專利名稱：基于mimo動(dòng)態(tài)信道的水聲網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是基于MIMO動(dòng)態(tài)信道的水聲網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率最大化的一種自適應(yīng)功率控制方法。
背景技術(shù)：
水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是結(jié)合了傳感器技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與水下通信技術(shù)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，通常由水下節(jié)點(diǎn)和海面工作站組成。
由水下傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)異的感知和檢測(cè)技術(shù)，獲取海洋信息數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至工作站，以達(dá)到分析水下環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的目的。顯然，水下傳感器節(jié)點(diǎn)間的高效通信成為了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。陸地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)都是以電磁波和光波作為載體，而在水下環(huán)境中二者的衰減很大，相比之下，聲波在水下環(huán)境的傳輸特性更適合水下網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離通信。
在通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和接收端采用多個(gè)換能器陣列的多輸入多輸出 (Multiple-1nputMultiple-Output)系統(tǒng),可以充分利用傳輸中的多徑分量,具有改善信道容量的巨大潛力，MIMO技術(shù)從無(wú)線通信領(lǐng)域過(guò)渡到水聲通信領(lǐng)域無(wú)疑為改善水聲信道的容量提供了一種新的技術(shù)途徑。
由于水下環(huán)境的特殊性，水下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與陸地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)存在很大不同，節(jié)點(diǎn)能量有限、網(wǎng)絡(luò)帶寬有限、信道延遲和多徑干擾等，一直是水下網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)需要攻克的關(guān)鍵難題
(I)能量有限。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)需要在水下布置高密度的傳感器節(jié)點(diǎn)，水下電池不能充電，節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能決定了其在水下的存活時(shí)間，所以，節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題顯得極其重要。
(2)帶寬有限。聲波在水下的傳播速度大致為1500m/s，且傳播速度與聲波頻率和水下環(huán)境相關(guān)，頻率越高，聲波在水中的衰減越大，所以適合用于水下通信的聲波頻率在幾十KHz范圍內(nèi)。
(3)高誤比特率。水下環(huán)境通信信道延遲、多徑干擾等因素使得信號(hào)傳輸有很高的錯(cuò)誤率。
為了在水聲網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，因此需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)功率分配及控制提出一種合理的解決方案?，F(xiàn)有的關(guān)于MMO信道的建模都是假設(shè)信道特性是時(shí)不變的，在實(shí)際的水聲移動(dòng)通信系統(tǒng)中，收發(fā)陣列可能處于運(yùn)動(dòng)之中，而且傳播環(huán)境也不是恒定的。在復(fù)雜的水下環(huán)境中，考慮到信道容量最大化和節(jié)能等因素，提出了一種基于MIMO動(dòng)態(tài)信道特性進(jìn)行功率調(diào)整的自適應(yīng)功率控制方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提高水下傳感器通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能，從數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)節(jié)能等方面出發(fā)，針對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)通信信道的特殊性，提出了一種兼顧網(wǎng)絡(luò)吞吐量及節(jié)點(diǎn)能耗， 適用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功率控制的合理方案。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于MIMO動(dòng)態(tài)信道的水聲網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)功率控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟第一步，假定不采用反饋信道，發(fā)射端不知道信道狀況，將發(fā)射功率均勻分配到各發(fā)射陣元，計(jì)算等發(fā)射功率的MMO信道容量，得到系統(tǒng)容量與信道功率增益之間的關(guān)系;
第二步，考慮反饋信道，發(fā)射端通過(guò)反饋獲取信道參數(shù)，在總發(fā)射功率受限情況下求得信道容量極值，根據(jù)不同信道的功率增益，進(jìn)行功率初分配，獲取信道最大增益；
第三步，利用各子信道增益在總的傳輸信道增益占的比例，進(jìn)行功率分配，獲得信道容量極值和系統(tǒng)算法復(fù)雜度之間的折中；
