曹欢欢　 宋　康　 李春国　 方世良　 杨绿溪

(东南大学信息科学与工程学院, 南京 210096)



无线充电的水声通信系统资源分配方案

曹欢欢 宋康 李春国 方世良 杨绿溪

(东南大学信息科学与工程学院, 南京 210096)

为了提高水声通信系统的通信速率,同时更好地解决能量供应问题,提出了一种水声中继放大转发通信系统资源分配方案．该系统的声呐中继配备无线充电设备,利用从基站获取到的能量时分复用地放大转发来自基站的信号．采用拉格朗日优化算法,从信道遍历和容量上界最大的角度出发,推导出一种充电时隙资源以及水下各个传感器通信时隙资源的最次优分配方案．对不同信道、不同发射功率以及不同通信距离的水声通信系统进行仿真对比,结果表明,所提出的分配策略比传统策略显著提高了系统可达遍历和容量上界,从而提高了系统吞吐量以及系统的工作效率．

水声通信; 信道和容量; 拉格朗日优化; 无线充电

水声通信技术是当前研究的热点问题之一．在水声通信系统中,信号在传输过程中受到窄带、高噪声、长时延传输等因素影响[1],发送节点发射的信号到达目的节点时,信号会大幅度衰减和畸变，从而使得信息传输的可靠性下降．为了解决上述问题,中继放大传输技术应运而生[2],中继放大传输作为一种很有应用前景的中继策略,能够降低传输损耗带来的不利影响,简单、易于配置和扩展[3-5]．

在传统的水声传感器网络中,传感器节点通常采用电池供电．有限的能量会制约网络的工作寿命,并且带来很高的运营成本;另一方面,电池存储能量的多少决定了整个节点的寿命．因此,能量获取成为水声通信网络中需要优先考虑的一个问题,也是系统设计中最大的难点．相比传统的能源供电方式，该技术可以减少频繁手动更换电池的麻烦,并有更高的吞吐量、更长的元件寿命以及更低的网络运营成本．此外,无线充电还可以根据不同的环境和服务需求控制其发射功率、波形、占用时间和频率尺寸等．这些明显的优势使得无线供电成为一个有发展前景的新模式[6-10]．

文献[11]研究了水声系统中继选择的简化方案,可节约水下节点功耗．文献[12]研究了水声通信从水介质中获取能量的新方法;文献[13]针对能量有限的水下传感器节点,设计了一种高效节能方案;文献[6]介绍了无线充电技术以及技术难点;文献[5]提出了带有无线充电通信系统的一种实时隙资源分配方案,可提高系统的和速率,但该方案没有引入中继转发方法,也没有运用到水声通信中．

本文考虑了一种具有能量收集能力的无线供电的水声通信系统，引入一种新的无线充电技术作为水声通信系统的中继能源供应方式．并基于系统可达遍历和容量上界最大,提出了一种时隙分配方案．与其他方案相比,该方案显著提高了系统的可达遍历和容量上界．

1　系统模型

考虑如图1所示的水声中继系统,该系统由一个船载基站、K个水下传感器以及每个传感器对应的水面声呐中继组成．假设系统的基站、中继和传感器都是单天线的,中继有一个放大器用来放大从传感器接收到的信号,并且中继端配有可充电电源,可以从基站发送的信号中获取能量．

图1　水声中继系统模型

(1)

i=1,2,…,k

(2)

(3)

由式(2)和(3)可以得到水下传感器到基站通信速率表达式为

(4)

图2　TDMA上行链路与下行链路的时间分配

其中

τ={τ0,τ1,…,τk}

(5)

(6)

(7)

2　方案设计

本节研究图1中最大系统遍历和容量上界最大化的方案设计,系统遍历和容量上界定义为系统和速率的期望能够达到的最大值,系统和速率为

(8)

由于水声信道的多变性使得其难以估计,对水声信道进行统计平均,即对g1i取均值.由詹森不等式,这里考虑Rsum(τ)关于g1i的凹凸性,很容易证明,Rsum(τ)关于g1i为凹函数.根据詹森不等式,遍历和容量满足

(9)

由于各个水下传感器配备的悬浮到水面的中继的距离近似相等,在假设考虑大尺度衰落下不同中继接收信噪比取相同值,即E(bi)/E(ai)为同一个值时，有

则海洋中继通信系统遍历和容量上界优化问题可以描述为

为了解决上述问题,有以下引理．

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

E(ci)(2E(bi)+E(ai))τi]·

由以上2个引理推导出如下时隙分配方案.

2.1时隙分配方案

遍历和容量上界最大化下的时间分配为

(10)

2.2理论证明

遍历和容量上界的优化问题的拉格朗日因子表达式为

(11)

式中,ν≥0表示拉格朗日因子,问题可重新描述为

(12)

式中,D表示τ的范围.当τi>0,i=1,2,…,k,可以得到

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

其中,t(x)定义为

(18)

由式(16)和(17)可以推导出

(19)

由式(19)得

解得

(20)

证毕．

3　仿真与分析

本节通过仿真证明时隙分配方案能够带来容量的提高．

图3　基于路径损耗变化的不同方案对比图

图4　基于发射功率变化的不同方案对比图

若固定γ=2,其他初始条件不变,改变发射功率,得到仿真比较如图4所示．图4同样也证明了本文提出的分配策略比传统方案显著提高了系统可达遍历和容量上界．

若固定γ=2,改变中继到基站的距离比,即改变D2/D1的值,其他初始条件不变,得到仿真比较见图5．图5同样证明了本文提出的分配策略能比传统方案提高系统可达遍历和容量上界．

图5　基于距离比变化的不同方案对比图

4　结语

本文推导了带有无线充电的水声通信系统下的时隙资源分配方案,该方案可以提高系统的可达遍历和容量上界．理论分析和数值仿真表明,本文提出的分配策略比传统方案显著提高了系统可达遍历和容量上界,从而使系统的可靠性增加．

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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.作者简介: 曹欢欢(1992—),女,硕士生;李春国(联系人),男,博士,副教授,chunguoli@seu.edu.cn．

国家自然科学基金资助项目(61201172,61372101)、国防重点预研基金资助项目(8904004739)．

TB56

A

1001-0505(2016)05-0923-05

引用本文: 曹欢欢,宋康,李春国,等.无线充电的水声通信系统资源分配方案[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(5):923-927. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.004.