一种WPC水声通信系统资源分配方法

一种WPC水声通信系统资源分配方法

一种wpcn水声通信系统资源分配方法
技术领域
1.本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种适用于无线供能通信网络(wireless powered communication network,wpcn)水声通信系统资源分配方法。


背景技术：

2.水声通信广泛应用于海洋环境监测与灾害预警、海岸监控与港口安全等民、商用领域，但由于海洋及水下环境的特殊性，水声通信技术的应用与发展一直面临着巨大的挑战，包括通信时延长、多普勒效应与多径效应严重、可用带宽窄、水声通信网络能量受限等问题。
3.wpcn的传输过程分为两个阶段:第一阶段为下行链路无线能量传输，(接入点)向终端节点传输能量，终端节点进行能量收集；第二阶段为上行链路无线信息传输，终端节点利用在第一阶段所收集的能量向发送信息。wpcn的一个突出优点就是接收端所接收到的环境噪声与干扰也可以作为能量来源进行能量收集，可显著提高能量收集效率，可有效解决传统水声通信网络的生命周期受限于节点的电池能量问题。
4.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。公布号为cn110138460b、公布日为2020年08月18日的一篇名为“具有能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置”的发明专利，提出将水下终端节点接收到的声波信号分离为两路信号，同时进行能量收集和信号检测。但该方法假设环境噪声为高斯白噪声，与实际不符，并且能量收集过程中没有将环境噪声作为能量来源的一部分进行收集；此外，该方法仅考虑利用接收信号的一部分功率进行能量收集，所能收集到的能量较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种wpcn水声通信资源分配方法，该方法针对点对点wpcn水声通信系统应用场景，考虑接入点s(后文都用s表示)配备多个用于传输能量的发射换能器(多天线)，通过对接入点s天线阵列进行能量波束成形，将能量信号发送给终端传感器r(后文都用r表示)，使得终端传感器r的接收能量最大化，终端传感器r利用收集的能量进行信息传输。
6.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
7.一种wpcn水声通信系统资源分配方法，该wpcn水声通信系统包含一个配备n个发射换能器和1个接收换能器的接入点s和一个配备1个发射换能器和1个接收换能器的终端传感器r，发射换能器又称为天线，传输时间为t，在第一阶段的τ0t时间内，接入点s向终端传感器r传输能量，终端传感器r进行能量收集，其中τ0是时隙分配因子，用于分配能量传输和信息传输的时间占比；在第二阶段的(1-τ0)t时间内，终端传感器r利用第一阶段所收集的能量向接入点s传输信息，且两阶段所传输的信号都将经过正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)技术进行调制，而获得的ofdm符号块经由k个子载波进行传输，所述资源分配方法包括以下步骤：
8.s1、接入点s向终端传感器r广播指令，要求终端传感器r发送训练符号序列给接入点s，接入点s根据接收到的训练符号序列对接入点s与终端传感器r之间的信道状态信息进行估计，接入点s与终端传感器r之间的信道矢量为gk＝[g1[k],g2[k],
…
,gn[k]
…
,gn[k]]
t
，其中[
·
]
t
代表对矩阵或矢量求转置操作，n＝1,2,
…
,n，k＝1,2,
…
,k，gn[k]是第k个子载波上接入点s的第n根天线与终端传感器r之间的信道状态信息；
[0009]
s2、终端传感器r向接入点s广播指令，要求接入点s发送训练符号序列给终端传感器r，终端传感器r根据接收到的训练符号序列进行信道估计，获取终端传感器r和接入点s之间的信道状态信息h＝[h[1],h[2],
…
,h[k],
…
,h[k]]
t
，其中h[k]是第k个子载波上终端传感器r与接入点s之间的信道状态信息；
[0010]
s3、接入点s生成k维能量信号矢量x＝[x1,x2,
