具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置，该方法在骨干网基站或中心节点处布置水声换能器阵列，通过波束成形技术优化基站水声换能器阵列的权值矩阵，使基站发射的水声信号对准水下终端节点。水下终端节点接收到的声波信号在通过水声换能器转化为电信号后，利用功率分离器分离为两路信号流，其中一路信号进行信号检测；另一路信号则通过能量收集模块进行能量收集，收集的能量通过电源模块对终端节点的电池进行充电，从而实现终端节点的能源补充。该方法在保证通信质量的前提下获得最大的终端节点收集能量，从而最大限度的为水声通信网络终端节点进行能源补充。

Resource Allocation Method and Device for Underwater Acoustic Communication System with Wireless Energy Collection Capability

【技术实现步骤摘要】
具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置
本专利技术涉及水声通信
，具体涉及一种具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置。
技术介绍
水声通信是水下通信的主流技术。水声通信技术自问世以来，一直面临着通信时延长、可用带宽窄、信号衰减严重、水下节点设备的能源补充困难等问题。由于水下及海洋环境的特殊性，水下的水声通信网络节点通常采用能量十分有限的电池供电，网络的生命周期受限于节点的电池能量；并且水声通信网络节点的维护特别困难，节点在初次部署后，其电池的更换十分不便甚至不可能实现，在电池能量一次性耗尽后节点通常只能废弃，使得水声节点与水声网络的生命周期短暂进而使用成本高企。因此，水声节点的能量供应与能源管理成为水声通信网络中迫切需要解决的问题。利用无线能量传输技术为水声节点供电是解决水声节点能量有限问题的有效手段，但目前仅有个别研究提出通过无线能量收集技术为水声通信节点补充能源的方法。曹欢欢等人发表在《东南大学学报》上的文献“无线充电的水声通信系统资源分配方案”提出了一种针对具有水下、水上双层结构的中继节点进行资源分配的方法，但该方法仍然需要基站利用电磁波在水面以上对中继节点进行无线充电，存在诸多不足：(1)由于该方法采用无线电磁波充电方式，只能应用于存在水上基站的情形，并且要求中继节点的能量收集单元必须位于水面以上，给网络部署带来不便；(2)中继节点采用水下、水上双层结构，并且中继节点的水上部分与水下部分需要通过电缆进行连接，增加了中继节点的复杂度与成本；(3)不具备水下无线能量传输与收集的能力，没有解决水下终端节点的能源补充问题。总而言之，现有方案存在结构复杂、应用不便等局限性，并且不具备水下无线能量传输与收集的能力，无法解决水声通信网络中大量位于水下尤其是深水区域或者水底的终端传感节点的能源供应或补充问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的缺陷与不足，提供一种具有水下无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置，该方法在骨干网基站或中心节点处布置水声换能器阵列，通过波束成形技术优化基站水声换能器阵列的权值矩阵，使基站发射的水声信号对准水下终端节点。水下终端节点接收到的声波信号在通过水声换能器转化为电信号后，利用功率分离器分离为两路信号流，其中一路信号进行信号检测；另一路信号则通过能量收集模块进行能量收集，收集的能量通过电源模块对终端节点的电池进行充电，从而实现终端节点的能源补充。本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法，该水声通信系统包括一个水下骨干网基站和K个终端节点，水下基站的水声换能器阵列由M个水声换能器组成；每个终端节点均具有单个水声换能器，所述的资源分配方法包括以下步骤：S1、水下基站生成K维发送信息信号矢量X＝[x1,x2,…,xK]T，其中[·]T代表对矩阵或矢量求转置操作，xk是基站发给第k个终端节点的信息比特，其中k＝1,2,…,K；S2、水下基站向所有终端节点广播训练信号；S3、终端节点根据接收到的训练信号对水下基站与终端节点之间的信道进行估计，获取信道矢量，水下基站与第k个终端节点之间的信道矢量为hk＝[hk,1,hk,2,…,hk,M]T，其中hk,m是水下基站的第m个换能器与第k个终端节点之间的信道状态信息，m＝1,2,…,M；S4、水下基站获取水声换能器阵列波束成形矩阵W的最优值W*，终端节点获取功率分离因子矢量ρ的最优值ρ*，具体有以下步骤：S4.1，定义优化问题：其中，Γk是第k个终端节点接收信号的信噪比，Γth是水声通信系统所设定的满足通信质量要求的信噪比门限值，Ek是第k个终端节点的能量收集模块收集到的能量，是K个终端节点所收集到的能量之和，ρk是第k个终端节点的功率分离器的功率分离因子，ρ＝[ρ1,ρ2,…,ρK]T是功率分离因子矢量，W＝[w1,w2,…,wK]是水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵,其中wk＝[wk1,wk2,…,wkM]T代表水下基站发送给第k个终端节点的信号的波束成形矢量，波束成形矢量中的元素wkm满足归一化的功率约束(换能器的发射功率为1)。所述的优化问题中，目标函数中的收集能量Ek与约束条件C3中的信噪比Γk的计算过程如下：第k个终端节点所接收到的信息符号可以表示为其中，[·]H代表对矩阵或矢量求共轭转置操作，nk是服从均值为零，方差为N0的复高斯白噪声。收集能量Ek可由式计算得出，其中Tr()表示对矩阵进行求迹操作。信噪比Γk可由式计算得出，其中|·|表示求模运算。S4.2、初始化水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵W，得到初始化的水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵其中S4.3、初始化各个终端节点的功率分离器的功率分离因子ρk，得到初始化的功率分离因子矢量S4.4、设置迭代变量l，l的初始值为0，第l次迭代的可行点表示为(ρ(l),W(l))，各终端节点在第l次迭代所收集的能量之和记作E(l)。S4.5、利用所述的可行点(ρ(l),W(l))，使用凸优化工具包CVX求解步骤S4.1中的优化问题，获得(ρ,W)在第l次迭代的最优解，记为(ρ(l)*,W(l)*)。S4.6、判断是否成立，其中ε是表示收敛容忍度的常数。若成立，迭代停止，输出优化问题的最优解(ρ*,W*)＝(ρ(l)*,W(l)*)，执行步骤S5；否则令l＝l+1，(ρ(l),W(l))＝(ρ(l)*,W(l)*)，并返回步骤S4.5。S5、水下基站利用水声换能器阵列波束成形矩阵W的最优值W*，对水下基站的发送信息信号矢量X进行波束成形，得到发送信号并将发送信号S发送给所有K个终端节点，各终端节点利用功率分离器的最优功率分离因子进行信号接收与能量收集，其中是W*的第k列元素所构成的矢量，也是wk的最优值，是ρ*的第k个元素。S6、重复步骤S1至步骤S5，直至所有的信息数据发送完毕。本专利技术的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配装置，包括一个用于发射端的水下基站和K个作为接收端的终端节点，其中，所述的水下基站包括水声换能器阵列、多路数据采集模块、基站主控模块、权值矩阵调整模块、波束成形模块，所述的水声换能器阵列，分别与多路数据采集模块、波束成形模块相连，通过水声信道向各终端节点广播信号；所述的多路数据采集模块，分别与水声换能器阵列、基站主控模块相连，通过AD采集单元实时采集水声换能器阵列的信号，并发送给基站主控模块；所述的基站主控模块，分别与多路数据采集模块、权值矩阵调整模块相连，通过多路数据采集模块实时监测水声换能器阵列，同时获取基站波束成形矩阵W的最优值W*，发送给权值矩阵调整模块；所述的权值矩阵调整模块，分别与基站主控模块、波束成形模块相连，根据基站主控模块发送的波束成形矩阵最优值W*，调整权值矩阵发送给波束成形模块；所述的波束成形模块，分别与水声换能器阵列、权值矩阵调整模块相连，根据权值矩阵调整模块发来的权值矩阵，对水下基站的发送信息信号矢量X进行波束成形，得到发送信号S，并利用水声换能器阵列向水声信道发射S；其中，所述的终端节点包括水声换能器、功率分离器、功率分离因子调整模块、节点主控模块、数据传输处理模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法，该水声通信系统包括一个水下基站和K个终端节点，水下基站的水声换能器阵列由M个水声换能器组成，每个终端节点均具有单个水声换能器，其特征在于，所述的资源分配方法包括以下步骤：S1、水下基站生成K维发送信息信号矢量X＝[x1,x2,…,xK]

