一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法技术

一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法，涉及水下通信。利用移动的深潜器或通信节点作为中继节点，增加水下固定源节点与水面目的节点之间的有效通信距离，提高水声协作通信的可靠性，且通过移动中继节点在水中的位置，可控制各水下固定源节点的信号发射功率，使各水下源节点的能量消耗较为均衡。此外，提出的水声协作探测网络节点功率分配优化方法，在使系统功率得到优化的同时，可使系统整体的中断概率最小化。水下可移动中继节点和水面目的节点的能量供给较为充分，暂不考虑对其进行功率控制。

【技术实现步骤摘要】
一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法
本专利技术涉及水下通信，尤其是涉及一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法。
技术介绍
近年来，随着海洋环境监测、海洋相关数据采集、海上灾害预报、导航协助等海洋产业以及海洋工程作业等项目的展开，人们对水下通信技术的需求越来越高。水下通信的环境条件十分恶劣，作为目前公认的最复杂的无线通信信道之一，水声信道的相关参数具有随机时空频变的特性；同时，水下噪声干扰较强，传输带宽受到限制，且声波在水中传播还具有很强的多途效应、很长的传输时延。因此，为提高水声通信性能，常利用协作通信技术。与直接传输相比，水声协作通信技术利用中继节点进行传输具有可获得分集增益、抵抗各种衰落等优点，还可以达到降低系统能量消耗的目的。利用协作通信将一定数量的水声通信节点布放至水下，可以构建一定规模的水声协作探测网络。但由于水下节点的能量供给受限问题较为严重，且设备更换成本和操作复杂度较高。因此，需要对水声协作探测网络各水下源节点的发射功率进行优化，提升系统整体的资源利用率。此外，对各水下源节点进行功率优化还可提高协作通信系统的传输速率、中断概率等传输性能。目前，国内外有关水声协作探测网络节点功率分配的研究及专利较少。东南大学提出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，从能效最优的角度出发，设计一种联合分配充电时隙和发射功率的方案(东南大学.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:中国,201610766555.6[P].2017-10-16)。燕山大学提出一种针对多中继协作的认知水声系统，在该系统中分布有若干个水下固定认知监测节点，这些节点可相互作为协作中继与水面认知基站进行通信，并利用遗传算法进行中继选择和功率优化，以延长网络生存时间(燕山大学.一种多中继协作的认知水声系统中继选择和功率优化方法:中国,201710248010.0[P].2017-10-16)。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供可通过控制水下源节点的信号发射功率，达到提高水声协作探测网络资源利用率，降低功率消耗、延长使用寿命并提升传输性能的一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法。本专利技术包括以下步骤：1)在海底分布有N个水下固定源节点，并等分为L个区域，每个区域均存在K＝N/L个水下固定源节点，并在水中投放一台深潜器或可移动的通信节点作为中继节点，协助海上船只或基站等水面目的节点与海底水声网络源节点之间进行通信，构成水声协作探测网络；在所述水声协作控制网络中，中继节点的有效通信范围内存在的水下源节点始终不超过三个，且各节点均以半双工的方式工作；在步骤1)中，所述海底可在浅海某一海域的海底。