…
,xk,
…
xk]
t
，其中，xk是接入点s在第n根天线上第k个子载波上发给终端传感器r的信息比特，第k个子载波上所发送的信息相同；定义接入点s能量波束成形矩阵w＝[w1,w2,
…
,wk…
,wk]，其中wk＝[w1[k],w2[k],
…
,wn[k]
…
,wn[k]]
t
是接入点s相应于第k个子载波的波束成形矢量，wn[k]是接入点s第n根天线上第k个子载波的波束成形因子；
[0011]
s4、定义wpcn水声通信系统最大化收集能量的优化问题，并通过图优化求解接入点s波束成形矩阵w的最优值与时隙分配因子τ0的最优值其中，是第k个子载波上的最优波束成形矢量，wn[k]
*
是接入点s第n根天线上第k个子载波的最优波束成形因子；
[0012]
s5、接入点s利用水声换能器阵列波束成形矩阵w的最优值w
*
，对接入点s的发送能量信号矢量x进行波束成形，得到发送信号在第一阶段τ
0*
t时间内将信号发送给终端传感器r；终端传感器r进行能量收集，并在第二阶段(1-τ
0*
)t时间内将收集到的能量用于信息传输。
[0013]
进一步地，所述步骤s4过程如下：
[0014]
s4.1、定义最大化系统收集能量优化问题如下目标函数p1：
[0015]
p1:
[0016]
subject to c1:r0≥r
th
[0017]
c2:
[0018]
c3:0≤τ0≤1
[0019]
其中，e是终端传感器r收集到的总能量，其中|
·
|表示求模运算，n(fk)是第k个子载波上的非白高斯噪声功率谱密度，其中fk是第k个子载波的频率，r0是可达信息速率，η是能量接收机的能量转换效率，r
th
是传输速率门限值，ps是接入点s的最大发射功率；
[0020]
s4.2、通过凸优化工具包cvx对最大化系统收集能量的优化问题进行求解，过程如
下：
[0021]
s4.2.1、对接入点s的水声换能器阵列波束成形矩阵w＝[w1,w2,
…
,wk,
…
,wk]和时隙分配因子τ0进行初始化，获得初始值以及可行点(w
(0)
,)和(w
(1)
,)，其中表示第0次迭代接入点s发送的能量波束，表示第1次迭代接入点s发送的能量波束，是第0次迭代分配给接入点s的能量发送时间，是第1次迭代分配给接入点s的能量发送时间，令设置收敛容忍度ε和迭代变量初始值n＝1；
[0022]
s4.2.2、利用所述的可行点w
(n)
和使用凸优化工具包cvx求解步骤s4.1中优化问题，得到在第n次迭代的最优解
[0023]
s4.2.3、利用和使用凸优化工具包cvx求解步骤s4.1所中优化问题，得到在第n次迭代的最优解
[0024]
s4.3、根据步骤s4.1中目标函数p1，计算wpcn水声通信系统在第n次和第n-1次迭代所收集到的总能量，分别为代所收集到的总能量，分别为分别表示第n-1、n次迭代接入点s发送的最优能量波束，是第n-1、n次迭代分配给接入点s的最优能量发送时间；
[0025]
s4.4、判断是否成立，若成立则停止迭代，输出所述优化问题的最优解否则令否则令n＝n+1，返回步骤s4.2.2。
[0026]
进一步地，所述步骤s4.1中，n(fk)的取值与第k个子载波的频率fk相关，与普通高斯白噪声不同。环境噪声来源主要来自于湍流、船运、风浪和热噪声，且受到频率的影响较大，更贴近于水下的真实环境。
[0027]
进一步地，所述步骤s4.1中，wpcn水声通信系统将环境噪声与干扰也作为能量来源进行能量收集，可以显著提高能量的收集效率。
[0028]
进一步地，所述步骤s4.1中，e是wpcn水声通信系统最大收集能量，e值越大，表示wpcn水声通信系统收集的能量越高，方案越优。
[0029]
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0030]
1.本发明使用ofdm技术和wpcn无线供能技术，可为水声节点进行无线能量补充，可避免水声传感节点因电池能量耗尽所需的更换电池或节点本身的操作，大大延长水声传感节点与水声网络的寿命，从而显著降低水声网络的运营成本。
[0031]
