專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于cdma水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方法，特別涉及一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法。
背景技術(shù)：
水聲網(wǎng)絡(luò)主要用于海洋中的數(shù)據(jù)搜集、采樣、環(huán)境監(jiān)測(cè)、近岸探測(cè)、災(zāi)害阻止、海嘯報(bào)警、導(dǎo)航援助、 分布式戰(zhàn)術(shù)監(jiān)測(cè)和礦產(chǎn)勘測(cè)。由于無(wú)線(xiàn)電波在水下只能在極其低的頻率上(30-300Hz)傳播，并且容易受
到散射影響。因此，水聲網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間通常使用聲波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。
媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法是水聲網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。與陸地?zé)o線(xiàn)信道相比，水聲信道具有數(shù)據(jù)傳輸速 率低、頻帶資源有限、誤碼率高等特點(diǎn)。同時(shí)分布在水下的傳感器節(jié)點(diǎn)通常攜帶的電池能量十分有限。因 此，如何高效地使用能量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生命周期的最大化是水聲網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。通常，水聲網(wǎng)絡(luò)的絕大 部分能量消耗在傳感器節(jié)點(diǎn)的通信模塊上。所以設(shè)計(jì)一種節(jié)能的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法，在不影響吞吐量的前 提下，讓網(wǎng)絡(luò)通信更有效率，獲得低信道接入時(shí)延是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。近年 來(lái)關(guān)于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法的研究成果主要包括了 TDMA方案、時(shí)隙化FAMA協(xié)議和帶有 碰撞避免的Aloha協(xié)議等。但是采用了這些方法的水聲網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的碰撞率高，并且信道的利用率很低。
碼分多址(CDMA)是水聲網(wǎng)絡(luò)中的很有前途的物理層和多址接入技術(shù)。它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)(1) 對(duì)于頻率選擇性衰落具有魯棒性。(2)在接收端采用Rake濾波技術(shù)可以補(bǔ)償多徑效應(yīng)。(3)接收端的多用戶(hù)檢 測(cè)技術(shù)可以分辨出來(lái)自不同用戶(hù)的信號(hào)。這些優(yōu)點(diǎn)提高了信道的可重用性并且減少了包的重發(fā)。但是， CDMA系統(tǒng)性能容易受到遠(yuǎn)近問(wèn)題的影響，會(huì)引起較強(qiáng)的多址干擾。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設(shè)計(jì)、研究了一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法，其特征在于包括以下步驟
(1) 網(wǎng)絡(luò)中用于傳輸?shù)陌譃榭刂瓢蛿?shù)據(jù)包兩種類(lèi)型；控制包由"類(lèi)型"、"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"、"發(fā)送節(jié) 點(diǎn)序號(hào)"、"最大允許功率"、"發(fā)送功率"和"千擾容限"六個(gè)域組成，其中"類(lèi)型"域可以為RTS、 CTS 或ACK。數(shù)據(jù)包由"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"、"發(fā)送節(jié)點(diǎn)序號(hào)"、"發(fā)送功率"和"數(shù)據(jù)信息"四個(gè)域組成，其中"數(shù) 據(jù)信息"域中保存著需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。節(jié)點(diǎn)在傳輸控制包時(shí)采用一個(gè)公共擴(kuò)頻碼，而傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)采 用基于發(fā)送端的CDMA擴(kuò)頻碼，即從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的所有數(shù)據(jù)包都使用網(wǎng)絡(luò)中唯一的碼進(jìn)行擴(kuò)頻，接收 端收到包以后使用對(duì)應(yīng)的碼字進(jìn)行解擴(kuò)。
