基于博弈论的水声通信网络频谱功率联合分配算法研究
发布时间：2020-08-20 22:20
【摘要】：面对陆地上日益严重的资源短缺问题,许多国家都将目光转向海洋开发,但水下有效通信方式的缺乏限制了人类开发海洋的脚步。水下通信环境复杂,已经发展成熟的陆地无线通信技术并不适用于水下。在水下,声波比电磁波和光波拥有更好的传输性能。但水声通信仍面临着许多困难:水下声信号衰减严重、可用频谱资源受限、能量供应受限。水下频谱、功率资源十分宝贵,如何合理地分配频谱、功率资源有效提高水下通信网络的性能是本文研究的主要问题。首先,分析了水声通信信道特性,主要包括:水下信道损耗、水下频率特性、水下声信号传播速度,水下多普勒效应等,并将水声信道特性与陆地上无线通信信道进行对比。同时介绍了博弈论的基本概念、博弈论的分类和随机博弈的模型。其次,研究了水下单信道通信网络中的功率分配问题,将单信道网络中用户功率分配问题构建成博弈模型。针对单信道网络中节点相互干扰问题将网络干扰水平引入到用户效应函数中,平衡各节点间的干扰;针对水下用户能量受限,生存时间短的问题,将用户剩余能量引入用户效应函数中,改善用户的生存时间。最后,研究了水下多信道通信网络中频谱、功率联合分配问题,提出了一种基于随机博弈的动态水下通信环境中频谱、功率联合分配算法。将频谱、功率联合分配问题构建为非合作随机博弈模型,选择频谱和功率策略的过程被构建为马尔可夫决策过程。在博弈中每个用户都通过学习本地信息来最大化其长期回报,不需要用户间的信息交互,并利用Q学习算法以分布式的方式学习其最优策略。针对水下复杂多变的通信环境,在Q学习算法中引入监督因子,增强算法的抗干扰能力,提高用户间的信息传输成功率。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O225;TN929.3
【图文】：
图 2-1 吸收系数 随传输频率 f 变化曲线图[31]1.2 水声通信频谱特性在海洋中，各种海洋生物和人工声学设备都是通过声信号作为信息的载体息的传递。在水下频谱资源被大量共享，海洋哺乳动物通过声信号进行定位和觅食。齿鲸在大约 10kHz 的频率上通信，虎鲸的回声定位信号在 12kHz-25段上，宽吻海豚发出频率在 200Hz 到 24kHz 的哨子信号用于通信，并发出在 20 150kHz 的信号用于回声定位，海狮可以听到频率高达 70kHz 的声音[32]。可利用的频段十分受限[33]。而且水下声信号具有频率依赖衰减特性，信号的衰传输频率的升高而升高。100Hz 的声波的吸收系数约为 0.003dB/km，10kHz 在水中的吸收系数大约是 1dB/km。声信号在高频衰减十分严重，水下可用的率严重受限，通常只有从几十赫兹到数百千赫兹。人类声学设备可利用的频只有 1kHz~100kHz。而且在实际海洋环境中声学换能器有尺寸上的约束，N(underwater acoustic networks)通常以 1kHz 至 40kHz 的中频工作，并且这些 U
中等距离 1~10 10短距离 0.1~1 20~50极短距离 <0.1 >100时，在水下通信网络中，海洋环境噪声与声信号的传输频率相关，声增益的衰减与信号传输的距离和发射频率相关。而海洋环境噪声和信对信号的传输可靠性都有着很大影响。信号在传输过程中的海洋噪声耗越低，则用户间的通信质量越好。根据信号传输的距离，我们可以的最优的传输频率。如图 2-2 所示[35]：(,)()()(,)AlfNfSfSNR lf S ( f)表示被传输信号的功率谱密度， A( l ,f)表示信号衰减， N ( f)表SNR 越大表示信号的传输质量越好，由图 2-2 可知，节点间通信距离的传输频率不同，节点间的传输距离越大其最优传输频率越小。而且距离为 1km 时，通信质量随传输频率的变化较传输距离为 2km 的变化点间传输距离的增加，传输频率对通信质量的影响越大。