2)当水中可移动的中继节点移动至水下源节点所分布海域内的某一区域时，开始尝试与区域内的水下源节点进行训练序列传输；在测试阶段，区域内的各水下源节点将剩余能量信息发送给中继节点；3)若区域内各水下源节点无法与中继节点进行正常通信，则使中继节点移动至海域的其他区域，重复步骤2)，直至达到目标尝试次数或者区域内各水下源节点能与中继节点保持正常通信为止；4)若到步骤3)为止，各水下源节点仍然无法与中继节点进行正常通信，则定义本次通信失败；5)若到步骤3)为止，各水下源节点可与中继节点实现正常通信，则由中继节点计算出各水下源节点与中继节点之间的距离，以及中继节点与目的节点之间的距离，并对中继节点的位置进行定位；对于中继节点的定位，假定中继节点到该区域内三个有效通信范围内的水下源节点的距离分别为l1，l2，l3，且l1＞l2＞l3，令l1和l3两段距离对应直线与l2所对应直线的夹角分别为α和β，定义α和β为定位角；针对l1，l2，l3中任意两项相等或三项相等的特殊情况，该概念依然适用，定位角的作用主要是对中继节点在水中的位置进行描述，为中继节点有针对地根据各水下源节点的能量剩余情况进行位置移动提供参考；6)中继节点将定位角、各水下源节点剩余能量以及各节点间距离等状态信息传输至水面目的节点处；由于中继节点能量不受限，可假定中继节点与水面目的节点可实现无误传输；7)水面目的节点根据各水下源节点至中继节点的距离、各水下源节点剩余能量计算出各水下源节点的信号发射功率分配因子，并通过中继节点将功率分配因子信息发送至各水下源节点；所述水声协作探测网络的节点功率分配优化方法，以最小化系统整体中断概率为目标函数、以各水下源节点能量消耗为限制条件，可表达为：其中，表示水下源节点Si发射所消耗的功率(i＝1,2,3)，其取值与水下源节点Si与中继节点R的距离有关，T表示水声数据传输所消耗的时间，表示水下源节点Si的剩余能量，表示求出的水下源节点Si的功率分配因子，Pout为系统中断概率；8)各水下源节点根据接收到的功率分配信息，采用相应功率进行正式通信，直到通信完成为止。在步骤7)中，所述水下源节点的信号发射功率计算方法的具体步骤如下：(1)水面目的节点利用系统初始化通信时搜集的所在海域的水下环境噪声、工作频率等系统参数的平均值，通过对水声通信系统的支路进行计算机仿真，根据仿真统计结果，得到水声通信距离与所需信号发射功率的函数称之为水声通信声功率级函数，其中为通信距离(km)，Y为水下源节点所需最小声功率级(dB)；(2)水声通信声功率级函数求得的各水下源节点所需的最小声功率级(i＝1,2,3)(单位为dB)，因此与各水下源节点Si发射所消耗的功率(单位为W)存在下列关系：其中，Ii为各水下源节点单位距离的声强，Ie为参考声强，A为各水下源节点信号传播至单位距离时的声传播面积；因此，式(5)可化为：(3)利用所得到的水声通信声功率级函数，并根据收到的各节点间的距离信息，水面目的节点计算出各支路发射端所需的信号发射功率，再判断计算所得结果是否满足系统功率限制条件；(4)若各水下源节点的剩余能量能够使计算所得的发射功率完成通信，即则水面目的节点将各水下源节点的功率分配信息通过中继节点进行广播；否则，令中继节点移动位置，并与区域内各水下源节点重新进行训练序列的传输，重复步骤3)，直至达到目标尝试次数或步骤3)计算所得结果满足系统功率限制条件为止。与现有技术相比，本专利技术可利用移动的深潜器或通信节点作为中继节点，增加水下固定源节点与水面目的节点之间的有效通信距离，提高水声协作通信的可靠性，且通过移动中继节点在水中的位置，可控制各水下固定源节点的信号发射功率，使各水下源节点的能量消耗较为均衡。此外，本专利技术提出的水声协作探测网络节点功率分配优化方法，在使系统功率得到优化的同时，可使系统整体的中断概率最小化。水下可移动中继节点和水面目的节点的能量供给较为充分，暂不考虑对其进行功率控制。本专利技术具有以下优点：1)通过水中移动中继搜集水声协作探测网络节点信息的方式，可以提高系统传输的可靠性，增加各水下源节点与水面目的节点之间的通信距离；2)中继节点本身具有可移动性，利用单中继即可完成较大规模的水声探测网络的水下固定节点数据搜集，减少系统中继节点的布放数量，可以达到节约成本的目的；进行中继转发时，还可通过移动中继节点的位置来控制各水下源节点的信号发射功率，从而使得各水下源节点的能量消耗较为均衡。