2.本发明以接入点发射信号的波束成形矩阵与时隙分配因子为优化对象，在保证通信质量的前提下获得最大的传感器终端节点收集能量，从而最大限度的为水声通信网络终端传感器节点进行能源补充，并使用了ao(alternating optimization，轮换寻优)技术，将多变量问题拆分成单一变量优化的子问题，算法实现简单。
[0032]
3.本发明所应用的wpcn技术具有接收端所收到的环境噪声与干扰也可作为能量来源进行能量收集的突出优点，可显著提高能量收集效率。
附图说明
[0033]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0034]
图1是本发明中公开的wpcn水声系统资源系统分配方法的应用模型示意图；
[0035]
图2是本发明中公开的wpcn水声系统资源系统分配方法的流程图；
[0036]
图3是本发明中获取接入点波束成形矩阵与时隙分配因子最优解的步骤流程图；
[0037]
图4是本发明实施例1优化前后系统收集能量随着发送功率的变化而变化的仿真图；
[0038]
图5是本发明实施例2优化前后系统收集能量随着发送功率的变化而变化的仿真图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
实施例1
[0041]
本实施例公开了一种wpcn水声通信系统资源分配方法，一种wpcn水声通信系统资源分配方法，该wpcn水声通信系统包含一个配备3个发射换能器和1个接收换能器的接入点s和一个配备1个发射换能器和1个接收换能器的终端传感器r，发射换能器又称为天线，传输时间为t，在第一阶段的τ0t时间内，接入点s向终端传感器r传输能量，终端传感器r进行能量收集，其中τ0是时隙分配因子，用于分配能量传输和信息传输的时间占比；在第二阶段的(1-τ0)t时间内，终端传感器r利用第一阶段所收集的能量向接入点s传输信息，且两阶段所传输的信号都将经过正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)技术进行调制，而获得的ofdm符号块经由4个子载波进行传输，所述资源分配方法包括以下步骤：
[0042]
s1、接入点s向终端传感器r广播指令，要求终端传感器r发送训练信号给接入点s。接入点s根据接收到的训练符号序列对接入点s与终端传感器r之间的信道状态信息进行估计，接入点s与终端传感器r之间的信道矢量为gk＝[g1[k],g2[k],g3[k]]
t
，其中[
·
]
t
代表对矩阵或矢量求转置操作，gn[k]是第k个子载波上s的第n根天线与终端传感器r之间的信道状态信息，其中，n＝1,2,3k＝1,2,3，4；
[0043]
s2、终端传感器r向接入点s广播指令，要求接入点s发送训练符号序列给终端传感器r。终端传感器r根据接收到的训练符号序列进行信道估计，获取终端传感器r和接入点s之间的信道状态信息h＝[h[1],h[2],h[3],h[4]]
t
，其中h[k]是第k个子载波上终端传感器r与接入点s之间的信道状态信息；
[0044]
s3、接入点s生成k维能量信号矢量x＝[x1,x2,x3,x4]
t
，其中，xk是接入点s在第n根
天线、第k个子载波上发给终端传感器r的信息比特，第k个子载波上所发送的信息相同；定义接入点s能量波束成形矩阵w＝[w1,w2,w3,w4]、时隙分配因子τ0，其中wk＝[w1[k],w2[k],w3[k]]
t
是s相应于第k个子载波的波束成形矢量，wn[k]是接入点s第n根天线上第k个子载波的波束成形因子；
[0045]
s4、接入点s获取水声换能器阵列波束成形矩阵w的最优值与时隙分配因子τ0的最优值其中是第k个子载波上的最优波束成形矢量，wn[k]
*
是接入点s第n根天线上第k个子载波的最优波束成形因子，具体有以下步骤：
[0046]
s4.1：定义最大化系统收集能量的优化问题如下目标函数p1：
[0047]
p1：
[0048]
subject to c1:r0≥r
th
[0049]
c2:
[0050]
c3:0≤τ0≤1
[0051]
其中，e是终端传感器r收集到的总能量，其中|
·
|表示求模运算，n(fk)是第k个子载波上的非白高斯噪声功率谱密度，其中fk是第k个子载波的频率，r0是可达信息速率，其中η是能量接收机的能量转换效率，r
th
是传输速率门限值，ps是s的最大发射功率；
[0052]
