[发明专利]一种混合水声和射频传输的跨介质通信的功率分配方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种混合水声/射频传输的跨介质通信的功率分配方法。考虑在跨介质双向中继的帮助下，在水声和传统微波等不同媒体上工作的两个终端之间构建通信链路。本发明提出了一种最优功率分配算法，达到最小化中断概率的目的。本发明提供的方案相比于传统的平均功率分配方案而言使系统性能更好，能够降低中断概率；同时，该方案具有跨介质通信和功率优化的潜力，能适应混合水声通信和射频传输的场景。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种混合水声和射频传输的跨介质通信的功率分配方法；本发明涉及水声通信(Underwater Acoustic Communication，UAC)，射频(Radio Frequency，RF)，最优功率算法(Optimal Power AllocationAlgorithm，OPAA)等技术。

背景技术

水声通信(Underwater Acoustic Communication，UAC)网络由于其在海洋学研究、海洋环境监测、资源勘探、水下导航和海上防御等领域的广泛应用，日益受到学术界乃至各国军事海洋技术部门的重视。与通过无线电波传播的地面通信不同的，得益于在水下通信中相对较小的衰减和低吸收特性，声波成为了水介质通信中的最优技术。UAC与无线电波的主要区别之一是传播速度，声波在水中以相当低的速度c＝1.5km/s传播，比无线电波在空气中传播的速度小五个数量级。因此，水下和空中的通信在不同的介质中传播，由于它们各自的传播速度相差很大，所以它们之间无法直接相互通信。

然而，随着海空协同作战以及海陆军事作战的蓬勃发展，水声通信与无线通信的结合势在必行。为了解决这个问题，本发明提出了一种新型的具有双向中继的跨介质通信系统，使得UAC和射频(Radio Frequency，RF)通信之间能进行通信。另外，本发明还推导了上行和下行传输的平均和最小中断概率，以及在最小中断概率情况下的最优功率分配。

发明内容

本发明通过引入一个在声波和微波之间双向传输信号的中继，建立了一种新的海空跨介质通信系统，实现了UAC和RF通信。与传统的平均功率分配方案相比，最优功率分配算法能在同样衰减情况下，有效降低中断概率。

为了便于理解，对本发明采用的新的海空跨介质通信系统进行如下说明：

海空跨介质通信系统框图如图1所示，其中包括一个装置在岸上的天线接入点(Access Point，AP)、一个水下终端(例如传感器和潜艇)和一个安装在位于它们之间的船上的单输入单输出中继。另外，双向中继具有解码和转发能力，信号在一种介质中被接收并转换为可适用于另一种介质的信号进行重传。在这种场景下，中继可以完成与空中节点的电磁波通信和与水下节点的声波通信，使系统具备跨介质通信的能力。为了描述方便，将从岸上天线AP到中继的第一段链路和从中继到水下节点的第二段链路合称为下行链路，相应地，将从水下节点到中继的第一链路和从中继到岸上天线AP的第二条链路合称为上行链路。考虑半双工通信，信号首先通过下行链路信道传输，而上行链路传输发生在下一阶段。s表示要传输的符号，那么接收到的信号r可以表达为如下形式：

r＝αs+n，        (1)

其中α表示信道系数，根据传播环境的特性而变化，n表示接收端的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)。在本发明中，上述公式适用于整个通信，其中每一处噪声n都是AWGN，而α的数值取决于不同的介质。由于实际的大气传播环境中存在许多小颗粒，以及由声学传感器、海底、内部和表面海浪的运动形成的各种水环境，导致无论在空气中还是在水中，信号都是通过多径信道传输的。因此，时变多径信道在持续时间T上，传输信号s(t)的接收信号r(t)可以被表示为：

其中，α_i(t)表示在第i条路径上接收到的信号的信道系数，t_i(t)表示第i条路径的传播时延，f_c为载波频率。