本發(fā)明涉及水聲通信系統(tǒng)的中繼能源供應(yīng)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是一種可顯著提高系統(tǒng)的可達(dá)遍歷和容量上界的方法。
背景技術(shù)：
：水聲通信技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一。在水聲通信系統(tǒng)中，信號在傳輸過程中受到窄帶、高噪聲、長時(shí)延傳輸?shù)纫蛩赜绊?，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，信號的大幅度衰減和畸變使得信息傳輸?shù)目煽啃韵陆怠榱私鉀Q上述問題，中繼放大傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，中繼放大傳輸作為一種很有應(yīng)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，并且簡單、易于配置和擴(kuò)展。與此同時(shí)，能量供應(yīng)問題也是目前的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電。有限的能量會制約網(wǎng)絡(luò)的工作壽命，并且?guī)砗芨叩倪\(yùn)營成本(例如更換數(shù)以百計(jì)的節(jié)點(diǎn)的電池)；另一方面，節(jié)點(diǎn)電池?cái)y帶的能量非常有限，電池存儲能量的多少決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的壽命。因此，能量獲取成為水聲通信網(wǎng)絡(luò)中需要優(yōu)先考慮的一個(gè)問題，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)。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(tǒng)。引入一種新的無線充電技術(shù)，作為水聲通信系統(tǒng)的中繼能源供應(yīng)方式。中繼可以通過微波無線電力傳輸裝置從基站遠(yuǎn)程補(bǔ)充能量。相比傳統(tǒng)的能源供電方式，該技術(shù)可以減少頻繁手動更換電池的麻煩，并有更高的吞吐量，更長的元件壽命以及更低的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本。此外，無線充電還可以根據(jù)不同的環(huán)境和服務(wù)需求控制它的發(fā)射功率、波形、占用時(shí)間和頻率尺寸等。這些明顯的優(yōu)勢使得無線供電成為一個(gè)有發(fā)展前景的新模式。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：引入一種新的無線充電技術(shù)，作為水聲通信系統(tǒng)的中繼能源供應(yīng)方式，相比傳統(tǒng)的能源供電方式，該技術(shù)可以減少頻繁手動更換電池的麻煩，并有更高的吞吐量，更長的元件壽命以及更低的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本。本發(fā)明提出了水聲中繼系統(tǒng)模型，其中中繼采用無線充電技術(shù)，并基于系統(tǒng)在可達(dá)遍歷和容量上邊界最大，提出了一種時(shí)隙分配方案。該方案與其它方案相比，顯著提高了系統(tǒng)的可達(dá)遍歷和容量上界本發(fā)明采取的技術(shù)方案具體為：一種基于充電的水聲中繼系統(tǒng)基于充電的水聲中繼系統(tǒng)由一個(gè)船載基站、K個(gè)水下傳感器以及每個(gè)傳感器對應(yīng)的水面的聲吶中繼組成。另外，系統(tǒng)的基站、中繼和傳感器都是單天線的，中繼有一個(gè)放大器用來放大從傳感器接收到的信號，并且中繼端配有可充電電源，可以從基站發(fā)送的信號中獲取能量。上述系統(tǒng)的通信方法，其特征在于整個(gè)通信過程可分為兩個(gè)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(zhuǎn)發(fā)將信號發(fā)送至基站的過程?；維到第i個(gè)中繼Bi的下行鏈路信道功率增益滿足其中復(fù)隨機(jī)變量表示下行鏈路信道信息；第i個(gè)傳感器Ui到第i個(gè)中繼Bi以及第i個(gè)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(fù)隨機(jī)變量表示水下傳感器到中繼的信道信息，復(fù)隨機(jī)變量表示中繼到基站的信道信息；采用時(shí)分復(fù)用的通信方式，避免了各個(gè)傳感器間的干擾；τ0為下行鏈路基站給中繼的歸一化充電時(shí)間，τi為上行鏈路中第i個(gè)傳感器Ui發(fā)送信號到基站的歸一化時(shí)間，且有上述通信方法，其特征在于在第一個(gè)階段，即下行鏈路能量傳輸過程中，控制充電時(shí)間長度為τ0。