【技术特征摘要】
1.一种具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法，该水声通信系统包括一个水下基站和K个终端节点，水下基站的水声换能器阵列由M个水声换能器组成，每个终端节点均具有单个水声换能器，其特征在于，所述的资源分配方法包括以下步骤：S1、水下基站生成K维发送信息信号矢量X＝[x1,x2,…,xK]T，其中[·]T代表对矩阵或矢量求转置操作，xk是基站发给第k个终端节点的信息比特，其中k＝1,2,…,K；S2、水下基站向所有终端节点广播训练信号；S3、终端节点根据接收到的训练信号对水下基站与终端节点之间的信道进行估计，获取信道矢量，水下基站与第k个终端节点之间的信道矢量为hk＝[hk,1,hk,2,…,hk,M]T，其中hk,m是水下基站的第m个换能器与第k个终端节点之间的信道状态信息，m＝1,2,…,M；S4、水下基站获取水声换能器阵列波束成形矩阵W的最优值W*，终端节点获取功率分离因子矢量ρ的最优值ρ*；S5、水下基站利用水声换能器阵列波束成形矩阵W的最优值W*，对水下基站的发送信息信号矢量X进行波束成形，得到发送信号并将发送信号S发送给所有K个终端节点，各终端节点利用功率分离器的最优功率分离因子进行信号接收与能量收集，其中是W*的第k列元素所构成的矢量，也是wk的最优值，是ρ*的第k个元素；S6、重复步骤S1至步骤S5，直至所有的信息数据发送完毕。2.根据权利要求1所述的具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法，其特征在于，所述的步骤S4过程如下：S4.1，定义优化问题：C3:Γk≥Γth其中，Γk是第k个终端节点接收信号的信噪比，Γth是水声通信系统所设定的满足通信质量要求的信噪比门限值，Ek是第k个终端节点的能量收集模块收集到的能量，是K个终端节点所收集到的能量之和，ρk是第k个终端节点的功率分离器的功率分离因子，ρ＝[ρ1,ρ2,…,ρK]T是功率分离因子矢量，W＝[w1,w2,…,wK]是水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵,其中wk＝[wk1,wk2,…,wkM]T代表水下基站发送给第k个终端节点的信号的波束成形矢量，波束成形矢量中的元素wkm满足归一化的功率约束S4.2、初始化水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵W，得到初始化的水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵其中S4.3、初始化各个终端节点的功率分离器的功率分离因子ρk，得到初始化的功率分离因子矢量S4.4、设置迭代变量l，l的初始值为0，第l次迭代的可行点表示为(ρ(l),W(l))，各终端节点在第l次迭代所收集的能量之和记作E(l)；S4.5、利用所述的可行点(ρ(l),W(l))，使用凸优化工具包CVX求解步骤S4.1中的优化问题，获得(ρ,W)在第l次迭代的最优解，记为S4.6、判断是否成立，其中ε是表示收敛容忍度的常数，若成立，迭代停止，输出优化问题的最优解执行步骤S5；否则令l＝l+1，并返回步骤S4.5。3.根据权利要求2所述的具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯义志，袁添文，张军，宁更新，季飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44