[发明专利]一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法

摘要

一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法，涉及水下通信。利用移动的深潜器或通信节点作为中继节点，增加水下固定源节点与水面目的节点之间的有效通信距离，提高水声协作通信的可靠性，且通过移动中继节点在水中的位置，可控制各水下固定源节点的信号发射功率，使各水下源节点的能量消耗较为均衡。此外，提出的水声协作探测网络节点功率分配优化方法，在使系统功率得到优化的同时，可使系统整体的中断概率最小化。水下可移动中继节点和水面目的节点的能量供给较为充分，暂不考虑对其进行功率控制。

主权项

1.一种实用水声协作探测网络节点功率分配优化方法，其特征在于包括以下步骤：1)在海底分布有N个水下固定源节点，并等分为L个区域，每个区域均存在K＝N/L个水下固定源节点，并在水中投放一台深潜器或可移动的通信节点作为中继节点，协助海上船只或基站水面目的节点与海底水声网络源节点之间进行通信，构成水声协作探测网络；在所述水声协作探测网络中，中继节点的有效通信范围内存在的水下源节点始终不超过三个，且各节点均以半双工的方式工作；2)当水中可移动的中继节点移动至水下源节点所分布海域内的某一区域时，开始尝试与区域内的水下源节点进行训练序列传输；在测试阶段，区域内的各水下源节点将剩余能量信息发送给中继节点；3)若区域内各水下源节点无法与中继节点进行正常通信，则使中继节点移动至海域的其他区域，重复步骤2)，直至达到目标尝试次数或者区域内各水下源节点能与中继节点保持正常通信为止；4)若到步骤3)为止，各水下源节点仍然无法与中继节点进行正常通信，则定义本次通信失败；5)若到步骤3)为止，各水下源节点可与中继节点实现正常通信，则由中继节点计算出各水下源节点与中继节点之间的距离，以及中继节点与目的节点之间的距离，并对中继节点的位置进行定位；对于中继节点的定位，假定中继节点到该区域内三个有效通信范围内的水下源节点的距离分别为l₁，l₂，l₃，且l₁＞l₂＞l₃，令l₁和l₃两段距离对应直线与l₂所对应直线的夹角分别为α和β，定义α和β为定位角；针对l₁，l₂，l₃中任意两项相等或三项相等的特殊情况，该概念依然适用，定位角的作用主要是对中继节点在水中的位置进行描述，为中继节点有针对地根据各水下源节点的能量剩余情况进行位置移动提供参考；6)中继节点将定位角、各水下源节点剩余能量以及各节点间距离状态信息传输至水面目的节点处；由于中继节点能量不受限，假定中继节点与水面目的节点实现无误传输；7)水面目的节点根据各水下源节点至中继节点的距离、各水下源节点剩余能量计算出各水下源节点的信号发射功率分配因子，并通过中继节点将功率分配因子信息发送至各水下源节点；所述水声协作探测网络的节点功率分配优化方法，以最小化系统整体中断概率为目标函数、以各水下源节点能量消耗为限制条件，表达为：其中，表示水下源节点S_i发射所消耗的功率，i＝1,2,3，其取值与水下源节点S_i与中继节点R的距离有关，T表示水声数据传输所消耗的时间，表示水下源节点S_i的剩余能量，表示求出的水下源节点S_i的功率分配因子，P_out为系统中断概率；α₁、α₂和α₃表示水下源节点S_i的功率分配因子；所述水下源节点的信号发射功率计算方法的具体步骤如下：(1)水面目的节点利用系统初始化通信时搜集的所在海域的水下环境噪声、工作频率系统参数的平均值，通过对水声通信系统的支路进行计算机仿真，根据仿真统计结果，得到水声通信距离与所需信号发射功率的函数称之为水声通信声功率级函数，其中为通信距离，单位为km，Y为水下源节点所需最小声功率级，单位为dB；(2)水声通信声功率级函数求得的各水下源节点所需的最小声功率级i＝1,2,3，单位为dB，因此与各水下源节点S_i发射所消耗的功率单位为W，存在下列关系：其中，I_i为各水下源节点单位距离的声强，I_e为参考声强，A为各水下源节点信号传播至单位距离时的声传播面积；因此，式(5)化为：(3)利用所得到的水声通信声功率级函数，并根据收到的各节点间的距离信息，水面目的节点计算出各支路发射端所需的信号发射功率，再判断计算所得结果是否满足系统功率限制条件；(4)若各水下源节点的剩余能量能够使计算所得的发射功率完成通信，即i＝1,2,3，则水面目的节点将各水下源节点的功率分配信息通过中继节点进行广播；否则，令中继节点移动位置，并与区域内各水下源节点重新进行训练序列的传输，重复步骤3)，直至达到目标尝试次数或步骤3)计算所得结果满足系统功率限制条件为止；8)各水下源节点根据接收到的功率分配信息，采用相应功率进行正式通信，直到通信完成为止。