(2) 如果節(jié)點(diǎn)_/要發(fā)送一個(gè)包給節(jié)點(diǎn)/，它首先在信道上以最大功率尸 ^，并使用公共擴(kuò)頻碼來(lái)發(fā)送一
個(gè)RTS包，在這個(gè)RTS包的"最大允許功率"域中包含了最大允許功率等級(jí)尸i^ ，這個(gè)功率為在不打斷_/ 的鄰居節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行的接收的條件下，乂'可以使用的最大發(fā)送功率。
(3) 收到rts包以后，節(jié)點(diǎn)/使用己知的戶(hù)，值和實(shí)際的接收功率戶(hù)/f^d來(lái)估計(jì)該時(shí)刻y和!'之間的信
道衰減值c^, = /pmax ，由下式計(jì)算出最小發(fā)送功率尸丄么)77* (T +/ ('') 、
G力
這里尸i!Lo^",是節(jié)點(diǎn)z'當(dāng)前的多址干擾MAI，它是由/周?chē)姓诎l(fā)送鄰居節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的；Z^)表示
該節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)正確解碼所需的有用信號(hào)的能量和噪聲功率之比的閾值，^Ld^。^rf是水聲信道中各種噪 聲功率之和。
(4) 節(jié)點(diǎn)從收到的RTS包中的"最大允許功率"域獲得尸』^的值，結(jié)合其鄰居節(jié)點(diǎn)情況選擇一個(gè)合適的
發(fā)送功率《=，具體過(guò)程如下-
如果尸^f〉尸2;，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)/處的MAI很大，/回送一個(gè)CTS包，通知/它不能處理它的發(fā)送，_/退 避一段隨機(jī)選擇的時(shí)間以后再重新發(fā)送RTS包。
如果/^)S《g,令知=(尸^ —尸^))/iV,，其中iV,為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最大鄰居數(shù)；如果該時(shí)
刻/的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為M ,那么在區(qū)間[(A^-l)A/7,iV,.厶p]中等概率地隨機(jī)選取一個(gè)值A(chǔ)P ，那么 《^2 =尸riS) + AP ，《=為z'所確定的作為將來(lái)_/發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)的發(fā)送功率。
(5) 節(jié)點(diǎn)Z'由《^計(jì)算出冗余干擾功率尸i;l〃e^"&"ee，它表示除了當(dāng)前的MAI， /還可以承受來(lái)自于鄰
居節(jié)點(diǎn)額外的MAI的大小。/通過(guò)監(jiān)聽(tīng)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS/CTS來(lái)獲得最近一段時(shí)間其鄰居節(jié)點(diǎn)中活躍 鄰居節(jié)點(diǎn)的大致數(shù)目iV^ive,將冗余干擾功率尸l^-mftmrf。"M平均分配到其活躍的鄰居節(jié)點(diǎn)，分配給每個(gè)
活躍鄰居節(jié)點(diǎn)的的干擾容限為《L=。
節(jié)點(diǎn)f'在CTS包的"發(fā)送功率"域?qū)懭雐^"l。除此以外，在"干擾容限"域中寫(xiě)入尸。忠 ^,并且將
此CTS包回送給終端/， CTS包的發(fā)送功率也為尸m^,使用公共擴(kuò)頻碼。
(6) 節(jié)點(diǎn)/的一個(gè)的潛在的干擾終端A:可以監(jiān)聽(tīng)到/的CTS包,設(shè)A;在某小段時(shí)間內(nèi)共收到K個(gè)這樣的包， 則它使用接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算自身和終端/之間的信道衰減(^,.。由G^和從z'的CTS包的"干擾容限"
域中得到的/^Lw ，通過(guò)下式計(jì)算出功率:
r"€《、 J
(7) 當(dāng)終端/收到終端z'的CTS包以后，它從CTS包的"發(fā)送功率"域中得到數(shù)據(jù)包的發(fā)送功率《=，
將其寫(xiě)入數(shù)據(jù)包的"發(fā)送功率"中，并用此功率和基于發(fā)送端的CDMA擴(kuò)頻碼在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包。
(8) 當(dāng)接收端/收到數(shù)據(jù)包后，它先檢査它的存儲(chǔ)器隊(duì)列頭中等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"域，
如果該域中的值恰好為終端y，它就直接用該數(shù)據(jù)包作為y和/本次數(shù)據(jù)交互成功的響應(yīng)包，其作用相當(dāng)于A(yíng)CK包。如果隊(duì)列頭中的包不是即將發(fā)往終端y'的，就正常響應(yīng)一個(gè)ACK包。這樣_/和/就完成了一 次交互過(guò)程。
