一種WPC水聲通信系統資源分配方法
一種wpcn水聲通信系統資源分配方法
技術領域
1.本發明涉及水聲通信技術領域，具體涉及一種適用于無線供能通信網絡(wireless powered communication network,wpcn)水聲通信系統資源分配方法。
背景技術：
2.水聲通信廣泛應用于海洋環境監測與災害預警、海岸監控與港口安全等民、商用領域，但由于海洋及水下環境的特殊性，水聲通信技術的應用與發展一直面臨著巨大的挑戰，包括通信時延長、多普勒效應與多徑效應嚴重、可用帶寬窄、水聲通信網絡能量受限等問題。
3.wpcn的傳輸過程分為兩個階段:第一階段為下行鏈路無線能量傳輸，(接入點)向終端節點傳輸能量，終端節點進行能量收集；第二階段為上行鏈路無線信息傳輸，終端節點利用在第一階段所收集的能量向發送信息。wpcn的一個突出優點就是接收端所接收到的環境噪聲與干擾也可以作為能量來源進行能量收集，可顯著提高能量收集效率，可有效解決傳統水聲通信網絡的生命周期受限于節點的電池能量問題。
4.目前僅有個別研究提出通過無線能量收集技術為水聲通信節點補充能源的方法。公布號為cn110138460b、公布日為2020年08月18日的一篇名為“具有能量收集能力的水聲通信系統資源分配方法與裝置”的發明專利，提出將水下終端節點接收到的聲波信號分離為兩路信號，同時進行能量收集和信號檢測。但該方法假設環境噪聲為高斯白噪聲，與實際不符，并且能量收集過程中沒有將環境噪聲作為能量來源的一部分進行收集；此外，該方法僅考慮利用接收信號的一部分功率進行能量收集，所能收集到的能量較低。
技術實現要素：
5.本發明的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，提供一種wpcn水聲通信資源分配方法，該方法針對點對點wpcn水聲通信系統應用場景，考慮接入點s(后文都用s表示)配備多個用于傳輸能量的發射換能器(多天線)，通過對接入點s天線陣列進行能量波束成形，將能量信號發送給終端傳感器r(后文都用r表示)，使得終端傳感器r的接收能量最大化，終端傳感器r利用收集的能量進行信息傳輸。
6.本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：
7.一種wpcn水聲通信系統資源分配方法，該wpcn水聲通信系統包含一個配備n個發射換能器和1個接收換能器的接入點s和一個配備1個發射換能器和1個接收換能器的終端傳感器r，發射換能器又稱為天線，傳輸時間為t，在第一階段的τ0t時間內，接入點s向終端傳感器r傳輸能量，終端傳感器r進行能量收集，其中τ0是時隙分配因子，用于分配能量傳輸和信息傳輸的時間占比；在第二階段的(1-τ0)t時間內，終端傳感器r利用第一階段所收集的能量向接入點s傳輸信息，且兩階段所傳輸的信號都將經過正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)技術進行調制，而獲得的ofdm符號塊經由k個子載波進行傳輸，所述資源分配方法包括以下步驟：
8.s1、接入點s向終端傳感器r廣播指令，要求終端傳感器r發送訓練符號序列給接入點s，接入點s根據接收到的訓練符號序列對接入點s與終端傳感器r之間的信道狀態信息進行估計，接入點s與終端傳感器r之間的信道矢量為gk＝[g1[k],g2[k],
…
,gn[k]
…
,gn[k]]
t
，其中[
·
]
t
代表對矩陣或矢量求轉置操作，n＝1,2,
…
,n，k＝1,2,
…
,k，gn[k]是第k個子載波上接入點s的第n根天線與終端傳感器r之間的信道狀態信息；
[0009]
s2、終端傳感器r向接入點s廣播指令，要求接入點s發送訓練符號序列給終端傳感器r，終端傳感器r根據接收到的訓練符號序列進行信道估計，獲取終端傳感器r和接入點s之間的信道狀態信息h＝[h[1],h[2],
…
,h[k],
…
,h[k]]
t
，其中h[k]是第k個子載波上終端傳感器r與接入點s之間的信道狀態信息；
[0010]
s3、接入點s生成k維能量信號矢量x＝[x1,x2,
…
,xk,
…
xk]
t
，其中，xk是接入點s在第n根天線上第k個子載波上發給終端傳感器r的信息比特，第k個子載波上所發送的信息相同；定義接入點s能量波束成形矩陣w＝[w1,w2,
