[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

权利要求书

1.一种基于多谐振频率的信道容量优化方法，其特征在于，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，包括：根据基尔霍夫电压定律方程，得到所述第一等效电路模型的第一电路方程为：

，

其中，为发射端第线圈的发射信号，为发射端第个线圈的电阻，为接收端第个线圈的电阻；为接收端第Ru个线圈的电流；

将所述第一电路方程改写为矩阵方程：

根据上述的矩阵方程，得到发送电流向量：

以及接收电流向量：

根据所述接收电流矩阵和接收互感矩阵计算得到接收电压向量：

将电压类比为信号，得到接收信号为Y和发射信号为S，将接收信号Y和发射信号S之间的系数作为通信信道H，通信信道为：；

其中，通信信道H的元素为, 表示第i个发射机与第u个接收机之间的衰减衰落因子；

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，包括：根据基尔霍夫电压定律，计算得到所述第二等效电路模型的第二电路方程为：

其中为：

将所述第二电路方程改写为：

（1）

其中矩阵C为所述磁感应通信系统的电容矩阵，如下式所示：

矩阵R为所述磁感应通信系统的电阻矩阵，如下式所示

矩阵L为所述 磁感应通信系统的电感矩阵，如下式所示

引入方程：

（2）

构建所述磁感应通信系统的状态空间模型：

（3）

其中是状态矩阵，为系统的输入矩阵，矩阵A和矩阵B具体为：

其中表示一个N阶单位矩阵；

利用矩阵A和矩阵B矩阵构建所述磁感应通信系统的系统矩阵D为

利用所述状态空间模型和所述系统矩阵D，进行推导得到所述磁感应通信系统存在个谐振频率()，所述谐振频率是系统矩阵D的虚部的绝对值，所述谐振频率为：

（11）；

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；

在所述磁感应通信系统的总发射功率约束条件下，根据所述谐振频率对所述信道容量进行优化，得到最优信道容量，包括：推导得到所述磁感应通信系统的接收信号向量为：

其中H是通信信道矩阵, N ̅是高斯白噪声向量；

所述磁感应通信系统的输入输出关系表示为：

所述磁感应通信系统的信道容量表示为：

（12）

其中，为分裂频率数，为在通过式(11)得到频率的特征值的个数，为特征值，为频率对应的协方差，为通带噪声谱功率；

为求得总发射功率约束下达到最大的信道容量，即目标函数为：

；

其中为最大允许的总发射功率，为发射信号S的协方差矩阵，为发射信号S向量的元素；

将公式（12）优化为：

；

其中表示在频率为的第k个子信道上分配的发送能量，满足，且最优能量分配方案满足

；

其中，是常数，根据特征值的集合的迭代计算和子信道分配能量的非负性获得，是指

。

2.如权利要求1所述的基于多谐振频率的信道容量优化方法，其特征在于，所述在所述磁感应通信系统的总发射功率约束条件下，根据所述谐振频率对所述信道容量进行优化，得到最优信道容量，具体为：

在所述磁感应通信系统的总发射功率约束条件下，根据所述谐振频率在所述磁感应通信系统的子信道上分配的可变能量对所述信道容量的表达式进行优化，得到最优信道容量。