在所述的一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法中，所述的控制包和數(shù)據(jù)包中的"接收節(jié)點(diǎn) 序號(hào)"為目的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，"發(fā)送節(jié)點(diǎn)序號(hào)"域?yàn)楫?dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)。
在所述的一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法中，所述的公共擴(kuò)頻碼和基于發(fā)送端的CDMA 擴(kuò)頻碼是完全正交的，而用于發(fā)送數(shù)據(jù)包的各個(gè)不同的CDMA擴(kuò)頻碼之間由于水聲信道的時(shí)延和其自身 的構(gòu)造是不完全正交的。
在所述的一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法中，所述的包發(fā)送功率的最大值為Pmax ，所 述的網(wǎng)絡(luò)中終端的最大鄰居數(shù)為iVn^ ，所述的接收機(jī)正確解碼收到的包所需的有用信號(hào)能量和噪聲功率
譜之比的閾值為77*，這些量都是預(yù)先設(shè)定好的，對(duì)于所有節(jié)點(diǎn)都是相同的。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于
1. 利用CDMA技術(shù)可以提高信道的可重用性，降低了控制包和數(shù)據(jù)包的等待和重傳概率，從而降低了信 息傳輸時(shí)的端到端時(shí)延。同時(shí)將擴(kuò)頻碼分為相互正交的公共碼和基于發(fā)送端CDMA的擴(kuò)頻碼，這樣既可 以利用有限的水聲信道帶寬，又可以使控制包和數(shù)據(jù)包的互不千擾地傳輸。
2. 采用分布式功率控制機(jī)制，參與信息傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)在保證不影響其鄰居節(jié)點(diǎn)收發(fā)的前提下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況 動(dòng)態(tài)地控制并調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送功率，使接收端盡可能多的正確接收數(shù)據(jù)包，解決了 CDMA中存在的遠(yuǎn) 近效應(yīng)問(wèn)題，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，從而有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。
3. 在特定的情況下，接收節(jié)點(diǎn)直接用數(shù)據(jù)包而不是ACK回應(yīng)，最大程度地提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和效果將在下面繼續(xù)描述。
圖1--個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)送一接收實(shí)例。
圖2——控制包的結(jié)構(gòu)。 圖3——數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)。 圖4——實(shí)驗(yàn)中參數(shù)的配置情況。 圖5——不同負(fù)載條件下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量變化曲線(xiàn)圖。 圖6——不同負(fù)載條件下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延變化曲線(xiàn)圖。 圖7——不同負(fù)載條件下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗變化曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。
圖1是基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法的一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)送接收實(shí)例。從該實(shí)例中可以歸納 出分布式功率控制的基本原則。4個(gè)節(jié)點(diǎn)f、 _/、 fc、 S的關(guān)系如圖l所示。虛線(xiàn)圓代表位于其中心的節(jié)點(diǎn)
的最大發(fā)送范圍。可以看出，/和S是y的鄰居節(jié)點(diǎn)，y和A是/的鄰居節(jié)點(diǎn)。假設(shè)_/要向；發(fā)送數(shù)據(jù)包，
那么它的發(fā)送功率《=必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件 '首先，如果y的鄰居節(jié)點(diǎn)J正在接收來(lái)自別的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包(圖中的虛線(xiàn)箭頭)，那么y'的發(fā)送功率
^^不能超過(guò)一定的值，以保證不影響s的接收。
