[发明专利]一种多中继协作的认知水声系统中继选择和功率优化方法

权利要求书

1.一种多中继协作的认知水声系统中继选择和功率优化方法，其特征在于，所述方法中至少包含一个授权主用户基站(Primary Base Station)，一个与卫星通信的水面认知基站(CA Base Station)，K个水下认知监测节点(CA User)，K＝1,2,3...；每个节点负责固定海域范围内海洋环境数据收集监测，既可以作为发射节点传输数据，也可以作为中继节点参与协作通信；在传输过程中，中继节点采用半双工通信方式，协作方式采用译码转发(DF)；在第一个时隙内，第i个监测节点发送数据信号X_i至中继节点，并通过构建信任因子ξ_i；在第二个时隙内，中继成功接收后对信号进行解码，然后向水面通信基站转发经过重新编码后的信号X_i,j，满足E(||X_i||²)＝E(||X_i,j||²)＝1；

所述方法的具体步骤如下：

步骤1，在通信可达范围内，水面CA Base Station采用能量检测法对本地频谱时域信号u_i进行感知；并在第一时隙内，参与协作的中继节点将接收信息传送至水面CA BaseStation，以统计可用中继的信道状态及剩余能量；δ为海洋背景噪声，z为观测向量大小，ω_i为第i个中继的加权值，表示该中继在整体检测结果中所占比重；构建信任因子ξ_i＝a·ψ_ip+b·exp(-||d_i||)，则权重因子为其中，a+b＝1,a0,b0，d_i和ψ_ip分别为第i个中继与授权主用户的距离及接收到授权用户的信噪比；设置γ为门限值，若H₀:yγ，则授权主用户不存在；若H₁:yγ，则授权主用户存在；多个中继节点协作检测，当Z较大时，由中心极限定理，水面基站处的检测统计量为y:由此得到该检测算法的虚警概率：

并基于遗传算法初始化染色体，构建可行解集合即多中继集合C：初始化多中继组合的染色体，构建种群；根据香农定理，计算初始化种群中每个多中继组合的吞吐量，然后水面通信基站筛除掉通信速率低于最低通信要求的中继节点组合，产生新的多中继集合C₁；其中，P_f为协作中继的虚警概率；SNR_D是发射节点经多中继协作传输到CA Base Station的信噪比；

步骤2，水面CA Base Station遍历候选多中继集合C₁，计算每个染色体多中继组合的干扰值，剔除掉超出干扰上限的种群再次产生新的中继集合C₂；I_th为认知节点对授权主用户的干扰上限；P_i是监测节点i的发射功率；P_i|h_i,p|²是第i个中继节点在传输数据过程中对主用户造成的干扰；E_i为第i个中继节点的剩余能量；

步骤3，基于遗传算法优化多中继选择策略，通过交叉、遗传、变异对候选多中继组合种群C₂进行n次迭代直至函数收敛，最终获得最优的染色体即最优的多中继组合策略；水面认知基站将此最优中继选择C_i和功率分配P_i信息进行广播，参与协作通信的各中继节点i,i∈C_L，计算各自的适应度为其中，L为参与数据传输的中继节点的个数，η_i为第i个中继节点对此策略的满意度；

步骤4，通过步骤1、2、3后，中继节点收到水面通信基站广播信息，根据反馈信息调节参与协作的发射功率，采用最优多中继组合进行协作通信，水面通信基站接收到发送信号，监测节点完成一次信息传输；

步骤5，在整个监测网络中，每个监测节点均可发送周围海洋环境信息至水面CA BaseStation，也可作为中继参与协作通信；其它监测节点选择中继的过程重复步骤1、2、3、4，直至网络中存在死亡节点，整个网络失去监测功能。