【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于無線通信，具體涉及一種混合mi和ris協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略。
技術(shù)介紹
1、水下信息傳輸面臨著環(huán)境復(fù)雜，傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)速率要求高的挑戰(zhàn)。盡管近年來新型水下技術(shù)興起，但水聲通信仍然是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)公里級范圍水下通信的解決方案。水下環(huán)境提供了優(yōu)異的聲學(xué)特性，使聲波信號可以有效的進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，并且不受電磁干擾的影響。auv由于其高機(jī)動性和靈活性，在復(fù)雜的水下通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究auv協(xié)助的水聲系統(tǒng)信息傳輸，對水下通信的性能提升具有重要意義。
2、然而，大多數(shù)現(xiàn)有的auv輔助的uwac信息傳輸通常采用單一的通信方式。雖然uwac可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，但是由于uwac的信道存在嚴(yán)重的多徑衰落和多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率較低。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本專利技術(shù)考慮水下mi通信的信道穩(wěn)定、在短距離內(nèi)可以實現(xiàn)高速傳輸數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。通過mi通信與uwac相結(jié)合的方式，綜合近距離通信中mi通信速率快和uwac距離長的優(yōu)點(diǎn)，提高傳輸效率。考慮uwac系統(tǒng)長距離通信速率較慢的缺陷，本專利技術(shù)引入ris形成強(qiáng)反射路徑，提出混合mi和ris輔助聲學(xué)通信實現(xiàn)基于auv的uwac系統(tǒng)信道容量最大化策略，以提高系統(tǒng)性能。
2、本專利技術(shù)的目的在于提供一種混合mi和ris協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略以解決系統(tǒng)中由于信道容量較小、數(shù)據(jù)速率較慢的問題。通過對入射角、auv至ris-auv的直線距離、ris-auv至海面基站的
3、本專利技術(shù)針對基于自主水下航行器(autonomous?underwater?vehicle，auv)的水聲通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率低的問題，提出了一種混合磁感應(yīng)(magnetic?induction，mi)和可重構(gòu)智能表面(reconfigurable?intelligent?surface，ris)輔助通信策略，以最大化系統(tǒng)信道容量。具體來說，auv首先采用mi通信技術(shù)從所有海底節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)。然后，auv通過水聲通信方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給攜帶ris的auv。在ris的幫助下，auv和海上的地面基站(basestation，bs)之間形成了一條強(qiáng)反射路徑。地面bs可以以相對高的數(shù)據(jù)速率接收數(shù)據(jù)。為了最大化系統(tǒng)信道容量，對聲波入射角、auv與ris之間的距離、ris與水面bs之間的距離、聲波信號頻率和發(fā)射功率進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。該方法具體包括以下步驟：s1：建模mi通信與ris輔助uwac(underwater?acoustic?communication，uwac)混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；s2：建模mi電路模型；s3：建模mi通信中的信道容量；s4：建模ris陣列單元模型；s5：建模auv至ris-auv的信道增益與ris-auv至海面基站的信道增益；s6：建模ris輔助的水聲通信信道容量；s7：建模入射角、auv至ris-auv的直線距離、ris-auv至海面基站的直線距離、聲信號頻率和發(fā)射功率的預(yù)設(shè)約束；s8：建模水聲系統(tǒng)信道容量最大化的優(yōu)化模型；s9：采用改進(jìn)的蝴蝶優(yōu)化算法，求解水聲系統(tǒng)信道容量最大化的優(yōu)化模型，得到發(fā)射功率和信道資源的最佳分配結(jié)果，并將最佳分配結(jié)果代入水聲系統(tǒng)信道容量最大化函數(shù)得到水聲系統(tǒng)信道容量。本專利技術(shù)通過優(yōu)化基于mi和ris輔助聲學(xué)通信的uwac系統(tǒng)的資源分配策略實現(xiàn)系統(tǒng)信道容量最大化。
4、本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題具體采用的技術(shù)方案是：
5、一種混合mi和ris協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，auv首先采用mi通信技術(shù)從所有海底節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)；然后，auv通過水聲通信方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給攜帶ris的auv；在ris的幫助下，auv和海上的地面基站bs之間形成一條強(qiáng)反射路徑；為了最大化系統(tǒng)信道容量，對聲波入射角、auv與ris之間的距離、ris與水面bs之間的距離、聲波信號頻率和發(fā)射功率進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化；采用改進(jìn)的蝴蝶優(yōu)化算法，求解水聲系統(tǒng)信道容量最大化的優(yōu)化模型，得到發(fā)射功率和信道資源的最佳分配結(jié)果，并將最佳分配結(jié)果代入水聲系統(tǒng)信道容量最大化函數(shù)得到水聲系統(tǒng)信道容量。
6、進(jìn)一步地，優(yōu)化方法具體包括以下步驟：
7、s1：建模mi通信與ris輔助uwac混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
8、s2：建模mi電路模型；
9、s3：建模mi通信中的信道容量；
10、s4：建模ris陣列單元模型；
