[发明专利]具有能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置

权利要求书

1.一种具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法，该水声通信系统包括一个水下基站和K个终端节点，水下基站的水声换能器阵列由M个水声换能器组成，每个终端节点均具有单个水声换能器，其特征在于，所述的资源分配方法包括以下步骤：

S1、水下基站生成K维发送信息信号矢量X＝[x₁,x₂,…,x_K]^T，其中[·]^T代表对矩阵或矢量求转置操作，x_k是基站发给第k个终端节点的信息比特，其中k＝1,2,…,K；

S2、水下基站向所有终端节点广播训练信号；

S3、终端节点根据接收到的训练信号对水下基站与终端节点之间的信道进行估计，获取信道矢量，水下基站与第k个终端节点之间的信道矢量为h_k＝[h_k,1,h_k,2,…,h_k,M]^T，其中h_k,m是水下基站的第m个换能器与第k个终端节点之间的信道状态信息，m＝1,2,…,M；

S4、水下基站获取水声换能器阵列波束成形矩阵W的最优值W^*，终端节点获取功率分离因子矢量ρ的最优值ρ^*，所述的步骤S4过程如下：

S4.1，定义优化问题：

subject to C1:

C2:0≤ρ_k≤1,

C3:Γ_k≥Γ_th

其中，Γ_k是第k个终端节点接收信号的信噪比，Γ_th是水声通信系统所设定的满足通信质量要求的信噪比门限值，E_k是第k个终端节点的能量收集模块收集到的能量，是K个终端节点所收集到的能量之和，ρ_k是第k个终端节点的功率分离器的功率分离因子，ρ＝[ρ₁,ρ₂,…,ρ_K]^T是功率分离因子矢量，W＝[w₁,w₂,…,w_K]是水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵,其中w_k＝[w_k1,w_k2,…,w_kM]^T代表水下基站发送给第k个终端节点的信号的波束成形矢量，波束成形矢量中的元素w_km满足归一化的功率约束

S4.2、初始化水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵W，得到初始化的水下基站水声换能器阵列的波束成形矩阵其中

S4.3、初始化各个终端节点的功率分离器的功率分离因子ρ_k，得到初始化的功率分离因子矢量

S4.4、设置迭代变量l，l的初始值为0，第l次迭代的可行点表示为(ρ^(l),W^(l))，各终端节点在第l次迭代所收集的能量之和记作E^(l)；

S4.5、利用所述的可行点(ρ^(l),W^(l))，使用凸优化工具包CVX求解步骤S4.1中的优化问题，获得(ρ,W)在第l次迭代的最优解，记为(ρ^(l)*,W^(l)*)；

S4.6、判断是否成立，其中ε是表示收敛容忍度的常数，若成立，迭代停止，输出优化问题的最优解(ρ^*,W^*)＝(ρ^(l)*,W^(l)*)，执行步骤S5；

否则令l＝l+1，(ρ^(l),W^(l))＝(ρ^(l)*,W^(l)*)，并返回步骤S4.5；

S5、水下基站利用水声换能器阵列波束成形矩阵W的最优值W^*，对水下基站的发送信息信号矢量X进行波束成形，得到发送信号并将发送信号S发送给所有K个终端节点，各终端节点利用功率分离器的最优功率分离因子进行信号接收与能量收集，其中是W^*的第k列元素所构成的矢量，也是w_k的最优值，是ρ^*的第k个元素；

S6、重复步骤S1至步骤S5，直至所有的信息数据发送完毕。