其次，如果接收節(jié)點(diǎn)/收到來(lái)自于其鄰居節(jié)點(diǎn)A:的干擾(圖中的虛線(xiàn)箭頭)，那么y的發(fā)送功率尸丄^不
能低于一定的值，以保證/的接收信號(hào)與噪聲加干擾的比率大于閾值774，從而使/正確接收數(shù)據(jù)包。
這樣就可以有效地避免遠(yuǎn)近效應(yīng)的發(fā)生，但是由于水聲網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是動(dòng)態(tài)變化的，所以 在以上兩個(gè)條件滿(mǎn)足的前提下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)地控制并調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送功率，使接收端盡可能多的 正確接收數(shù)據(jù)包，這就是該媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方法的基本原則和出發(fā)點(diǎn)。
一. 用于傳輸?shù)陌慕Y(jié)構(gòu)和擴(kuò)頻碼的設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)中用于傳輸?shù)陌譃榭刂瓢蛿?shù)據(jù)包兩種類(lèi)型，控制包由"類(lèi)型"、"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"、"發(fā)送節(jié)點(diǎn)
序號(hào)"、"最大允許功率"、"發(fā)送功率"和"干擾容限"六個(gè)域組成，如圖2所示。其中"類(lèi)型"域根據(jù)具 體情況設(shè)置為RTS, CTS或ACK。"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"為目的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，"發(fā)送節(jié)點(diǎn)序號(hào)"域?yàn)榘l(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo) 識(shí)。在發(fā)送RTS包時(shí)要設(shè)置"最大允許功率"域，發(fā)送CTS包時(shí)要設(shè)置"發(fā)送功率"和"干擾容限"域， 各相關(guān)域的具體含義在需要設(shè)置時(shí)再做說(shuō)明。數(shù)據(jù)包由"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"、"發(fā)送節(jié)點(diǎn)序號(hào)"、"發(fā)送功率" 和"數(shù)據(jù)信息"四個(gè)域組成。"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"和"發(fā)送節(jié)點(diǎn)序號(hào)"域的含義與控制包中的同名域含義相 同，"發(fā)送功率"域用來(lái)記錄數(shù)據(jù)包的發(fā)送功率."數(shù)據(jù)信息"域保存著需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。
由于水聲信道的可用頻帶帶寬有限，所以采用單信道傳輸。為了保證控制包和數(shù)據(jù)包互不干擾，我們 可以設(shè)計(jì)這樣一種擴(kuò)頻碼在傳輸控制包采用一個(gè)公共擴(kuò)頻碼，而傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)采用基于發(fā)送端的CDMA 擴(kuò)頻碼，即從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的所有數(shù)據(jù)包都使用網(wǎng)絡(luò)中唯一的碼進(jìn)行擴(kuò)頻，接收端收到包以后使用對(duì)應(yīng)的 碼字進(jìn)行解擴(kuò)。在這里，公共擴(kuò)頻碼和基于發(fā)送端的CDMA擴(kuò)頻碼之間是完全正交的，而各個(gè)不同的基于 發(fā)送端的CDMA擴(kuò)頻碼之間由于水聲信道的時(shí)延和其本身的構(gòu)造而具有不完全的正交性。所以在現(xiàn)有接收 技術(shù)的支持下，可以保證控制包和數(shù)據(jù)包之間互不干擾，而數(shù)據(jù)包之間的干擾是不可忽略的。
二. 基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法的具體步驟
(1) 如果節(jié)點(diǎn)y要發(fā)送一個(gè)包給節(jié)點(diǎn)；，它首先在信道上以最大功率尸 ^,并且使用公共擴(kuò)頻碼來(lái)發(fā)送
一個(gè)RTS包，把最大允許功率等級(jí)戶(hù)ig設(shè)置到RTS包的"最大允許功率"域中，這個(gè)功率為在不打斷其
鄰居節(jié)點(diǎn)(如圖1中的節(jié)點(diǎn)s)正在進(jìn)行的接收的條件下，y可以使用的最大發(fā)送功率。如何計(jì)算并得到 這個(gè)功率值將在步驟5中討論。
(2) 收到RTS包以后，節(jié)點(diǎn)/使用已知的/>max值和實(shí)際接收功率i^^,ved來(lái)估計(jì)該時(shí)刻_/和/之間的信道