…
,wk…
,wk]，其中wk＝[w1[k],w2[k],
…
,wn[k]
…
,wn[k]]
t
是接入點s相應于第k個子載波的波束成形矢量，wn[k]是接入點s第n根天線上第k個子載波的波束成形因子；
[0011]
s4、定義wpcn水聲通信系統最大化收集能量的優化問題，并通過圖優化求解接入點s波束成形矩陣w的最優值與時隙分配因子τ0的最優值其中，是第k個子載波上的最優波束成形矢量，wn[k]
*
是接入點s第n根天線上第k個子載波的最優波束成形因子；
[0012]
s5、接入點s利用水聲換能器陣列波束成形矩陣w的最優值w
*
，對接入點s的發送能量信號矢量x進行波束成形，得到發送信號在第一階段τ
0*
t時間內將信號發送給終端傳感器r；終端傳感器r進行能量收集，并在第二階段(1-τ
0*
)t時間內將收集到的能量用于信息傳輸。
[0013]
進一步地，所述步驟s4過程如下：
[0014]
s4.1、定義最大化系統收集能量優化問題如下目標函數p1：
[0015]
p1:
[0016]
subject to c1:r0≥r
th
[0017]
c2:
[0018]
c3:0≤τ0≤1
[0019]
其中，e是終端傳感器r收集到的總能量，其中|
·
|表示求模運算，n(fk)是第k個子載波上的非白高斯噪聲功率譜密度，其中fk是第k個子載波的頻率，r0是可達信息速率，η是能量接收機的能量轉換效率，r
th
是傳輸速率門限值，ps是接入點s的最大發射功率；
[0020]
s4.2、通過凸優化工具包cvx對最大化系統收集能量的優化問題進行求解，過程如
下：
[0021]
s4.2.1、對接入點s的水聲換能器陣列波束成形矩陣w＝[w1,w2,
…
,wk,
…
,wk]和時隙分配因子τ0進行初始化，獲得初始值以及可行點(w
(0)
,)和(w
(1)
,)，其中表示第0次迭代接入點s發送的能量波束，表示第1次迭代接入點s發送的能量波束，是第0次迭代分配給接入點s的能量發送時間，是第1次迭代分配給接入點s的能量發送時間，令設置收斂容忍度ε和迭代變量初始值n＝1；
[0022]
s4.2.2、利用所述的可行點w
(n)
和使用凸優化工具包cvx求解步驟s4.1中優化問題，得到在第n次迭代的最優解
[0023]
s4.2.3、利用和使用凸優化工具包cvx求解步驟s4.1所中優化問題，得到在第n次迭代的最優解
[0024]
s4.3、根據步驟s4.1中目標函數p1，計算wpcn水聲通信系統在第n次和第n-1次迭代所收集到的總能量，分別為代所收集到的總能量，分別為分別表示第n-1、n次迭代接入點s發送的最優能量波束，是第n-1、n次迭代分配給接入點s的最優能量發送時間；
[0025]
s4.4、判斷是否成立，若成立則停止迭代，輸出所述優化問題的最優解否則令否則令n＝n+1，返回步驟s4.2.2。
[0026]
進一步地，所述步驟s4.1中，n(fk)的取值與第k個子載波的頻率fk相關，與普通高斯白噪聲不同。環境噪聲來源主要來自于湍流、船運、風浪和熱噪聲，且受到頻率的影響較大，更貼近于水下的真實環境。
[0027]
進一步地，所述步驟s4.1中，wpcn水聲通信系統將環境噪聲與干擾也作為能量來源進行能量收集，可以顯著提高能量的收集效率。
[0028]
進一步地，所述步驟s4.1中，e是wpcn水聲通信系統最大收集能量，e值越大，表示wpcn水聲通信系統收集的能量越高，方案越優。
[0029]
本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果：
[0030]
1.本發明使用ofdm技術和wpcn無線供能技術，可為水聲節點進行無線能量補充，可避免水聲傳感節點因電池能量耗盡所需的更換電池或節點本身的操作，大大延長水聲傳感節點與水聲網絡的壽命，從而顯著降低水聲網絡的運營成本。
[0031]
2.本發明以接入點發射信號的波束成形矩陣與時隙分配因子為優化對象，在保證通信質量的前提下獲得最大的傳感器終端節點收集能量，從而最大限度的為水聲通信網絡終端傳感器節點進行能源補充，并使用了ao(alternating optimization，輪換尋優)技術，將多變量問題拆分成單一變量優化的子問題，算法實現簡單。
