中继B_i到基站S的上行链路信道功率增益分别满足和复随机变量表示水下传感器到中继的信道信息，复随机变量表示中继到基站的信道信息；n_Bi表示中继端接收噪声；n_Si表示基站端接收噪声；p_Ui为第i个传感器U_i的发射功率。

由于各个水下传感器配备的悬浮到水面的中继的距离近似相等，在考虑大尺度衰落下不同中继接收信噪比取同一个值，即E(b_i)/E(a_i)为同一值。

令那么这个海洋中继通信系统遍历和容量上界优化问题可以描述为

$>\max {\bar{R}}_{sum}\left(\tau \right)$>

$>\left(\begin{array}{cc}s.t.& \underset{i=0}{\overset{K}{\Sigma }}{\tau }_i\le 1\end{array}\right)$>

τ_i≥0,i＝1,…,K

由解决此问题得到，在遍历和容量上界最大化下的时间分配为

$>{{\tau }_i}^{*}=\left(\begin{array}{c}\frac{1}{A},i=0\\ \frac{\frac{E\left(a_i\right)-x^{*}E\left(b_i\right)}{E\left(c_i\right)}}{A},i=1,...,K\end{array}\right)$>

其中，x^*是f(x)的唯一解，

$>f\left(x\right)=(1+x)\ln (1+x)+(\frac{E\left(b_i\right)}{E\left(a_i\right)}x-1)[(\frac{E\left(b_i\right)}{E\left(a_i\right)}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{E\left(a_i\right)}{E\left(c_i\right)}-1)x+\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{E\left(a_i\right)}{E\left(c_i\right)}].$>

即为实际时间，其中T表示一个通信周期。

根据图1所示系统，结合上述时隙分配方案，得到本发明的实行流程：

第一步，基站给中继进行充电；

第二步，水下传感器通过中继放大转发将信号发送至基站。

通过基站与中继上的中央控制单位进行时隙控制，保证按照权利要求5中的时隙分配方案对上述两步骤进行时隙分配，其中，充电过程时隙为通信过程时隙为

根据上述时隙分配方案进行仿真比较，如图3所示，证明了本发明提出的分配策略相比于其他传统方案显著提高了系统遍历和容量上界，从而提高了系统吞吐量以及系统的工作效率。