水中盐分含量、温度、水中压力的变化都会引起声波传播速度的变化，而变化对水下声波传播速度造成的影响最强烈。海水的温度每增加 1℃，声度就会增加 4.2m/s；水中盐分每增加千分之一，声速增加 1.3m/s；水压大气压，声速增加 0.17m/s，所以水下声速并不是恒定的。由于阳光的照温度会比较高，越往下海水的温度会慢慢降低，声速也会慢慢变小。但在由于温度和压力都比较稳定，海面附近的声速变化不大。但随着深度的增低，水压增大，海水中的盐分也会有所增加，但增加的水压和盐度并不能对声音传播速度的影响，因此声速还是会有所下降。在浅水区，海面水温波传播速度较大，越往下，水温越低，声速也越小。但当到达一定深度的水的温度到达 4℃的恒定水平，海水的盐度和压力还会继续增加，所以声增加，就会出现深水波导效应。例如在我国南海地区，在大概水深 1km 现声速最小的地区，叫做声道轴。声波在水下传输时，其声线也并不是一声线总会向较低传播速度的方向弯曲，服从斯涅耳定律。水下声速剖面图如图 2-3 所示。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O225;TN929.3
【图文】：
图 2-1 吸收系数 随传输频率 f 变化曲线图[31]1.2 水声通信频谱特性在海洋中，各种海洋生物和人工声学设备都是通过声信号作为信息的载体息的传递。在水下频谱资源被大量共享，海洋哺乳动物通过声信号进行定位和觅食。齿鲸在大约 10kHz 的频率上通信，虎鲸的回声定位信号在 12kHz-25段上，宽吻海豚发出频率在 200Hz 到 24kHz 的哨子信号用于通信，并发出在 20 150kHz 的信号用于回声定位，海狮可以听到频率高达 70kHz 的声音[32]。可利用的频段十分受限[33]。而且水下声信号具有频率依赖衰减特性，信号的衰传输频率的升高而升高。100Hz 的声波的吸收系数约为 0.003dB/km，10kHz 在水中的吸收系数大约是 1dB/km。声信号在高频衰减十分严重，水下可用的率严重受限，通常只有从几十赫兹到数百千赫兹。人类声学设备可利用的频只有 1kHz~100kHz。而且在实际海洋环境中声学换能器有尺寸上的约束，N(underwater acoustic networks)通常以 1kHz 至 40kHz 的中频工作，并且这些 U
中等距离 1~10 10短距离 0.1~1 20~50极短距离 <0.1 >100时，在水下通信网络中，海洋环境噪声与声信号的传输频率相关，声增益的衰减与信号传输的距离和发射频率相关。而海洋环境噪声和信对信号的传输可靠性都有着很大影响。信号在传输过程中的海洋噪声耗越低，则用户间的通信质量越好。根据信号传输的距离，我们可以的最优的传输频率。如图 2-2 所示[35]：(,)()()(,)AlfNfSfSNR lf S ( f)表示被传输信号的功率谱密度， A( l ,f)表示信号衰减， N ( f)表SNR 越大表示信号的传输质量越好，由图 2-2 可知，节点间通信距离的传输频率不同，节点间的传输距离越大其最优传输频率越小。而且距离为 1km 时，通信质量随传输频率的变化较传输距离为 2km 的变化点间传输距离的增加，传输频率对通信质量的影响越大。
水中盐分含量、温度、水中压力的变化都会引起声波传播速度的变化，而变化对水下声波传播速度造成的影响最强烈。海水的温度每增加 1℃，声度就会增加 4.2m/s；水中盐分每增加千分之一，声速增加 1.3m/s；水压大气压，声速增加 0.17m/s，所以水下声速并不是恒定的。由于阳光的照温度会比较高，越往下海水的温度会慢慢降低，声速也会慢慢变小。但在由于温度和压力都比较稳定，海面附近的声速变化不大。但随着深度的增低，水压增大，海水中的盐分也会有所增加，但增加的水压和盐度并不能对声音传播速度的影响，因此声速还是会有所下降。在浅水区，海面水温波传播速度较大，越往下，水温越低，声速也越小。但当到达一定深度的水的温度到达 4℃的恒定水平，海水的盐度和压力还会继续增加，所以声增加，就会出现深水波导效应。例如在我国南海地区，在大概水深 1km 现声速最小的地区，叫做声道轴。声波在水下传输时，其声线也并不是一声线总会向较低传播速度的方向弯曲，服从斯涅耳定律。水下声速剖面图如图 2-3 所示。
【参考文献】
相关期刊论文 前9条
1 李鑫滨;韩松;刘志新;温淑焕;;基于次用户检测能力的认知无线电频谱共享博弈[J];北京理工大学学报;2015年04期
2 姜U
本文编号：2798514
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wltx/2798514.html