3)对水声协作探测网络节点进行功率分配优化，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法，其特征在于包括以下步骤：1)在海底分布有N个水下固定源节点，并等分为L个区域，每个区域均存在K＝N/L个水下固定源节点，并在水中投放一台深潜器或可移动的通信节点作为中继节点，协助海上船只或基站等水面目的节点与海底水声网络源节点之间进行通信，构成水声协作探测网络；在所述水声协作控制网络中，中继节点的有效通信范围内存在的水下源节点始终不超过三个，且各节点均以半双工的方式工作；2)当水中可移动的中继节点移动至水下源节点所分布海域内的某一区域时，开始尝试与区域内的水下源节点进行训练序列传输；在测试阶段，区域内的各水下源节点将剩余能量信息发送给中继节点；3)若区域内各水下源节点无法与中继节点进行正常通信，则使中继节点移动至海域的其他区域，重复步骤2)，直至达到目标尝试次数或者区域内各水下源节点能与中继节点保持正常通信为止；4)若到步骤3)为止，各水下源节点仍然无法与中继节点进行正常通信，则定义本次通信失败；5)若到步骤3)为止，各水下源节点可与中继节点实现正常通信，则由中继节点计算出各水下源节点与中继节点之间的距离，以及中继节点与目的节点之间的距离，并对中继节点的位置进行定位；对于中继节点的定位，假定中继节点到该区域内三个有效通信范围内的水下源节点的距离分别为l1，l2，l3，且l1＞l2＞l3，令l1和l3两段距离对应直线与l2所对应直线的夹角分别为α和β，定义α和β为定位角；针对l1，l2，l3中任意两项相等或三项相等的特殊情况，该概念依然适用，定位角的作用主要是对中继节点在水中的位置进行描述，为中继节点有针对地根据各水下源节点的能量剩余情况进行位置移动提供参考；6)中继节点将定位角、各水下源节点剩余能量以及各节点间距离等状态信息传输至水面目的节点处；由于中继节点能量不受限，假定中继节点与水面目的节点实现无误传输；7)水面目的节点根据各水下源节点至中继节点的距离、各水下源节点剩余能量计算出各水下源节点的信号发射功率分配因子，并通过中继节点将功率分配因子信息发送至各水下源节点；所述水声协作探测网络的节点功率分配优化方法，以最小化系统整体中断概率为目标函数、以各水下源节点能量消耗为限制条件，表达为：...

【技术特征摘要】
1.一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法，其特征在于包括以下步骤：1)在海底分布有N个水下固定源节点，并等分为L个区域，每个区域均存在K＝N/L个水下固定源节点，并在水中投放一台深潜器或可移动的通信节点作为中继节点，协助海上船只或基站等水面目的节点与海底水声网络源节点之间进行通信，构成水声协作探测网络；在所述水声协作控制网络中，中继节点的有效通信范围内存在的水下源节点始终不超过三个，且各节点均以半双工的方式工作；2)当水中可移动的中继节点移动至水下源节点所分布海域内的某一区域时，开始尝试与区域内的水下源节点进行训练序列传输；在测试阶段，区域内的各水下源节点将剩余能量信息发送给中继节点；3)若区域内各水下源节点无法与中继节点进行正常通信，则使中继节点移动至海域的其他区域，重复步骤2)，直至达到目标尝试次数或者区域内各水下源节点能与中继节点保持正常通信为止；4)若到步骤3)为止，各水下源节点仍然无法与中继节点进行正常通信，则定义本次通信失败；5)若到步骤3)为止，各水下源节点可与中继节点实现正常通信，则由中继节点计算出各水下源节点与中继节点之间的距离，以及中继节点与目的节点之间的距离，并对中继节点的位置进行定位；对于中继节点的定位，假定中继节点到该区域内三个有效通信范围内的水下源节点的距离分别为l1，l2，l3，且l1＞l2＞l3，令l1和l3两段距离对应直线与l2所对应直线的夹角分别为α和β，定义α和β为定位角；针对l1，l2，l3中任意两项相等或三项相等的特殊情况，该概念依然适用，定位角的作用主要是对中继节点在水中的位置进行描述，为中继节点有针对地根据各水下源节点的能量剩余情况进行位置移动提供参考；6)中继节点将定位角、各水下源节点剩余能量以及各节点间距离等状态信息传输至水面目的节点处；由于中继节点能量不受限，假定中继节点与水面目的节点实现无误传输；7)水面目的节点根据各水下源节点至中继节点的距离、各水下源节点剩余能量计算出各水下源节点的信号发射功率分配因子，并通过中继节点将功率分配因子信息发送至各水下源节点；所述水声协作探测网络的节点功率分配优化方法，以最小化系统整体中断概率为目标函数、以各水下源节点能量消耗为限制条件，表达为：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈友淦，余伟健，黄身钦，吴剑明，许肖梅，张小康，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35