【摘要】：面對(duì)陸地上日益嚴(yán)重的資源短缺問題,許多國(guó)家都將目光轉(zhuǎn)向海洋開發(fā),但水下有效通信方式的缺乏限制了人類開發(fā)海洋的腳步。水下通信環(huán)境復(fù)雜,已經(jīng)發(fā)展成熟的陸地?zé)o線通信技術(shù)并不適用于水下。在水下,聲波比電磁波和光波擁有更好的傳輸性能。但水聲通信仍面臨著許多困難:水下聲信號(hào)衰減嚴(yán)重、可用頻譜資源受限、能量供應(yīng)受限。水下頻譜、功率資源十分寶貴,如何合理地分配頻譜、功率資源有效提高水下通信網(wǎng)絡(luò)的性能是本文研究的主要問題。首先,分析了水聲通信信道特性,主要包括:水下信道損耗、水下頻率特性、水下聲信號(hào)傳播速度,水下多普勒效應(yīng)等,并將水聲信道特性與陸地上無(wú)線通信信道進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)介紹了博弈論的基本概念、博弈論的分類和隨機(jī)博弈的模型。其次,研究了水下單信道通信網(wǎng)絡(luò)中的功率分配問題,將單信道網(wǎng)絡(luò)中用戶功率分配問題構(gòu)建成博弈模型。針對(duì)單信道網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)相互干擾問題將網(wǎng)絡(luò)干擾水平引入到用戶效應(yīng)函數(shù)中,平衡各節(jié)點(diǎn)間的干擾;針對(duì)水下用戶能量受限,生存時(shí)間短的問題,將用戶剩余能量引入用戶效應(yīng)函數(shù)中,改善用戶的生存時(shí)間。最后,研究了水下多信道通信網(wǎng)絡(luò)中頻譜、功率聯(lián)合分配問題,提出了一種基于隨機(jī)博弈的動(dòng)態(tài)水下通信環(huán)境中頻譜、功率聯(lián)合分配算法。將頻譜、功率聯(lián)合分配問題構(gòu)建為非合作隨機(jī)博弈模型,選擇頻譜和功率策略的過(guò)程被構(gòu)建為馬爾可夫決策過(guò)程。在博弈中每個(gè)用戶都通過(guò)學(xué)習(xí)本地信息來(lái)最大化其長(zhǎng)期回報(bào),不需要用戶間的信息交互,并利用Q學(xué)習(xí)算法以分布式的方式學(xué)習(xí)其最優(yōu)策略。針對(duì)水下復(fù)雜多變的通信環(huán)境,在Q學(xué)習(xí)算法中引入監(jiān)督因子,增強(qiáng)算法的抗干擾能力,提高用戶間的信息傳輸成功率。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O225;TN929.3
【圖文】：

圖 2-1 吸收系數(shù) 隨傳輸頻率 f 變化曲線圖[31]1.2 水聲通信頻譜特性在海洋中，各種海洋生物和人工聲學(xué)設(shè)備都是通過(guò)聲信號(hào)作為信息的載體息的傳遞。在水下頻譜資源被大量共享，海洋哺乳動(dòng)物通過(guò)聲信號(hào)進(jìn)行定位和覓食。齒鯨在大約 10kHz 的頻率上通信，虎鯨的回聲定位信號(hào)在 12kHz-25段上，寬吻海豚發(fā)出頻率在 200Hz 到 24kHz 的哨子信號(hào)用于通信，并發(fā)出在 20 150kHz 的信號(hào)用于回聲定位，海獅可以聽到頻率高達(dá) 70kHz 的聲音[32]�？衫玫念l段十分受限[33]。而且水下聲信號(hào)具有頻率依賴衰減特性，信號(hào)的衰傳輸頻率的升高而升高。100Hz 的聲波的吸收系數(shù)約為 0.003dB/km，10kHz 在水中的吸收系數(shù)大約是 1dB/km。聲信號(hào)在高頻衰減十分嚴(yán)重，水下可用的率嚴(yán)重受限，通常只有從幾十赫茲到數(shù)百千赫茲。人類聲學(xué)設(shè)備可利用的頻只有 1kHz~100kHz。而且在實(shí)際海洋環(huán)境中聲學(xué)換能器有尺寸上的約束，N(underwater acoustic networks)通常以 1kHz 至 40kHz 的中頻工作，并且這些 U

中等距離 1~10 10短距離 0.1~1 20~50極短距離 <0.1 >100時(shí)，在水下通信網(wǎng)絡(luò)中，海洋環(huán)境噪聲與聲信號(hào)的傳輸頻率相關(guān)，聲增益的衰減與信號(hào)傳輸?shù)木嚯x和發(fā)射頻率相關(guān)。而海洋環(huán)境噪聲和信對(duì)信號(hào)的傳輸可靠性都有著很大影響。信號(hào)在傳輸過(guò)程中的海洋噪聲耗越低，則用戶間的通信質(zhì)量越好。根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，我們可以的最優(yōu)的傳輸頻率。如圖 2-2 所示[35]：(,)()()(,)AlfNfSfSNR lf S ( f)表示被傳輸信號(hào)的功率譜密度， A( l ,f)表示信號(hào)衰減， N ( f)表SNR 越大表示信號(hào)的傳輸質(zhì)量越好，由圖 2-2 可知，節(jié)點(diǎn)間通信距離的傳輸頻率不同，節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離越大其最優(yōu)傳輸頻率越小。而且距離為 1km 時(shí)，通信質(zhì)量隨傳輸頻率的變化較傳輸距離為 2km 的變化點(diǎn)間傳輸距離的增加，傳輸頻率對(duì)通信質(zhì)量的影響越大。

水中鹽分含量、溫度、水中壓力的變化都會(huì)引起聲波傳播速度的變化，而變化對(duì)水下聲波傳播速度造成的影響最強(qiáng)烈。海水的溫度每增加 1℃，聲度就會(huì)增加 4.2m/s；水中鹽分每增加千分之一，聲速增加 1.3m/s；水壓大氣壓，聲速增加 0.17m/s，所以水下聲速并不是恒定的。由于陽(yáng)光的照溫度會(huì)比較高，越往下海水的溫度會(huì)慢慢降低，聲速也會(huì)慢慢變小。但在由于溫度和壓力都比較穩(wěn)定，海面附近的聲速變化不大。但隨著深度的增低，水壓增大，海水中的鹽分也會(huì)有所增加，但增加的水壓和鹽度并不能對(duì)聲音傳播速度的影響，因此聲速還是會(huì)有所下降。在淺水區(qū)，海面水溫波傳播速度較大，越往下，水溫越低，聲速也越小。但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度的水的溫度到達(dá) 4℃的恒定水平，海水的鹽度和壓力還會(huì)繼續(xù)增加，所以聲增加，就會(huì)出現(xiàn)深水波導(dǎo)效應(yīng)。例如在我國(guó)南海地區(qū)，在大概水深 1km 現(xiàn)聲速最小的地區(qū)，叫做聲道軸。聲波在水下傳輸時(shí)，其聲線也并不是一聲線總會(huì)向較低傳播速度的方向彎曲，服從斯涅耳定律。水下聲速剖面圖如圖 2-3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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1 李鑫濱;韓松;劉志新;溫淑煥;;基于次用戶檢測(cè)能力的認(rèn)知無(wú)線電頻譜共享博弈[J];北京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2015年04期

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本文編號(hào)：2798514