第四步，考慮水下環(huán)境中MMO網(wǎng)絡(luò)收發(fā)陣列的運(yùn)動(dòng)性，收發(fā)陣列的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得信號(hào)到達(dá)角擴(kuò)展，在功率分配公式中增加空域相關(guān)性參數(shù)，優(yōu)化信道傳輸矩陣，計(jì)算出每個(gè)陣列的發(fā)射功率，進(jìn)行功率再分配。
本發(fā)明的有益效果在于，與傳統(tǒng)的功率控制方法相比，該方案能更好地適應(yīng)水下的復(fù)雜環(huán)境，提高水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。根據(jù)信道狀況對(duì)發(fā)送功率進(jìn)行初次分配，通常是信道狀況好的信道，分配功率多，狀況差，分配功率少，進(jìn)而基于信道動(dòng)態(tài)特性再次分配功率，從而達(dá)到功率分配最優(yōu)化。通過(guò)該方法，使得傳感器節(jié)點(diǎn)功率控制與信道的動(dòng)態(tài)特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)功率控制，從而能夠更好地解決未來(lái)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率控制問(wèn)題。


圖1是信道自適應(yīng)功率分配示意圖。
圖2是MMO多元陣列接收動(dòng)態(tài)模型圖。
圖3是基于信道動(dòng)態(tài)特性自適應(yīng)功率控制方法流程圖。
具體實(shí)施方式

在對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說(shuō)明之前，先闡述一下MMO信道容量的基本理論
對(duì)一個(gè)MIMO系統(tǒng)，假設(shè)發(fā)射端有S根天線，接收端有V根天線，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)N條獨(dú)立路徑到達(dá)接收機(jī)，考慮由發(fā)射端到接收端的傳輸情況，信道可表示為
H (V, r) = ^T )公式(I)W=I
可以看出H(t，τ )是由N條路徑的沖擊響應(yīng)Hv,s,n(t)迭加而成的，Hv, s,n(t)表示由第s個(gè)發(fā)射陣元發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)第η條傳輸射線到達(dá)第V個(gè)接收陣元的信道響應(yīng)情況。
設(shè)連續(xù)信道的加性高斯白噪聲功率為N(W)，信號(hào)功率為S(W)，信道的帶寬為 W(Hz),則根據(jù)香農(nóng)公式該信道的信道容量為
Q=rlog2〔l +吾)公式⑵
在該頻段內(nèi)，歸一化信道容量，SP =log2il + ^l (6聲/倫訟式(3)V
附圖3是基于MIMO動(dòng)態(tài)信道特性功率控制方法的具體實(shí)現(xiàn)流程。
對(duì)于多輸入多輸出系統(tǒng)，在不使用信道狀態(tài)信息反饋信道的情況下，一般假設(shè)發(fā)射端不知道信道傳輸情況，因此將發(fā)射功率均勻的分配到各發(fā)射陣元，這種情況下MIMO系統(tǒng)的信道容量為
權(quán)利要求
1.一種基于MIMO動(dòng)態(tài)信道的水聲網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)功率控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟第一步，將發(fā)射功率均勻分配到各發(fā)射陣元，計(jì)算等發(fā)射功率的MMO信道容量，得到系統(tǒng)容量與信道功率增益之間的關(guān)系；第二步，考慮反饋信道，發(fā)射端通過(guò)反饋獲取信道參數(shù)，在總發(fā)射功率受限情況下求得信道容量極值，根據(jù)不同信道的功率增益，進(jìn)行功率初分配，獲取信道最大增益；第三步，利用各子信道增益在總的傳輸信道增益占的比例，進(jìn)行功率分配，獲得信道容量極值和系統(tǒng)算法復(fù)雜度之間的折中。第四步，考慮水下環(huán)境中MIMO網(wǎng)絡(luò)收發(fā)陣列的運(yùn)動(dòng)性，收發(fā)陣列的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得信號(hào)到達(dá)角擴(kuò)展，在功率分配公式中增加空域相關(guān)性參數(shù)，優(yōu)化信道傳輸矩陣，計(jì)算出每個(gè)陣列的發(fā)射功率，進(jìn)行功率再分配。
全文摘要
本發(fā)明涉及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，提出一種基于MIMO動(dòng)態(tài)信道的水聲網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)功率控制方法將發(fā)射功率均勻分配到各發(fā)射陣元，計(jì)算等發(fā)射功率信道容量，得到系統(tǒng)容量與信道功率增益之間的關(guān)系；發(fā)射端通過(guò)反饋獲取信道參數(shù)，在總發(fā)射功率受限情況下求得信道容量極值，根據(jù)不同信道的功率增益，進(jìn)行功率初分配，獲取信道最大增益；利用各子信道增益在總的傳輸信道增益占的比例，進(jìn)行功率分配，獲得信道容量極值和系統(tǒng)算法復(fù)雜度之間的折中；考慮水下環(huán)境網(wǎng)絡(luò)收發(fā)陣列的運(yùn)動(dòng)性，優(yōu)化信道傳輸矩陣，進(jìn)行功率再分配。本發(fā)明考慮水下環(huán)境的特殊性，兼顧網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率及節(jié)點(diǎn)能耗，是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功率分配及控制的可行性解決方案。
文檔編號(hào)H04W52/42GK103002560SQ20121057486
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者金志剛, 田志輝 申請(qǐng)人:天津大學(xué)