第i個(gè)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(gè)時(shí)隙發(fā)送的信號，xS為復(fù)隨機(jī)信號并滿足E[|xS|2]＝PS，而pS表示基站的發(fā)射功率。上述通信方法，其特征在于在第二階段，即上行鏈路傳輸中，第i個(gè)傳感器的通信時(shí)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(fā)射信號，pUi為第i個(gè)傳感器Ui的發(fā)射功率，且xi～CN(0,pUi)，中繼以放大因子αi對接收到信號放大并轉(zhuǎn)發(fā)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(gè)中繼的發(fā)射功率，xU即為傳感器Ui端發(fā)射信號xi，由Ei的表達(dá)式可以得到由γSi和pBi的表達(dá)式得到水下傳感器到基站通信速率表達(dá)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(tǒng)進(jìn)行最大系統(tǒng)遍歷和容量上界最大化的方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)遍歷和容量上界定義為系統(tǒng)和速率的期望能夠達(dá)到的最大值，系統(tǒng)和速率表達(dá)式為Rsum(τ)=Σi=1KRi(τ)]]>由于水聲信道的多變性使得其難以估計(jì)，對水聲信道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，即對g1i取均值，且Rsum(τ)關(guān)于g1i為凹函數(shù)，根據(jù)詹森不等式，遍歷和容量滿足E[Rsum(τ)]=E[Σi=1Kτilog2(1+aiτ0biτ0+ciτi)]≤Σi=1Kτilog2[1+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(gè)中繼的充電效率，令xS為基站在第一個(gè)時(shí)隙發(fā)送的信號，xS為復(fù)隨機(jī)信號并滿足E[|xS|2]＝PS，而pS表示基站的發(fā)射功率；下行鏈路信道功率增益滿足復(fù)隨機(jī)變量表示下行鏈路信道信息；第i個(gè)傳感器Ui到第i個(gè)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(fù)隨機(jī)變量表示水下傳感器到中繼的信道信息，復(fù)隨機(jī)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(gè)傳感器Ui的發(fā)射功率。由于各個(gè)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(gè)值，即E(bi)/E(ai)為同一值。令那么這個(gè)海洋中繼通信系統(tǒng)遍歷和容量上界優(yōu)化問題可以描述為maxR‾sum(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(shí)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(shí)際時(shí)間，其中T表示一個(gè)通信周期。本發(fā)明的實(shí)行流程：第一步，基站給中繼進(jìn)行充電；第二步，水下傳感器通過中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)將信號發(fā)送至基站。通過基站與中繼上的中央控制單位進(jìn)行時(shí)隙控制，保證按照權(quán)利要求5中的時(shí)隙分配方案對上述兩步驟進(jìn)行時(shí)隙分配，其中，充電過程時(shí)隙為通信過程時(shí)隙為附圖說明圖1為本發(fā)明水聲中繼系統(tǒng)的模型；圖2為本發(fā)明TDMA上行鏈路與下行鏈路的時(shí)間分配；圖3為基于路徑損耗變化的不同方案對比圖；具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述。結(jié)合圖1所示的水聲中繼系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)船載基站、K個(gè)水下傳感器以及每個(gè)傳感器對應(yīng)的水面的聲吶中繼組成，其中K為正整數(shù)。另外，系統(tǒng)的基站、中繼和傳感器都是單天線的，中繼有一個(gè)放大器用來放大從傳感器接收到的信號，并且中繼端配有可充電電源，可以從基站發(fā)送的信號中獲取能量。整個(gè)通信過程可分為兩個(gè)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(zhuǎn)發(fā)將信號發(fā)送至基站的過程。