無線充電的水聲通信系統(tǒng)資源分配方案

曹歡歡　 宋　康　 李春國　 方世良　 楊綠溪

(東南大學信息科學與工程學院, 南京 210096)

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無線充電的水聲通信系統(tǒng)資源分配方案

曹歡歡 宋康 李春國 方世良 楊綠溪

(東南大學信息科學與工程學院, 南京 210096)

為了提高水聲通信系統(tǒng)的通信速率,同時更好地解決能量供應問題,提出了一種水聲中繼放大轉發(fā)通信系統(tǒng)資源分配方案．該系統(tǒng)的聲吶中繼配備無線充電設備,利用從基站獲取到的能量時分復用地放大轉發(fā)來自基站的信號．采用拉格朗日優(yōu)化算法,從信道遍歷和容量上界最大的角度出發(fā),推導出一種充電時隙資源以及水下各個傳感器通信時隙資源的最次優(yōu)分配方案．對不同信道、不同發(fā)射功率以及不同通信距離的水聲通信系統(tǒng)進行仿真對比,結果表明,所提出的分配策略比傳統(tǒng)策略顯著提高了系統(tǒng)可達遍歷和容量上界,從而提高了系統(tǒng)吞吐量以及系統(tǒng)的工作效率．

水聲通信; 信道和容量; 拉格朗日優(yōu)化; 無線充電

水聲通信技術是當前研究的熱點問題之一．在水聲通信系統(tǒng)中,信號在傳輸過程中受到窄帶、高噪聲、長時延傳輸?shù)纫蛩赜绊慬1],發(fā)送節(jié)點發(fā)射的信號到達目的節(jié)點時,信號會大幅度衰減和畸變，從而使得信息傳輸?shù)目煽啃韵陆担疄榱私鉀Q上述問題,中繼放大傳輸技術應運而生[2],中繼放大傳輸作為一種很有應用前景的中繼策略,能夠降低傳輸損耗帶來的不利影響,簡單、易于配置和擴展[3-5]．

在傳統(tǒng)的水聲傳感器網絡中,傳感器節(jié)點通常采用電池供電．有限的能量會制約網絡的工作壽命,并且?guī)砗芨叩倪\營成本;另一方面,電池存儲能量的多少決定了整個節(jié)點的壽命．因此,能量獲取成為水聲通信網絡中需要優(yōu)先考慮的一個問題,也是系統(tǒng)設計中最大的難點．相比傳統(tǒng)的能源供電方式，該技術可以減少頻繁手動更換電池的麻煩,并有更高的吞吐量、更長的元件壽命以及更低的網絡運營成本．此外,無線充電還可以根據不同的環(huán)境和服務需求控制其發(fā)射功率、波形、占用時間和頻率尺寸等．這些明顯的優(yōu)勢使得無線供電成為一個有發(fā)展前景的新模式[6-10]．

文獻[11]研究了水聲系統(tǒng)中繼選擇的簡化方案,可節(jié)約水下節(jié)點功耗．文獻[12]研究了水聲通信從水介質中獲取能量的新方法;文獻[13]針對能量有限的水下傳感器節(jié)點,設計了一種高效節(jié)能方案;文獻[6]介紹了無線充電技術以及技術難點;文獻[5]提出了帶有無線充電通信系統(tǒng)的一種實時隙資源分配方案,可提高系統(tǒng)的和速率,但該方案沒有引入中繼轉發(fā)方法,也沒有運用到水聲通信中．

本文考慮了一種具有能量收集能力的無線供電的水聲通信系統(tǒng)，引入一種新的無線充電技術作為水聲通信系統(tǒng)的中繼能源供應方式．并基于系統(tǒng)可達遍歷和容量上界最大,提出了一種時隙分配方案．與其他方案相比,該方案顯著提高了系統(tǒng)的可達遍歷和容量上界．

1　系統(tǒng)模型

考慮如圖1所示的水聲中繼系統(tǒng),該系統(tǒng)由一個船載基站、K個水下傳感器以及每個傳感器對應的水面聲吶中繼組成．假設系統(tǒng)的基站、中繼和傳感器都是單天線的,中繼有一個放大器用來放大從傳感器接收到的信號,并且中繼端配有可充電電源,可以從基站發(fā)送的信號中獲取能量．

圖1　水聲中繼系統(tǒng)模型

(1)

i=1,2,…,k

(2)

(3)

由式(2)和(3)可以得到水下傳感器到基站通信速率表達式為

(4)

