中继辅助的高能效水声通信研究

论文摘要

海洋关乎国家民生建设、经济发展与主权维护,更与人类的生存发展息息相关。作为连接海洋仪器设备和传输海洋数据的核心技术,水下无线通信长久以来都是海洋科学与工程研究的主要方向之一。在几类常用的水下通信技术中,水声通信是目前复杂海洋环境中唯一有效的中远距离传输方式。然而,受声传播固有属性和恶劣海洋环境影响,水声通信具有传输速率低、总体能耗高的显著缺陷。另一方面,待传输的海洋数据量逐年呈爆炸式增长,同时水下设备往往储能有限且难以补给。因此,亟需高速率、高能效的可靠传输机制,来支持海洋数据的快速、可持续传输。通过引入中继变远距离直接传输为短距离多跳传输是一种提升水声传输速率和能效的潜在解决方案。虽然现有工作已广泛研究了中继辅助的水声传输网络的性能,但是它们都是基于特定的中继分布（如均匀分布、矩形分布）或限定了部署的中继数目（如单中继传输网络）。本文致力于以端到端时延和总能耗为指标,联合优化线性水声传输网络的中继分布与中继数目,即回答需要引入多少个中继以及应将它们部署于何处这两个基本问题。具体地,本文的研究内容和成果如下:1、介绍并分析水声信道的带宽-距离与功率-距离传输特性。在水声信道模型中,吸收损耗和背景噪声部分都是极为复杂的经验表达式,给定量分析中继辅助的水声传输系统性能带来了极大地挑战。数值分析结果显示,在对数域可用一阶最小方差估计精确拟合水声信道的可用带宽和所需发送功率与传输距离间的关系。遵循这一思路,首先简要回顾水声信道路径损耗与背景噪声模型,基于此仿真给定信噪比下水声信道可用带宽与所需发送功率曲线。接着,精确拟合仿真曲线得到带宽-距离与功率-距离估计模型,并深入挖掘模型参数与接收信噪比的依赖关系。2、研究至多部署一个中继时高能效线性水声传输的两大基本问题,即什么条件下需要引入一个中继以及若需要时应将其部署于何处。首先利用带宽-距离与功率-距离传输拟合模型建模一个能耗最小化问题,通过微分分析推导得到一个临界距离（定义为开启距离）来求解该问题。具体地,当传输距离不超过开启距离时无需引入中继,否则需要将一个中继部署于链路中点处。大量的仿真结果验证了理论结果并表明合理地部署一个中继能在几乎不增加端到端时延（少于1.56%）的同时显著地降低传输的总能耗（高至71.77%）。进一步,采用线性拟合方法从所得的大量实际数据中得到了开启距离的另一精确的计算式,以支持未来潜在的应用。3、研究不限定中继分布与数目下高能效线性水声传输的两大基本问题,即需要引入多少个中继以及应将它们部署于何处。同样利用建立的带宽-距离与功率-距离传输模型建模一个能耗最小化问题,并分两步来求解这个更为复杂且优化变量紧密耦合的优化问题。首先,基于开启距离,通过微分分析和数学归纳法证明等间距分布为最优的中继分布。然后,在该分布的基础上,推导得到一系列的临界传输距离,这些距离提供了一种极为便利的方法来确定最优的中继数目及中继部署位置。仿真结果验证了理论分析并表明等间距地部署合适数量的中继能够在几乎不牺牲端到端时延（少于4.95%）的基础上显著地降低系统的能耗（高达83.80%）。通过以上研究,本文提供了一种极为便利的方法来确定高能效水声传输网络的最优中继个数及位置,能够为实际系统设计提供确定性的性能保障。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张宇

导师: 李渝舟

关键词: 水声通信,中继部署,端到端时延,能耗,能量效率

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 华中科技大学

分类号: TB56

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.003642

总页数: 88

文件大小: 4643K

下载量: 49

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