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与流程

本发明涉及水声通信技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

本发明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、能量收集模块和电源模块，

所述的水声换能器，与功率分离器相连，从水声信道获取声波信号，将水下基站发送的声波信号转化为电波信号之后输入到功率分离器；

所述的功率分离器，分别与水声换能器、功率分离因子调整模块、能量收集模块、数据传输处理模块相连，将水声换能器输出的信号分流为两路信号，一路信号输入到数据传输处理模块中进行信息数据的接收与处理，另一路信号输入到能量收集模块中进行能量收集；

所述的功率分离因子调整模块，分别与节点主控模块、功率分离器相连，接收节点主控模块发来的最优功率分离因子ρ^*，并根据ρ^*调整分流到数据传输处理模块和能量收集模块的两路信号的功率占比；

所述的节点主控模块，分别与数据传输处理模块、功率分离因子调整模块相连，通过信道估计方法获得信道矢量，利用数据传输处理模块进行数据的接收与处理；同时，节点主控模块获取功率分离因子ρ的最优值ρ^*，并将ρ^*发送给功率分离因子调整模块来修改功率分离因子；

所述的数据传输处理模块，分别与功率分离器、主控模块相连，对数据信号进行接收、处理；

所述的能量收集模块，分别与功率分离器、电源模块相连，进行能量的收集，并给电源模块充电；

所述的电源模块，分别与能量收集模块、节点主控模块、数据传输处理模块相连，给数据传输处理模块和节点主控模块供电。

水声通信系统资源分配装置的主要工作流程如下：

水下基站向所有终端节点广播训练信号，终端节点利用水声换能器、数据传输处理模块和主控模块，根据接收到的训练信号进行信道估计，获取信道矢量。

水下基站的多路数据采集模块实时采集水声换能器阵列的接收信号并发送给基站主控模块进行监测，基站主控模块获取波束成形矩阵w的最优值w^*并发送给权值矩阵调整模块，波束成形模块根据权值矩阵调整模块发来的指令调整权值矩阵、生成发送信号s并发送给水声换能器阵列，水声换能器阵列向各终端节点广播发送信号s。

终端节点接收端利用水声换能器将水声信道的声波信号转换为电波信号，然后发送给功率分离器；功率分离器将电波信号分离为两路信号流，其中一路信号送到数据传输处理模块，进行信号的接收与处理，另一路信号则通过能量收集模块进行能量收集，给终端节点的电源模块充电，从而实现终端节点的能源补充；节点主控模块将获取的最优功率分离因子ρ^*发给功率分离因子调整模块，功率分离因子调整模块根据ρ^*调整功率分离因子并发给功率分离器，控制功率分离器输出给数据传输处理模块和能量收集模块的两路信号流的功率占比。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本发明提出了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，水声节点的电池可利用水下无线能量传输与收集技术进行反复充电，为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提供了便捷、高效、可控的解决方案，可大大延长水声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。

2)、本发明提出了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，该方法以各终端节点收集能量之和为优化目标，以基站发射信号的波束成形矩阵与终端节点功率分离器的功率分离因子为联合优化对象，可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。

3)、本发明中的水声通信系统资源分配装置可以通过调整功率分离器的功率分离因子调整传输模式，将其设置成只进行能量传输，特别适用于大规模的水声通信网络。在大规模的水声通信网络中，通常只有小部分水声节点参与信息数据的传输、通信，其余大部分的水声节点处于空闲状态因而可以利用能量传输模式进行能量收集。

4)、本发明中的水声通信系统资源分配方法与装置可以调节基站水声换能器阵列的权值矩阵，从而可根据网络工作状态或需求集中对准某个水声通信节点进行能量传输，灵活性强。

附图说明

图1是本发明水声通信系统示意图；

图2是本发明水声通信系统波束成形示意图；

图3是本发明中水声通信系统资源分配方法的具体实现步骤流程图；

图4是本发明获取基站波束成形矩阵与终端节点功率分离因子最优解的步骤流程图；

图5是本发明系统水下基站发送端装置示意图；

图6是本发明系统终端节点接收端装置示意图。

具体实施方式

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。

实施例

本发明实施例中的水声通信系统示意图与基站波束成形示意图分别如图1、2所示。

水下基站发送端装置示意图如图5所示，由水声换能器阵列、多路数据采集模块、基站主控模块、权值矩阵调整模块、波束成形模块共同构成。水下骨干网基站利用其水声换能器阵列广播信号，多路数据采集模块实时采集水声换能器阵列的接收信号并发送给基站主控模块进行监测，基站主控模块获取波束成形矩阵w的最优值w^*并发送给权值矩阵调整模块，权值矩阵调整模块通过波束成形模块实时调整水声换能器阵列中各换能器的权值，整个发送端装置在主控模块的控制下完成。

终端节点接收端装置示意图如图6所示，由水声换能器、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、能量收集模块和电源模块共同构成。终端节点的水声换能器将接收自水下基站的信号转化为电信号后，利用功率分离器分离为两路信号流，其中一路信号送入数据传输处理模块进行信号的检测与传输处理，功率分离器的功率分离因子通过功率分离因子调整模块实时调整，另一路信号送入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，整个接收端装置在节点主控模块的控制下完成。

在本实施例中，考虑3个终端节点且每个终端节点均具有单个水声换能器的情形，基站的水声换能器阵列由4个水声换能器组成。

本实施例公开的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的流程步骤如图3所示，具体步骤如下：

t1、水下基站生成3维信息信号矢量x＝[x1,x2,x3]^t，对应3个终端节点。

t2、水下基站向所有终端节点广播训练信号。

t3、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。获取基站与第k个终端节点之间的信道矢量为hk＝[hk,1,hk,2,hk,3,hk,4]^t，其中hk,m是基站的第m个换能器与第k个终端节点之间的信道状态信息，m＝1,2,3,4，k＝1,2,3。

t4、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^*，其流程如图4所示，具体有以下步骤：

t4.1、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单元收集到的能量，是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,ρ3]^t是具体实施例中的功率分离因子矢量，w＝[w1,w2,w3]是基站水声换能器阵列的波束成形矩阵,其中wk＝[wk1,wk2,wk3,wk4]^t代表基站4个水声换能器组成的阵列发送给第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对于任给的m＝1,2,3,4均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(·)表示对矩阵的迹。

信噪比γk可由式计算得出，其中|·|表示求模运算。

t4.2、初始化基站水声换能器阵列的波束成形矩阵w，得到初始化的基站水声换能器阵列的波束成形矩阵

其中，

t4.3、初始化各终端节点的功率分离器的功率分离因子，得到初始化的功率分离因子矢量

t4.4、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))，终端节点在第l次迭代所收集的能量之和记作e^(l)。

t4.5、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)*)。

t4.6、初始化收敛容忍度的常数ε＝0.01，判断是否成立。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t5；

否则令l＝l+1，(ρ^(l),w^(l))＝(ρ^(l)*,w^(l)*)，并返回步骤t4.5；

t5、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s发送给所有3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。

t6、重复步骤t1至步骤t5，直至所有的信息数据发送完毕。

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。