[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

说明书

本发明公开了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，采用中继信任因子比重加权的协作感知方法和基于DF转发协议的水声多中继选择和功率优化方法，针对水声通信中频谱资源短缺、信道衰落及时延严重的情况，构建中继信任因子评价中继性能，中继通过比重加权的方式参与协作感知，有效地提高了感知准确性。同时，在多中继协作网络中，将网络干扰限制及剩余能量纳入效用函数，从功率优化和剩余能量消耗角度考虑，基于遗传算法进行中继选择和功率优化，使网络能耗更加均衡。

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，尤其是一种基于译码转发(DF)的认知水声多中继协作联合优化的设计方法。

背景技术

近年来，由于军事应用和海洋资源开发的力度不断加大，水声通信技术的研究越来越引起人们的关注。与陆地上的无线电通信环境不同，水声信道呈现严重的频率选择性衰落特性，使得可用于水声通信的频谱资源十分有限，因此认知水声通信技术应运而生。在不干扰主用户的前提下，认知节点可以利用授权频谱进行通信，极大地提高了频谱利用效率。海洋环境中高背景噪声、来自海面、海底的反射及海洋中声线折射影响的多径传输、传播时延长等诸多不利因素，使单个中继节点感知主用户频谱效率低，造成通信质量严重下降。目前已有的水声中继选择方式仅考虑单个最优中继参与的协作传输，系统增益较低。与此同时，水下节点均采用电池供电方式，节点维修及更换费用高昂；在中继选择方面，若仅仅选择信道状态好的中继参与协作的方式，易造成局部海域少数监测节点提前死亡，难以长期持续协作完成网络全局信息监测的功能。因此设计一种最小化节点发射功率兼顾剩余能量、最大限度地延长网络生存时间的多中继联合优化方法显得尤为必要。

发明内容

本发明目的在于提供一种提高网络感知效率、优化功率消耗、延长网络生存时间的多中继协作的认知水声系统中继选择和功率优化方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明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(C A BaseStation)，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；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。其中，E(||X_i||²)为第i个监测节点至中继节点的检测统计量，E(||X_i,j||²)为参与协作的第j个中继节点至目的节点的检测统计量。

所述方法的具体步骤如下：

步骤1，基于遗传算法初始化染色体，构建候选多中继集合C；

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；h_i,p为第i个中继节点和主用户之间的信道状态信息，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；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；E_i为第i个中继节点的剩余能量；