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水声协作通信系统能效最大准则功率和充电时间分配方法技术方案

技术编号:14487012 阅读:195 留言:0更新日期:2017-01-27 10:38
本发明专利技术公开了一种针对带有无线充电的水声中继通信系统的系统能效优化资源分配方法,其中系统采用时分复用的通信方式,且功率消耗考虑电路功率消耗和发射功率消耗两部分。从能效最优的角度出发,设计出一种联合分配充电时隙和发射功率的方案。仿真结果表明,利用本发明专利技术中的优化方案,可以显著提高系统能效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声通信系统的中继能源供应
,尤其是基于水声通信能效最大准则下的功率和充电时间分配。
技术介绍
水声通信由于带宽受限、传输时延大、水中生物干扰以及多普勒频移等因素,成为了目前最大的挑战之一,也是当前研究的热点问题之一。水声通信中,发送节点的发射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,中继转发技术应运而生,中继转发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,能量供应问题也成为目前的挑战。在传统的水声通信网络中,传感器节点通常采用电池供电。有限的节点能量会严重制约无线传感器网络的工作寿命并带来很高的网络维护成本(例如更换数以百计的节点电池)。在此背景下,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。
技术实现思路
本专利技术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,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。本专利技术提出了水声中继系统模型,其中中继采用无线充电技术,并基于水声通信能效最大准则,提出了功率和充电时间分配方案。本专利技术采取的技术方案具体为:一种带有无线充电的水声中继通信系统传输方法:带有无线充电的水声中继通信系统由水面基站、K个水面浮标中继和对应的K个水下传感器用户组成,水面浮标带有可充电电池,从基站获取能量,hi表示基站到第i个浮标的信道功率增益,满足其中复随机变量表示此过程的信道信息;gi表示第i个中继到第i个传感器的信道功率增益,满足其中复随机变量表示此过程的信道信息。整个通信过程可分为两个阶段,第一阶段为基站给浮标中继充电的过程;第二阶段为浮标中继将信号发送至水下传感器的过程。这里采用时分复用的通信方式。权利1所提系统中基站给各个浮标充电的时间为τ0T,各中继发送信号到传感器的时间为τ1T,τ2T,…,τKT,其中τ1=τ2=…=τK,不失一般性地,对T作归一化处理。由于优选地,在第一个阶段,即基站给浮标中继充电的过程中,xA为基站在第一个时隙发送的能量信号,xA为复随机信号并满足E[xA|2]=PA,其中PA表示基站的发射功率,第i个浮标的接收能量为其中表示充电效率,且第i个中继的发射功率为优选地,在第二个阶段,即浮标中继将信号发送至水下传感器的过程中,xi表示浮标发送信号,yi表示水下传感器接收信号,ni表示水下接收噪声,并满足ni~CN(0,σ12),其中为此噪声的方差,则有yi=gixi+ni,i=1,...,K]]>由pi与上述yi表达式,可以得到中继到传感器通信速率表达式为其中,对上述系统进行在能效最大准则下的功率和充电时间分配方案设计。在数据传输过程中,设备都有附加电路功率,但此功率与系统的传输状态无关。该电路功率包含了发射功率中所需的设备电力消耗。定义整个中继链路的电路功率为Pc,则系统消耗的总功率为Ptotal=Pc+PA系统能效定义为U(PA,τ0)=Σi=1KRi(PA,τ0)Ptotal]]>能效通信的目标是在一定能耗下最大化系统的总传输速率,在通信过程中,提高发射功率可以提高传输速率,然而当发射功率过大时,系统的能效会降低,在传输过程中,以节省能源并最大化能效为主要研究目标,问题描述为maxU(PA,τ0)s.t.0<τ0<1,PA>0对PA和τ0分别进行优化。优选地,在该水声通信系统中只有一个水下传感器,即K=1时,首先进行功率的优化;考虑固定的τ0,对系统能效U(PA,τ0)求导有由于(PA+Pc)2>0,则分子的正负和的正负相同,令对y求一阶导有由于y′<0始终成立,所以y关于PA单调递减,且因此存在唯一的PA0,当PA<PA0时,U关于PA单调递增;PA>PA0时,U关于PA单调递减。因此PA*是的解,即由于上式的左侧是线性形式,右侧是对数形式,引入Lambert函数(W{·本文档来自技高网...
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【技术保护点】
一种带有无线充电的水声中继通信系统传输方法,其特征在于:所述通信系统由水面基站、K个水面浮标中继和对应的K个水下传感器用户组成,其中K为正整数,水面浮标带有可充电电池,从基站获取能量,hi表示基站到第i个浮标中继的信道功率增益,满足其中复随机变量表示基站到第i个浮标中继的信道信息;gi表示第i个浮标中继到第i个传感器的信道功率增益,满足其中复随机变量表示第i个浮标中继到第i个传感器的信道信息;整个通信过程分为两个阶段,第一阶段为基站给浮标中继充电的过程;第二阶段为浮标中继将信号发送至水下传感器的过程;采用时分复用的通信方式;系统中基站给各个浮标充电的时间为τ0T,各中继发送信号到传感器的时间分别为τ1T,τ2T,…τKT,其中τ1=τ2=…=τK,不失一般性地,对T作归一化处理,由于

【技术特征摘要】
1.一种带有无线充电的水声中继通信系统传输方法,其特征在于:所述通信系统由水面基站、K个水面浮标中继和对应的K个水下传感器用户组成,其中K为正整数,水面浮标带有可充电电池,从基站获取能量,hi表示基站到第i个浮标中继的信道功率增益,满足其中复随机变量表示基站到第i个浮标中继的信道信息;gi表示第i个浮标中继到第i个传感器的信道功率增益,满足其中复随机变量表示第i个浮标中继到第i个传感器的信道信息;整个通信过程分为两个阶段,第一阶段为基站给浮标中继充电的过程;第二阶段为浮标中继将信号发送至水下传感器的过程;采用时分复用的通信方式;系统中基站给各个浮标充电的时间为τ0T,各中继发送信号到传感器的时间分别为τ1T,τ2T,…τKT,其中τ1=τ2=…=τK,不失一般性地,对T作归一化处理,由于2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于在第一个阶段,即基站给浮标中继充电的过程中,xA为基站在第一个时隙发送的能量信号,xA为复随机信号并满足E[|xA|2]=PA,其中PA表示基站的发射功率,第i个浮标的接收能量为其中表示充电效率,且第i个中继的发射功率为3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于在第二个阶段,即浮标中继将信号发送至水下传感器的过程中,xi表示浮标发送信号,yi表示水下传感器接收信号,ni表示水下接收噪声,并满足ni~CN(0,σ12),其中为此噪声的方差,则有yi=...

【专利技术属性】
技术研发人员:李春国宋康曹欢欢徐煜耀曹冰昊杨绿溪
申请(专利权)人:东南大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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