[發(fā)明專利]一種基于改進的EXP3算法水下自適應(yīng)OFDM通信方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810410315.1
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108809881B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李鑫濱;趙海紅;閆磊;韓松;張玲梅
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學
• 主分類號: H04L27/26
• 分類號: H04L27/26;H04B13/02
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 13116
• 代理人: 李合印

一種基于改進的EXP3算法水下自適應(yīng)OFDM通信方法，基于MAB理論，建立自適應(yīng)OFDM通信系統(tǒng)決策模型；運用正交試驗方法，根據(jù)需調(diào)參數(shù)及其水平與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系，選擇正交表，完成正交試驗；采用極差分析法處理數(shù)據(jù)，判斷每個參數(shù)以及同一參數(shù)的不同水平對于數(shù)據(jù)傳輸速率的影響程度，刪除部分不重要的水平，完成對參數(shù)組合的初篩；學習執(zhí)行器根據(jù)評價器的建議隨機選擇調(diào)制參數(shù)，相應(yīng)的回值將回饋至學習執(zhí)行器與評價器，在評價器中進行回值估計和權(quán)重更新；評價器依照平衡“探索與利用”的原則更新策略選擇概率函數(shù)；判斷當前操作次數(shù)加1后是否超過預(yù)設(shè)的總操作次數(shù)，如果判定沒超過則學習執(zhí)行器繼續(xù)做決策，否則結(jié)束算法，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水聲傳感器智能感知技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于改進EXP3算法的水下自適應(yīng)OFDM通信機制。

背景技術(shù)

水下自適應(yīng)OFDM通信，旨在通過水下水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的通信與計算能力，根據(jù)水下信道環(huán)境變化，自適應(yīng)調(diào)節(jié)載波選擇、發(fā)射功率、編碼及調(diào)制方式等發(fā)射參數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化。水下自適應(yīng)OFDM通信技術(shù)可建立高效、穩(wěn)定、暢通的通信鏈路，為海洋資源開發(fā)、水下探測預(yù)防、海軍防衛(wèi)等應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。增強學習理論近年來在無線通信網(wǎng)絡(luò)層決策選擇問題中得到了廣泛的研究與應(yīng)用，在決策問題中，多臂老虎機框架中的Exp3算法具有算法程序簡潔、不依賴于任何分布、應(yīng)用范圍廣的特點。在水聲通信網(wǎng)絡(luò)中，OFDM具有需調(diào)參數(shù)多，參數(shù)可調(diào)范圍廣的特點，可選擇的調(diào)制參數(shù)組合的數(shù)量呈指數(shù)型增長。另外，相比于陸地環(huán)境，水下環(huán)境更加復(fù)雜包括窄帶寬、快時變、嚴重的多徑反射等。上述弱通信環(huán)境特征以及高復(fù)雜度的多參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化特點，使得水下自適應(yīng)OFDM通信成為一個挑戰(zhàn)性的問題。

經(jīng)對現(xiàn)有文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮镃N201611105988.3，名稱為“水聲通信網(wǎng)絡(luò)OFDM鏈路物理層與MAC層跨層通信方法”，該方法通過信道估計等技術(shù)獲取信道信息，以有效信噪比(ESNR)準確反映信道情況，并據(jù)此自適應(yīng)選擇調(diào)制參數(shù)。然而，快變環(huán)境下的多普勒頻移、長時延等因素導(dǎo)致信道估計性能下降，無法準確獲得信道信息，從而影響調(diào)制參數(shù)選擇的最優(yōu)性，同時也降低了水下OFDM通信的自適應(yīng)能力。

另外，中國專利申請?zhí)枮镃N201510638328.0，名稱為“一種載波頻率自適應(yīng)水下通信方法及其裝置”，該方法考慮到固定的載波頻率限制了的水聲通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量的優(yōu)化，提出一種載波頻率值可根據(jù)工作距離進行調(diào)整的自適應(yīng)水下通信方法，以適應(yīng)復(fù)雜多變的水聲通道特性。但是該方法未考慮前向糾錯編碼等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，缺乏對于水聲OFDM系統(tǒng)高效多參數(shù)聯(lián)合調(diào)解方法的相關(guān)研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種不依賴完美信道信息、可對抗強時變性水聲信道的、低復(fù)雜度、高效多參數(shù)聯(lián)合調(diào)節(jié)的基于改進的EXP3算法水下自適應(yīng)OFDM通信方法。

為實現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明所述方法包括以下步驟：

步驟1，確定水聲通信鏈路中需要調(diào)配的參數(shù)及每個參數(shù)的可配置數(shù)值(記為水平)，參數(shù)包括編碼方式、調(diào)制方式、子載波數(shù)量；基于多臂老虎機理論建立自適應(yīng)OFDM通信系統(tǒng)決策模型，利用增強學習機制代替?zhèn)鹘y(tǒng)自適應(yīng)OFDM通信中的接收機信道狀態(tài)反饋過程；

步驟2，運用正交試驗方法，根據(jù)步驟1中確定的需調(diào)參數(shù)、每個參數(shù)的可配置數(shù)值與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系，選擇正交表，確定正交試驗方案；對采樣調(diào)制參數(shù)組合進行數(shù)次重復(fù)試驗，收集試驗數(shù)據(jù)，取平均值，通過計算獲得每組試驗參數(shù)下的數(shù)據(jù)傳輸速率；

步驟3，用極差分析法處理在步驟2中獲得的每組試驗參數(shù)下的數(shù)據(jù)傳輸速率，以判斷每個參數(shù)以及同一參數(shù)的不同水平對于網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響程度，并據(jù)此刪除部分不重要的水平，完成對參數(shù)組合的初篩；

步驟4，學習執(zhí)行器根據(jù)評價器的建議隨機選擇即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的調(diào)制參數(shù)，相應(yīng)的回值將回饋至學習執(zhí)行器與評價器，并在評價器中進行回值估計和權(quán)重更新；