衰減 =《^^/尸 ^。由于閾值/7'己知，由(式l)可以計(jì)算出最小發(fā)送功率i^)。 n*C/> +/>('') 、
這里尸」^-o^",是節(jié)點(diǎn)z'當(dāng)前的多址干擾MAI,它是由/的所有正在發(fā)送鄰居節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的。i^:)是為 了使節(jié)點(diǎn)/可以在現(xiàn)有的干擾強(qiáng)度下正確的解碼數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)_/所需的最小發(fā)送功率。這也意味著如果以i>^;)的功率發(fā)送，接收節(jié)點(diǎn)z'就不能再承受任何額外的MAI 了 。
(3)節(jié)點(diǎn)/從收到的RTS包中的中的"最大允許功率"域獲得尸^)的值，并且按(式l)計(jì)算出尸丄f，
結(jié)合其鄰居節(jié)點(diǎn)情況選擇一個(gè)合適的發(fā)送功率《=，《=為/所確定的作為將來(lái)_/發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)的發(fā)送功 率，具體過(guò)程如下
如果戶(hù)r2i) >《2,說(shuō)明節(jié)點(diǎn)/處的mai很大。f'回送一個(gè)cts包，通知y它不能處理它的發(fā)送，這
樣/就不用立刻重傳rts包，而是退避一段時(shí)間以后再重新進(jìn)行控制包的交互，從而節(jié)省了能量。
如果《^ S《g ，那么/根據(jù)其鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在i^)和《3之間選擇一個(gè)合適的值作為《=。令
△P =(《fi—AfVWmax 。如果該時(shí)刻/的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為^'那么在區(qū)間[(iV,-1)A^iV,.A/7]中等概率地
隨機(jī)選取一個(gè)值A(chǔ)尸，那么i^^-i^:)+AP。這樣選擇的好處是如果節(jié)點(diǎn)/的鄰居節(jié)點(diǎn)較少，那么在z'
接收時(shí)它的鄰居節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行的發(fā)送的概率也相對(duì)較小，對(duì)/的干擾較小，選擇的/^2值靠近i^么)，可
以節(jié)省數(shù)據(jù)包的發(fā)送功率，從而節(jié)省能量。反之，如過(guò)!'的鄰居節(jié)點(diǎn)較多，那么在f接收時(shí)它的鄰居節(jié)點(diǎn)同 時(shí)進(jìn)行的發(fā)送也相對(duì)較多，對(duì)!'的干擾較大，這時(shí)選擇的i^^值靠近i^g，這樣使得后面計(jì)算出的冗余
干擾功率/^Hedun^ee較大，分配到1'的鄰居節(jié)點(diǎn)的也較大，從而使得鄰居節(jié)點(diǎn)不會(huì)因?yàn)橛绊懙?
正在進(jìn)行的接收而推遲它的發(fā)送，這樣可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
(0
(4)仿照(式l),有《￡ = " +尸"*/賄》 (式2)
^巾尸i^-to^臟^y&※ffl^^功帛4^后，^正，M^Wfril下，/所能承受W員大mai功率。
(式2)—(式i) 八p 二 ^ (^^/-/o/gMwcg — ) 二^^4/ (式3)
G力 G力
其中Ai^^是解擴(kuò)后/所能承受的冗余干擾功率。從而由CDMA系統(tǒng)的解擴(kuò)前后的功率轉(zhuǎn)換關(guān)系可以
得到解擴(kuò)前的冗余干擾功率尸12/-^/ ^""(見(jiàn)(式4〉)，它表示除了當(dāng)前的mai， /還可以承受來(lái)自于周 圍節(jié)點(diǎn)額外的mai的大小。
/>") — !^AP(') 一 3￡G々A/> (#4)
節(jié)點(diǎn)/將冗余干擾功率戶(hù)忍p,e^^。，^公平地分配到其活躍的鄰居節(jié)點(diǎn)。通過(guò)監(jiān)聽(tīng)到的rts/cts來(lái)獲 得最近一段時(shí)間/的鄰居節(jié)點(diǎn)中活躍節(jié)點(diǎn)的大致數(shù)目a^)wve ，那么分配給每個(gè)活躍節(jié)點(diǎn)的/的干擾容限為<formula>formula see original document page 9</formula>
當(dāng)對(duì)y的RTS做出回應(yīng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)i在CTS包(具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2)的"發(fā)送功率"域中寫(xiě)入《=。除此以外，節(jié)點(diǎn)/在"干擾容限"域中寫(xiě)入尸a(^^rf，并且將此CTS包回送給終端_/。 CTS包的發(fā)送功率也為戶(hù)m^，使用公共擴(kuò)頻碼。
(5) 節(jié)點(diǎn)i'的一個(gè)潛在的干擾終端(圖1中的A:)監(jiān)聽(tīng)到/的CTS包(設(shè)A;在某小段時(shí)間內(nèi)共收到尺個(gè)這樣的包)，它使用接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算自身和終端/之間的信道衰減&。由Gh和從CTS包的"干擾