[0032]
3.本發明所應用的wpcn技術具有接收端所收到的環境噪聲與干擾也可作為能量來源進行能量收集的突出優點，可顯著提高能量收集效率。
附圖說明
[0033]
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本技術的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
[0034]
圖1是本發明中公開的wpcn水聲系統資源系統分配方法的應用模型示意圖；
[0035]
圖2是本發明中公開的wpcn水聲系統資源系統分配方法的流程圖；
[0036]
圖3是本發明中獲取接入點波束成形矩陣與時隙分配因子最優解的步驟流程圖；
[0037]
圖4是本發明實施例1優化前后系統收集能量隨著發送功率的變化而變化的仿真圖；
[0038]
圖5是本發明實施例2優化前后系統收集能量隨著發送功率的變化而變化的仿真圖。
具體實施方式
[0039]
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0040]
實施例1
[0041]
本實施例公開了一種wpcn水聲通信系統資源分配方法，一種wpcn水聲通信系統資源分配方法，該wpcn水聲通信系統包含一個配備3個發射換能器和1個接收換能器的接入點s和一個配備1個發射換能器和1個接收換能器的終端傳感器r，發射換能器又稱為天線，傳輸時間為t，在第一階段的τ0t時間內，接入點s向終端傳感器r傳輸能量，終端傳感器r進行能量收集，其中τ0是時隙分配因子，用于分配能量傳輸和信息傳輸的時間占比；在第二階段的(1-τ0)t時間內，終端傳感器r利用第一階段所收集的能量向接入點s傳輸信息，且兩階段所傳輸的信號都將經過正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)技術進行調制，而獲得的ofdm符號塊經由4個子載波進行傳輸，所述資源分配方法包括以下步驟：
[0042]
s1、接入點s向終端傳感器r廣播指令，要求終端傳感器r發送訓練信號給接入點s。接入點s根據接收到的訓練符號序列對接入點s與終端傳感器r之間的信道狀態信息進行估計，接入點s與終端傳感器r之間的信道矢量為gk＝[g1[k],g2[k],g3[k]]
t
，其中[
·
]
t
代表對矩陣或矢量求轉置操作，gn[k]是第k個子載波上s的第n根天線與終端傳感器r之間的信道狀態信息，其中，n＝1,2,3k＝1,2,3，4；
[0043]
s2、終端傳感器r向接入點s廣播指令，要求接入點s發送訓練符號序列給終端傳感器r。終端傳感器r根據接收到的訓練符號序列進行信道估計，獲取終端傳感器r和接入點s之間的信道狀態信息h＝[h[1],h[2],h[3],h[4]]
t
，其中h[k]是第k個子載波上終端傳感器r與接入點s之間的信道狀態信息；
[0044]
s3、接入點s生成k維能量信號矢量x＝[x1,x2,x3,x4]
t
，其中，xk是接入點s在第n根
天線、第k個子載波上發給終端傳感器r的信息比特，第k個子載波上所發送的信息相同；定義接入點s能量波束成形矩陣w＝[w1,w2,w3,w4]、時隙分配因子τ0，其中wk＝[w1[k],w2[k],w3[k]]
t
是s相應于第k個子載波的波束成形矢量，wn[k]是接入點s第n根天線上第k個子載波的波束成形因子；
[0045]
s4、接入點s獲取水聲換能器陣列波束成形矩陣w的最優值與時隙分配因子τ0的最優值其中是第k個子載波上的最優波束成形矢量，wn[k]
*
是接入點s第n根天線上第k個子載波的最優波束成形因子，具體有以下步驟：
[0046]
s4.1：定義最大化系統收集能量的優化問題如下目標函數p1：
[0047]
p1：
[0048]
subject to c1:r0≥r
th
[0049]
c2:
[0050]
c3:0≤τ0≤1
[0051]
其中，e是終端傳感器r收集到的總能量，其中|
·
|表示求模運算，n(fk)是第k個子載波上的非白高斯噪聲功率譜密度，其中fk是第k個子載波的頻率，r0是可達信息速率，其中η是能量接收機的能量轉換效率，r
th
是傳輸速率門限值，ps是s的最大發射功率；
[0052]
