[发明专利]基于MIMO动态信道的水声网络自适应功率控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下传感器网络通信技术领域，具体来说是基于MIMO动态信道的水声网络实现数据传输速率最大化的一种自适应功率控制方法。背景技术

水下传感器网络是结合了传感器技术、无线网络技术与水下通信技术的无线通信网络，通常由水下节点和海面工作站组成。

由水下传感器节点优异的感知和检测技术，获取海洋信息数据，通过无线通信网络将数据传送至工作站，以达到分析水下环境动态变化的目的。显然，水下传感器节点间的高效通信成为了整个网络系统设计的关键。陆地无线通信网络都是以电磁波和光波作为载体，而在水下环境中二者的衰减很大，相比之下，声波在水下环境的传输特性更适合水下网络的远距离通信。

在通信网络发射和接收端采用多个换能器阵列的多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output)系统，可以充分利用传输中的多径分量，具有改善信道容量的巨大潜力，MIMO技术从无线通信领域过渡到水声通信领域无疑为改善水声信道的容量提供了一种新的技术途径。

由于水下环境的特殊性，水下无线网络与陆地无线通信网络存在很大不同，节点能量有限、网络带宽有限、信道延迟和多径干扰等，一直是水下网络通信技术需要攻克的关键难题：

(1)能量有限。水下传感器网络需要在水下布置高密度的传感器节点，水下电池不能充电，节点的储能决定了其在水下的存活时间，所以，节点能耗问题显得极其重要。

(2)带宽有限。声波在水下的传播速度大致为1500m/s，且传播速度与声波频率和水下环境相关，频率越高，声波在水中的衰减越大，所以适合用于水下通信的声波频率在几十KHz范围内。

(3)高误比特率。水下环境通信信道延迟、多径干扰等因素使得信号传输有很高的错误率。

为了在水声网络中实现高速率数据传输，提高网络吞吐量，因此需要对网络中的节点功率分配及控制提出一种合理的解决方案。现有的关于MIMO信道的建模都是假设信道特性是时不变的，在实际的水声移动通信系统中，收发阵列可能处于运动之中，而且传播环境也不是恒定的。在复杂的水下环境中，考虑到信道容量最大化和节能等因素，提出了一种基于MIMO动态信道特性进行功率调整的自适应功率控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提高水下传感器通信网的网络性能，从数据传输速率、网络节能等方面出发，针对水声网络通信信道的特殊性，提出了一种兼顾网络吞吐量及节点能耗，适用于水下传感器网络节点功率控制的合理方案。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于MIMO动态信道的水声网络自适应功率控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：第一步，假定不采用反馈信道，发射端不知道信道状况，将发射功率均匀分配到各发射阵元，计算等发射功率的MIMO信道容量，得到系统容量与信道功率增益之间的关系；

第二步，考虑反馈信道，发射端通过反馈获取信道参数，在总发射功率受限情况下求得信道容量极值，根据不同信道的功率增益，进行功率初分配，获取信道最大增益；

第三步，利用各子信道增益在总的传输信道增益占的比例，进行功率分配，获得信道容量极值和系统算法复杂度之间的折中；

第四步，考虑水下环境中MIMO网络收发阵列的运动性，收发阵列的相对运动使得信号到达角扩展，在功率分配公式中增加空域相关性参数，优化信道传输矩阵，计算出每个阵列的发射功率，进行功率再分配。

本发明的有益效果在于，与传统的功率控制方法相比，该方案能更好地适应水下的复杂环境，提高水下传感器网络的性能。根据信道状况对发送功率进行初次分配，通常是信道状况好的信道，分配功率多，状况差，分配功率少，进而基于信道动态特性再次分配功率，从而达到功率分配最优化。通过该方法，使得传感器节点功率控制与信道的动态特性相结合，实现网络节点自适应功率控制，从而能够更好地解决未来水下传感器网络系统的功率控制问题。

附图说明

图1是信道自适应功率分配示意图。

图2是MIMO多元阵列接收动态模型图。

图3是基于信道动态特性自适应功率控制方法流程图。

具体实施方式

在对本发明的具体实施方式进行说明之前，先阐述一下MIMO信道容量的基本理论：

对一个MIMO系统，假设发射端有S根天线，接收端有V根天线，发射信号经过N条独立路径到达接收机，考虑由发射端到接收端的传输情况，信道可表示为：