[发明专利]一种基于多谐振频率的信道容量优化方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于多谐振频率的信道容量优化方法及装置，包括：计算磁感应通信系统中的互感矩阵；获取磁感应通信系统的第一等效电路模型和第二等效电路模型；根据基尔霍夫电压定律以及第一等效电路模型计算磁感应通信系统的通信信道；根据基尔霍夫电压定律以及第二等效电路模型计算磁感应通信系统的谐振频率；根据通信信道计算磁感应通信系统的接收信号向量以及谐振频率，并计算得到磁感应通信系统的信道容量；根据谐振频率对信道容量进行优化，得到最优信道容量。本实施例基于磁感应通信系统的等效电路模型计算通信信道和谐振频率，能够准确确定由于多线圈分频而产生的多共振频率，使得系统能够选择多个频率作为子载波信道，有效提高信道容量。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种基于多谐振频率的信道容量优化方法及装置。

背景技术

磁感应通信(MIC)是在射频信号无法穿透地下或水下环境等介质的具有挑战性或恶劣环境下，一种具有发展前景的新型无线通信模式。MIC系统中部署了几个耦合线圈，可以在相同的谐振频率下同时交换无线电源和信息。在这种情况下，MIC不仅提供了可预测、稳定的信号传播通道，而且传输延迟可以忽略不计。MIC由于其性价比高，被广泛应用于地下传感器网络、自主水下航行器、恶劣环境下的机器人以及一些军事武器。磁感应通信的主要挑战是有限的信道容量，主要受到接收功率的影响。具体来说，接收功率和信道容量是由线圈半径和传输距离决定的。在文献中首先对单载频单对收发线圈(SISO)的信道容量进行了分析。在此基础上，研究了单输入多输出(SIMO)、多输入单输入(MISO)和多输入多输出(MIMO)模型的信道容量。然而，MIMO信道容量的提高仍然是有限的。

现有的磁感应通信系统的信道容量优化方法主要有两类:一类是高质量的硬件和电路设计，另一类是开发优化方法。对于第一类，MIMO磁感应系统为原磁场或电流分布提供了更多的自由度，等效电路模型(ECM)是电路设计和性能分析的主要工具。在文献中，通过仿真和实际实验对双线圈和三线圈系统的性能进行了比较，证明了Tx和Rx线圈强耦合时存在分频现象。然后，Nguyen等人指出通过分裂频率的多通道通信可以用于数据传输。Dionigi等人设计了一种用于无线功率传输和近场通信的多波段谐振器。第二类是设计适当的信道容量优化方法，控制系统的电流或电压。这种方法不需要额外的电路。在文献中，为不同的MI继电器和收发器线圈分配不同的谐振频率，以计算系统的信道容量。

现有的多频率磁MIMO信道容量优化方法存在以下问题：

第一类方法需要额外的电路，例如控制电路和阻抗匹配网络，导致需要引入额外的功耗，而增加系统的复杂性。

第二类方法需要寄生电容和其他电路信息以获取共振频率，增加了计算复杂度。

发明内容

本发明提供了一种基于多谐振频率的信道容量优化方法及装置，以解决现有的空信道容量优化方法需要引入额外的功耗以及增加计算复杂度的问题。

本发明的第一实施例提供了一种基于多谐振频率的信道容量优化方法，包括：

计算磁感应通信系统中的发射端的阻抗矩阵和接收端的阻抗矩阵，根据所述发射端的阻抗矩阵和接收端的阻抗矩阵计算得到互感矩阵；

获取所述磁感应通信系统对应的等效电路模型，所述等效电路模型包括第一等效电路模型和第二等效电路模型；

根据基尔霍夫电压定律、所述互感矩阵以及所述第一等效电路模型计算所述磁感应通信系统的通信信道；

根据基尔霍夫电压定律以及所述第二等效电路模型构建所述磁感应通信系统的状态空间模型，并根据所述状态空间模型计算所述磁感应通信系统的谐振频率；

根据所述通信信道计算所述磁感应通信系统的接收信号向量，根据所述接收信号向量的协方差以及所述谐振频率，计算得到所述磁感应通信系统的信道容量；