如圖1所示，第i個(gè)傳感器Ui到第i個(gè)中繼Bi以及第i個(gè)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(fù)隨機(jī)變量表示水下傳感器到中繼的信道信息，復(fù)隨機(jī)變量表示中繼到基站的信道信息。結(jié)合圖2，這里采用時(shí)分復(fù)用的通信方式，避免了各個(gè)傳感器間的干擾；τ0為下行鏈路基站給中繼的歸一化充電時(shí)間，τi為上行鏈路中第i個(gè)傳感器Ui發(fā)送信號到基站的歸一化時(shí)間，且有在第一個(gè)階段，即下行鏈路能量傳輸過程中，控制充電時(shí)間長度為τ0。第i個(gè)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(gè)時(shí)隙發(fā)送的信號，xS為復(fù)隨機(jī)信號并滿足E[|xS|2]＝PS，而ps表示基站的發(fā)射功率。在第二個(gè)階段，即上行鏈路傳輸中，第i個(gè)傳感器的通信時(shí)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(fā)射信號，pUi為第i個(gè)傳感器Ui的發(fā)射功率，且xi～CN(0,pUi)，中繼以放大因子αi對接收到信號放大并轉(zhuǎn)發(fā)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(gè)中繼的發(fā)射功率，xU即為傳感器Ui端發(fā)射信號xi，由Ei的表達(dá)式可以得到由γSi和pBi的表達(dá)式得到水下傳感器到基站通信速率表達(dá)式為Ri(τ)=τilog2(1+αi2g2ig1iαi2g2inBi2+nSi2)=τilog2(1+aiτ0biτ0+ciτi)]]>其中τ＝[τ0,τ1,…,τK]，ci＝g1inSi2pUi+nBi2nSi2結(jié)合圖1系統(tǒng)，進(jìn)行最大系統(tǒng)遍歷和容量上界最大化的方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)遍歷和容量上界定義為系統(tǒng)和速率的期望能夠達(dá)到的最大值，系統(tǒng)和速率表達(dá)式為Rsum(τ)=Σi=1KRi(τ)]]>由于水聲信道的多變性使得其難以估計(jì)，對水聲信道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，即對g1i取均值，且Rsum(τ)關(guān)于g1i為凹函數(shù)，根據(jù)詹森不等式，遍歷和容量滿足E[Rsum(τ)]=E[Σi=1Kτilog2(1+aiτ0biτ0+ciτi)]≤Σi=1Kτilog2[1+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(gè)中繼的充電效率，令xS為基站在第一個(gè)時(shí)隙發(fā)送的信號，xS為復(fù)隨機(jī)信號并滿足E[|xS|2]＝PS，而pS表示基站的發(fā)射功率；下行鏈路信道功率增益滿足復(fù)隨機(jī)變量表示下行鏈路信道信息；第i個(gè)傳感器Ui到第i個(gè)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(fù)隨機(jī)變量表示水下傳感器到中繼的信道信息，復(fù)隨機(jī)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(gè)傳感器Ui的發(fā)射功率。由于各個(gè)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(gè)值，即E(bi)/E(ai)為同一值。令那么這個(gè)海洋中繼通信系統(tǒng)遍歷和容量上界優(yōu)化問題可以描述為maxR‾sum(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(shí)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(shí)際時(shí)間，其中T表示一個(gè)通信周期。根據(jù)圖1所示系統(tǒng)，結(jié)合上述時(shí)隙分配方案，得到本發(fā)明的實(shí)行流程：第一步，基站給中繼進(jìn)行充電；第二步，水下傳感器通過中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)將信號發(fā)送至基站。通過基站與中繼上的中央控制單位進(jìn)行時(shí)隙控制，保證按照權(quán)利要求5中的時(shí)隙分配方案對上述兩步驟進(jìn)行時(shí)隙分配，其中，充電過程時(shí)隙為通信過程時(shí)隙為根據(jù)上述時(shí)隙分配方案進(jìn)行仿真比較，如圖3所示，證明了本發(fā)明提出的分配策略相比于其他傳統(tǒng)方案顯著提高了系統(tǒng)遍歷和容量上界，從而提高了系統(tǒng)吞吐量以及系統(tǒng)的工作效率。當(dāng)前第1頁1 2 3