s4.2、通过凸优化工具包cvx对最大化系统收集能量的优化问题进行求解，过程如下：
[0053]
s4.2.1、对接入点s的水声换能器阵列波束成形矩阵w＝[w1,w2,w3,w4]和时隙分配因子τ0进行初始化，获得初始值进行初始化，获得初始值以及可行点(w
(0)
,)和(w
(1)
,)，其中表示第0次迭代接入点s发送的能量波束，表示第1次迭代接入点s发送的能量波束，是第0次迭代分配给接入点s的能量发送时间，是第1次迭代分配给接入点s的能量发送时间，令设置收敛容忍度ε和迭代变量初始值n＝1；
[0054]
s4.2.2、利用所述的可行点w
(n)
和使用凸优化工具包cvx求解步骤4.1所述优化问题，得到在第n次迭代的最优解
[0055]
s4.2.3、利用和使用凸优化工具包cvx求解步骤4.1所述优化问题，得到在第n次迭代的最优解
[0056]
s4.3、根据步骤4.1中目标函数p1，计算wpcn水声通信系统在第n次和第n-1次迭代所收集到的总能量，分别为所收集到的总能量，分别为分别表
[k],w2[k],w3[k],w4[k]]
t
是接入点s相应于第k个子载波的波束成形矢量，wn[k]是接入点s第n根天线上第k个子载波的波束成形因子；
[0065]
s4、接入点s获取水声换能器阵列波束成形矩阵w的最优值与时隙分配因子τ0的最优值其中是第k个子载波上的最优波束成形矢量，wn[k]
*
是s第n根天线上第k个子载波的最优波束成形因子，具体有以下步骤：
[0066]
s4.1、定义最大化系统收集能量的优化问题如下目标函数p1：
[0067]
p1：
[0068]
subject to c1:r0≥r
th
[0069]
c2:
[0070]
c3:0≤τ0≤1
[0071]
其中，e是终端传感器r收集到的总能量，其中|
·
|表示求模运算，n(fk)是第k个子载波上的非白高斯噪声功率谱密度，其中fk是第k个子载波的频率，r0是可达信息速率，其中
[0072][0073]
其中η是能量接收机的能量转换效率，r
th
是传输速率门限值，ps是接入点s的最大发射功率；
[0074]
s4.2、通过凸优化工具包cvx对最大化系统收集能量的优化问题进行求解，过程如下：
[0075]
s4.2.1、对接入点s的水声换能器阵列波束成形矩阵w＝[w1,w2,w3,w4,w5,w6]和时隙分配因子τ0进行初始化，获得初始值以及可行点(w
(0)
,)和(w
(1)
,)，其中表示第0次迭代接入点s发送的能量波束，表示第1次迭代接入点s发送的能量波束，是第0次迭代分配给接入点s的能量发送时间，是第1次迭代分配给接入点s的能量发送时间，令设置收敛容忍度ε和迭代变量初始值n＝1；
[0076]
s4.2.2、利用所述的可行点w
(n)
和使用凸优化工具包cvx求解步骤4.1所述优化问题，得到在第n次迭代的最优解
[0077]
s4.2.3、利用和使用凸优化工具包cvx求解步骤4.1所述优化问题，得到在第n次迭代的最优解
[0078]
s4.3、根据步骤s4.1中目标函数p1，计算wpcn水声通信系统在第n次和第n-1次迭代所收集到的总能量，分别为代所收集到的总能量，分别为分别
表示第n-1、n次迭代接入点s发送的能量波束，是第0次迭代分配给接入点s的能量发送时间，是第1次迭代分配给接入点s的能量发送时间；
[0079]
s4.4、判断是否成立，若成立则停止迭代，输出所述优化问题的最优解否则令否则令n＝n+1，返回步骤s4.2.2；
[0080]
s5、接入点s利用水声换能器阵列波束成形矩阵w的最优值w
*
，对接入点s的发送能量信号矢量x进行波束成形，得到发送信号在第一阶段τ
0*
t时间内将x0发送给终端传感器r，终端传感器r进行能量收集，并在第二阶段(1-τ
0*
)t时间内将收集到的能量用于信息传输；
[0081]
图5为实施例的系统收集能量随着发射功率的变化而变化的仿真图，图例从上至下分别代表本发明提出的wpcn优化方法和wipt优化方法的比较结果，从图中可以看出随着发射功率逐渐增大，系统收集的能量逐渐变大，本发明提出优化方法在取得的效果要优于wipt优化方法，说明本发明提出的方法是可行的。
[0082]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。