[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

说明书

本发明公开了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与装置，该方法在骨干网基站或中心节点处布置水声换能器阵列，通过波束成形技术优化基站水声换能器阵列的权值矩阵，使基站发射的水声信号对准水下终端节点。水下终端节点接收到的声波信号在通过水声换能器转化为电信号后，利用功率分离器分离为两路信号流，其中一路信号进行信号检测；另一路信号则通过能量收集模块进行能量收集，收集的能量通过电源模块对终端节点的电池进行充电，从而实现终端节点的能源补充。该方法在保证通信质量的前提下获得最大的终端节点收集能量，从而最大限度的为水声通信网络终端节点进行能源补充。

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及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与装置。

背景技术

水声通信是水下通信的主流技术。水声通信技术自问世以来，一直面临着通信时延长、可用带宽窄、信号衰减严重、水下节点设备的能源补充困难等问题。

由于水下及海洋环境的特殊性，水下的水声通信网络节点通常采用能量十分有限的电池供电，网络的生命周期受限于节点的电池能量；并且水声通信网络节点的维护特别困难，节点在初次部署后，其电池的更换十分不便甚至不可能实现，在电池能量一次性耗尽后节点通常只能废弃，使得水声节点与水声网络的生命周期短暂进而使用成本高企。因此，水声节点的能量供应与能源管理成为水声通信网络中迫切需要解决的问题。

利用无线能量传输技术为水声节点供电是解决水声节点能量有限问题的有效手段，但目前仅有个别研究提出通过无线能量收集技术为水声通信节点补充能源的方法。曹欢欢等人发表在《东南大学学报》上的文献“无线充电的水声通信系统资源分配方案”提出了一种针对具有水下、水上双层结构的中继节点进行资源分配的方法，但该方法仍然需要基站利用电磁波在水面以上对中继节点进行无线充电，存在诸多不足：(1)由于该方法采用无线电磁波充电方式，只能应用于存在水上基站的情形，并且要求中继节点的能量收集单元必须位于水面以上，给网络部署带来不便；(2)中继节点采用水下、水上双层结构，并且中继节点的水上部分与水下部分需要通过电缆进行连接，增加了中继节点的复杂度与成本；(3)不具备水下无线能量传输与收集的能力，没有解决水下终端节点的能源补充问题。

总而言之，现有方案存在结构复杂、应用不便等局限性，并且不具备水下无线能量传输与收集的能力，无法解决水声通信网络中大量位于水下尤其是深水区域或者水底的终端传感节点的能源供应或补充问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的缺陷与不足，提供一种具有水下无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置，该方法在骨干网基站或中心节点处布置水声换能器阵列，通过波束成形技术优化基站水声换能器阵列的权值矩阵，使基站发射的水声信号对准水下终端节点。水下终端节点接收到的声波信号在通过水声换能器转化为电信号后，利用功率分离器分离为两路信号流，其中一路信号进行信号检测；另一路信号则通过能量收集模块进行能量收集，收集的能量通过电源模块对终端节点的电池进行充电，从而实现终端节点的能源补充。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

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骨干网基站和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，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；