11、s5：建模auv至ris-auv的信道增益與ris-auv至海面基站的信道增益；
12、s6：建模ris輔助的水聲通信信道容量；
13、s7：建模入射角、auv至ris-auv的直線距離、ris-auv至海面基站的直線距離、聲信號頻率和發(fā)射功率的預(yù)設(shè)約束；
14、s8：建模水聲系統(tǒng)信道容量最大化的優(yōu)化模型；
15、s9：采用改進(jìn)的蝴蝶優(yōu)化算法，求解水聲系統(tǒng)信道容量最大化的優(yōu)化模型。
16、進(jìn)一步地，步驟s1具體為：
17、構(gòu)建mi通信與ris輔助uwac混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，至少包括：一個auv，一個ris-auv，若干海底節(jié)點(diǎn)，一個海面基站；其中，ris-auv配備了m×n個反射單元陣列；auv在海底移動，以一對一的方式收集海底節(jié)點(diǎn)信息，經(jīng)過ris-auv放大信號后，將信息傳輸至海面基站；
18、步驟s2具體為：
19、構(gòu)建mi通信模型；mi通信發(fā)送線圈加載交變電流產(chǎn)生隨時間變化的磁場來傳輸信息，通過在發(fā)送端通入交流電，在空間中產(chǎn)生變化的磁場，該磁場將導(dǎo)致接收線圈的磁通量發(fā)生變化；auv根據(jù)分析接收線圈中的電流變化，還原出海底節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔ⅲ辉O(shè)r1為海底節(jié)點(diǎn)發(fā)射線圈內(nèi)阻，r2為auv接收線圈內(nèi)阻，c1和c2為用于調(diào)諧電路的q因子電容；rl為負(fù)載電阻，m為mi線圈之間的互感。
20、進(jìn)一步地，步驟s3具體為：
21、根據(jù)下式，計算海底節(jié)點(diǎn)與auv的mi線圈之間的互感m
22、
23、式中，μ表示自由空間磁導(dǎo)率，nt和nr分別表示發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)，at和ar分別表示發(fā)射線圈和接收線圈的半徑，d表示海底節(jié)點(diǎn)與auv之間的距離；由基爾霍夫電壓定律：
24、v1＝z1i1+j2πf1mi2
25、0＝z2i2+j2πf1mi1
26、式中，f1為mi信號頻率，v1為交流電源；當(dāng)系統(tǒng)諧振時，諧振電路僅顯示電阻特性，容性電抗和感抗的綜合效應(yīng)為零；此時，發(fā)射線圈和接收線圈的自阻抗分別寫成z1＝r1，z2＝r2+rl；
27、由此解得：
28、
29、根據(jù)下式，計算海底節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率pt與auv的接收功率pr
30、
31、在低線圈電阻和高工作頻率的情況下，水下mi信道的整體路徑損耗為渦流損耗的表達(dá)式為pα＝20lg(eαd)
32、根據(jù)下式，計算式中α為渦流衰減系數(shù)
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1.一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于，AUV首先采用MI通信技術(shù)從所有海底節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)；然后，AUV通過水聲通信方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給攜帶RIS的AUV；在RIS的幫助下，AUV和海上的地面基站BS之間形成一條強(qiáng)反射路徑；為了最大化系統(tǒng)信道容量，對聲波入射角、AUV與RIS之間的距離、RIS與水面BS之間的距離、聲波信號頻率和發(fā)射功率進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化；采用改進(jìn)的蝴蝶優(yōu)化算法，求解水聲系統(tǒng)信道容量最大化的優(yōu)化模型，得到發(fā)射功率和信道資源的最佳分配結(jié)果，并將最佳分配結(jié)果代入水聲系統(tǒng)信道容量最大化函數(shù)得到水聲系統(tǒng)信道容量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
6.根據(jù)權(quán)利要求
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：步驟S8具體為：在滿足入射角、AUV至RIS-AUV的直線距離、RIS-AUV至海面基站的直線距離、聲信號頻率和發(fā)射功率的約束條件下，以系統(tǒng)信道容量最大化為目標(biāo)，確定優(yōu)化資源分配策略，即
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種混合MI和RIS協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種混合mi和ris協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于，auv首先采用mi通信技術(shù)從所有海底節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)；然后，auv通過水聲通信方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給攜帶ris的auv；在ris的幫助下，auv和海上的地面基站bs之間形成一條強(qiáng)反射路徑；為了最大化系統(tǒng)信道容量，對聲波入射角、auv與ris之間的距離、ris與水面bs之間的距離、聲波信號頻率和發(fā)射功率進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化；采用改進(jìn)的蝴蝶優(yōu)化算法，求解水聲系統(tǒng)信道容量最大化的優(yōu)化模型，得到發(fā)射功率和信道資源的最佳分配結(jié)果，并將最佳分配結(jié)果代入水聲系統(tǒng)信道容量最大化函數(shù)得到水聲系統(tǒng)信道容量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合mi和ris協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于一種混合mi和ris協(xié)助水聲通信的信道容量最大化策略，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種混合mi和ris協(xié)助水聲通信的信道容量...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙宜升，胡知意，劉鵬，宋朝華，李騰騰，
申請(專利權(quán))人：福州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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