s4.2、通過凸優化工具包cvx對最大化系統收集能量的優化問題進行求解，過程如下：
[0053]
s4.2.1、對接入點s的水聲換能器陣列波束成形矩陣w＝[w1,w2,w3,w4]和時隙分配因子τ0進行初始化，獲得初始值進行初始化，獲得初始值以及可行點(w
(0)
,)和(w
(1)
,)，其中表示第0次迭代接入點s發送的能量波束，表示第1次迭代接入點s發送的能量波束，是第0次迭代分配給接入點s的能量發送時間，是第1次迭代分配給接入點s的能量發送時間，令設置收斂容忍度ε和迭代變量初始值n＝1；
[0054]
s4.2.2、利用所述的可行點w
(n)
和使用凸優化工具包cvx求解步驟4.1所述優化問題，得到在第n次迭代的最優解
[0055]
s4.2.3、利用和使用凸優化工具包cvx求解步驟4.1所述優化問題，得到在第n次迭代的最優解
[0056]
s4.3、根據步驟4.1中目標函數p1，計算wpcn水聲通信系統在第n次和第n-1次迭代所收集到的總能量，分別為所收集到的總能量，分別為分別表
[k],w2[k],w3[k],w4[k]]
t
是接入點s相應于第k個子載波的波束成形矢量，wn[k]是接入點s第n根天線上第k個子載波的波束成形因子；
[0065]
s4、接入點s獲取水聲換能器陣列波束成形矩陣w的最優值與時隙分配因子τ0的最優值其中是第k個子載波上的最優波束成形矢量，wn[k]
*
是s第n根天線上第k個子載波的最優波束成形因子，具體有以下步驟：
[0066]
s4.1、定義最大化系統收集能量的優化問題如下目標函數p1：
[0067]
p1：
[0068]
subject to c1:r0≥r
th
[0069]
c2:
[0070]
c3:0≤τ0≤1
[0071]
其中，e是終端傳感器r收集到的總能量，其中|
·
|表示求模運算，n(fk)是第k個子載波上的非白高斯噪聲功率譜密度，其中fk是第k個子載波的頻率，r0是可達信息速率，其中
[0072][0073]
其中η是能量接收機的能量轉換效率，r
th
是傳輸速率門限值，ps是接入點s的最大發射功率；
[0074]
s4.2、通過凸優化工具包cvx對最大化系統收集能量的優化問題進行求解，過程如下：
[0075]
s4.2.1、對接入點s的水聲換能器陣列波束成形矩陣w＝[w1,w2,w3,w4,w5,w6]和時隙分配因子τ0進行初始化，獲得初始值以及可行點(w
(0)
,)和(w
(1)
,)，其中表示第0次迭代接入點s發送的能量波束，表示第1次迭代接入點s發送的能量波束，是第0次迭代分配給接入點s的能量發送時間，是第1次迭代分配給接入點s的能量發送時間，令設置收斂容忍度ε和迭代變量初始值n＝1；
[0076]
s4.2.2、利用所述的可行點w
(n)
和使用凸優化工具包cvx求解步驟4.1所述優化問題，得到在第n次迭代的最優解
[0077]
s4.2.3、利用和使用凸優化工具包cvx求解步驟4.1所述優化問題，得到在第n次迭代的最優解
[0078]
s4.3、根據步驟s4.1中目標函數p1，計算wpcn水聲通信系統在第n次和第n-1次迭代所收集到的總能量，分別為代所收集到的總能量，分別為分別
表示第n-1、n次迭代接入點s發送的能量波束，是第0次迭代分配給接入點s的能量發送時間，是第1次迭代分配給接入點s的能量發送時間；
[0079]
s4.4、判斷是否成立，若成立則停止迭代，輸出所述優化問題的最優解否則令否則令n＝n+1，返回步驟s4.2.2；
[0080]
s5、接入點s利用水聲換能器陣列波束成形矩陣w的最優值w
*
，對接入點s的發送能量信號矢量x進行波束成形，得到發送信號在第一階段τ
0*
t時間內將x0發送給終端傳感器r，終端傳感器r進行能量收集，并在第二階段(1-τ
0*
)t時間內將收集到的能量用于信息傳輸；
[0081]
圖5為實施例的系統收集能量隨著發射功率的變化而變化的仿真圖，圖例從上至下分別代表本發明提出的wpcn優化方法和wipt優化方法的比較結果，從圖中可以看出隨著發射功率逐漸增大，系統收集的能量逐漸變大，本發明提出優化方法在取得的效果要優于wipt優化方法，說明本發明提出的方法是可行的。
[0082]
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
