技術(shù)特征：

1.一種基于充電的水聲中繼系統(tǒng)，其特征在于：由一個船載基站、K個水下傳感器以及每個傳感器對應(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。

2.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的通信方法，其特征在于整個通信過程分為兩個階段，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；基站S到第i個中繼B_i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個傳感器U_i到第i個中繼B_i以及第i個中繼B_i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；采用時分復(fù)用的通信方式，避免了各個傳感器間的干擾；τ₀為下行鏈路基站給中繼的歸一化充電時間，τ_i為上行鏈路中第i個傳感器U_i發(fā)送信號到基站的歸一化時間，且有

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在第一階段，即下行鏈路能量傳輸過程中，控制充電時間長度為τ₀,第i個中繼接收到的能量為

其中表示第i個中繼的充電效率，令x_S為基站在第一個時隙發(fā)送的信號，x_S為復(fù)隨機(jī)信號并滿足E[|x_S|²]＝P_S，而p_S表示基站的發(fā)射功率。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于在第二階段，即上行鏈路傳輸中，第i個傳感器的通信時間長度為τ_i，y_Bi表示中繼端接收信號，n_Bi表示中繼端接收噪聲，且n_Bi～CN(0,σ₁²)，其中為此噪聲的方差，則有

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

其中x_i表示傳感器U_i端發(fā)射信號，p_Ui為第i個傳感器U_i的發(fā)射功率，且x_i～CN(0,p_Ui)，中繼以放大因子α_i對接收到信號放大并轉(zhuǎn)發(fā)給基站，y_Si表示基站接收信號，n_Si表示基站端接收噪聲，且n_Si～CN(0,σ₂²)，其中為此噪聲的方差，則基站接收到的信號為

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

其中P_Bi為第i個中繼的發(fā)射功率，x_U即為傳感器U_i端發(fā)射信號x_i，由E_i的表達(dá)式可以得到

由γ_Si和p_Bi的表達(dá)式得到水下傳感器到基站通信速率表達(dá)式為

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

其中τ＝[τ₀,τ₁,…,τ_K]，

c_i＝g_1in_Si²p_Ui+n_Bi²n_Si²。

5.一種基于充電的水聲中繼系統(tǒng)的時隙分配方法，其特征在于：進(jìn)行最大系統(tǒng)遍歷和容量上界最大化的方案設(shè)計，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

其中τ＝[τ₀,τ₁,…,τ_K]；τ₀為下行鏈路基站給中繼的歸一化充電時間，τ_i為上行鏈路中第i個傳感器發(fā)送信號到基站的歸一化時間，且有

對水聲信道進(jìn)行統(tǒng)計平均，即對g_1i取均值，且R_sum(τ)關(guān)于g_1i為凹函數(shù)，根據(jù)詹森不等式，遍歷和容量滿足

$E\[R_{sum}\left(\mathrm{\τ}\right)\]=E\[\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_i{\log }_2\left(1+\frac{a_i{\mathrm{\τ}}_0}{b_i{\mathrm{\τ}}_0+c_i{\mathrm{\τ}}_i}\right)\]\≤\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_i{\log }_2\[1+\frac{E\left(a_i\right){\mathrm{\τ}}_0}{E\left(b_i\right){\mathrm{\τ}}_0+E\left(c_i\right){\mathrm{\τ}}_i}\]$

其中E(a_i),E(b_i),E(c_i)分別為

E(c_i)＝n_Si²p_UiE(g_1i)+n_Bi²n_Si²

c_i＝g_1in_Si²p_Ui+n_Bi²n_Si²

這之中，表示第i個中繼的充電效率，令x_S為基站在第一個時隙發(fā)送的信號，x_S為復(fù)隨機(jī)信號并滿足E[|x_S|²]＝P_S，而p_S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個傳感器U_i到第i個中繼B_i以及中繼B_i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；n_Bi表示中繼端接收噪聲；n_Si表示基站端接收噪聲；p_Ui為第i個傳感器U_i的發(fā)射功率；

由于各個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值，即E(b_i)/E(a_i)為同一值；

令那么這個海洋中繼通信系統(tǒng)遍歷和容量上界優(yōu)化問題可以描述為

$\max {\stackrel{\‾}{R}}_{sum}\left(\mathrm{\τ}\right)$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{i=0}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\τ}}_i\≤1\end{array}$

τ_i≥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間分配為

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

其中，x^*是f(x)的唯一解，

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

即為實際時間，其中T表示一個通信周期。

6.一種基于充電的水聲中繼系統(tǒng)傳輸方法，其特征在于包括如下步驟：

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)行時隙控制，按照權(quán)利要求5所述時隙分配方法對上述兩步驟進(jìn)行時隙分配，其中，充電過程時隙為通信過程時隙為