圖2　TDMA上行鏈路與下行鏈路的時間分配

其中

τ={τ0,τ1,…,τk}

(5)

(6)

(7)

2　方案設計

本節(jié)研究圖1中最大系統(tǒng)遍歷和容量上界最大化的方案設計,系統(tǒng)遍歷和容量上界定義為系統(tǒng)和速率的期望能夠達到的最大值,系統(tǒng)和速率為

(8)

由于水聲信道的多變性使得其難以估計,對水聲信道進行統(tǒng)計平均,即對g1i取均值.由詹森不等式,這里考慮Rsum(τ)關于g1i的凹凸性,很容易證明,Rsum(τ)關于g1i為凹函數(shù).根據詹森不等式,遍歷和容量滿足

(9)

由于各個水下傳感器配備的懸浮到水面的中繼的距離近似相等,在假設考慮大尺度衰落下不同中繼接收信噪比取相同值,即E(bi)/E(ai)為同一個值時，有

則海洋中繼通信系統(tǒng)遍歷和容量上界優(yōu)化問題可以描述為

為了解決上述問題,有以下引理．

給定任意K+1階向量y={y0,y1,…,yk},在τi≥0且E(ai),E(bi),E(ci)均大于0時有

E(ci)(2E(bi)+E(ai))τi]·

由以上2個引理推導出如下時隙分配方案.

2.1時隙分配方案

遍歷和容量上界最大化下的時間分配為

(10)

2.2理論證明

遍歷和容量上界的優(yōu)化問題的拉格朗日因子表達式為

(11)

式中,ν≥0表示拉格朗日因子,問題可重新描述為

(12)

式中,D表示τ的范圍.當τi>0,i=1,2,…,k,可以得到

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

其中,t(x)定義為

(18)

由式(16)和(17)可以推導出

(19)

由式(19)得

解得

(20)

證畢．

3　仿真與分析

本節(jié)通過仿真證明時隙分配方案能夠帶來容量的提高．

圖3　基于路徑損耗變化的不同方案對比圖

圖4　基于發(fā)射功率變化的不同方案對比圖

若固定γ=2,其他初始條件不變,改變發(fā)射功率,得到仿真比較如圖4所示．圖4同樣也證明了本文提出的分配策略比傳統(tǒng)方案顯著提高了系統(tǒng)可達遍歷和容量上界．

若固定γ=2,改變中繼到基站的距離比,即改變D2/D1的值,其他初始條件不變,得到仿真比較見圖5．圖5同樣證明了本文提出的分配策略能比傳統(tǒng)方案提高系統(tǒng)可達遍歷和容量上界．

圖5　基于距離比變化的不同方案對比圖

4　結語

本文推導了帶有無線充電的水聲通信系統(tǒng)下的時隙資源分配方案,該方案可以提高系統(tǒng)的可達遍歷和容量上界．理論分析和數(shù)值仿真表明,本文提出的分配策略比傳統(tǒng)方案顯著提高了系統(tǒng)可達遍歷和容量上界,從而使系統(tǒng)的可靠性增加．

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Resource allocation scheme for underwater acoustic communication system with wireless charging

Cao Huanhuan Song Kang Li Chunguo Fang Shiliang Yang Lüxi

(School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To improve the communication rate of the underwater acoustic communication systems and solve the power supply problems better, a resource allocation scheme for underwater acoustic relay amplification and forward communication system was proposed. The sonar relay of the system was equipped with wireless charging device, obtaining energy from the base station to amplify and forward the signal from the base station by time-division-multiple-access. A near optimal time slot resource allocation strategy was deduced for charging and the communications between each sensor under water by using the Lagrange optimization algorithm to maximize the boundary of channel ergodic sum-throughput. The simulation focused on different channels, transmit powers and communication distances, respectively. The results show that compared with conventional allocation strategies, the proposed allocation strategy can improve the boundary of the channel ergodic sum-throughput, thus improving the throughput and the efficiency of the system.

underwater acoustic communication; channel sum-throughput; Lagrange optimization; wireless charging

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.004

2015-12-07.作者簡介: 曹歡歡(1992—),女,碩士生;李春國(聯(lián)系人),男,博士,副教授,chunguoli@seu.edu.cn．

國家自然科學基金資助項目(61201172,61372101)、國防重點預研基金資助項目(8904004739)．

TB56

A

1001-0505(2016)05-0923-05

引用本文: 曹歡歡,宋康,李春國,等.無線充電的水聲通信系統(tǒng)資源分配方案[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(5):923-927. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.004.