容限"域中得到的/^^^,通過(guò)(式6)計(jì)算出功率尸=),該功率的含義已做過(guò)說(shuō)明。
《=^{《二/04 (式6)
(6) 當(dāng)終端y收到終端/的CTS包以后，它從CTS包的"發(fā)送功率"域中得到數(shù)據(jù)包的發(fā)送功率"^，
將其寫(xiě)入數(shù)據(jù)包的"發(fā)送功率"中，并用此功率和基于發(fā)送端的CDMA擴(kuò)頻碼在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖3所示)。
(7) 當(dāng)接收端/收到數(shù)據(jù)包后，它先檢查它的存儲(chǔ)器隊(duì)列頭中等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"域，如果該域中的值恰好為終端/,它就直接用該數(shù)據(jù)包作為7'和/本次數(shù)據(jù)交互成功的響應(yīng)包，其作用相當(dāng)于A(yíng)CK包。如果隊(duì)列頭中的包不是即將發(fā)往終端_/的，就正常響應(yīng)一個(gè)ACK包。這樣J和i'就完成了一
次數(shù)據(jù)交互。三.性能評(píng)價(jià)
為了分析評(píng)價(jià)該媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方法的性能，在實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)定10個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于1000mX1000m的區(qū)域，采用無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的分布式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)送范圍為200m。各參數(shù)設(shè)置如圖4所示。
在實(shí)驗(yàn)中我們將基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法(用UCDMA表示)和基于RTS-CTS-DATA-ACK并且不進(jìn)行分布式功率控制的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法(用General表示)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中用于比較的各個(gè)性能指標(biāo)含義如下-
負(fù)載為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包數(shù)目。吞吐量為單位時(shí)間內(nèi)收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目。端到端平均時(shí)延為一個(gè)數(shù)據(jù)包從產(chǎn)生到被接收節(jié)點(diǎn)成功接收所需要的平均時(shí)間。平均功率消耗為成功接收一個(gè)數(shù)據(jù)包所需要消耗的平均功率。
圖5是不同負(fù)載條件下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量變化曲線(xiàn)圖。可以發(fā)現(xiàn)隨著General和UCDMA協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載到達(dá)各自的門(mén)限值后，吞吐量達(dá)到飽和且基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定以后UCDMA的吞吐量約比General高40%。這是因?yàn)閁CDMA可以有效的利用信道，接收機(jī)在干擾條件下可以同時(shí)接收到來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。而在General中，控制包和數(shù)據(jù)包的碰撞率相對(duì)較高，并且節(jié)點(diǎn)一旦收到發(fā)往別的目的節(jié)點(diǎn)的控制包時(shí)就要等待，直到該包交互成功。另一方面，UCDMA在滿(mǎn)足一定的條件下直接用數(shù)據(jù)包而不是用傳統(tǒng)協(xié)議中的ACK回應(yīng)。這些因素都使得網(wǎng)絡(luò)的吞吐量得到了顯著地提高。
圖6是不同負(fù)載條件下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延變化曲線(xiàn)圖。在低負(fù)載情況下，由于產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包不需要在隊(duì)列中等待，所以時(shí)延很小。但隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，數(shù)據(jù)包在發(fā)送節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中等待的時(shí)間大大延長(zhǎng)，所以平均時(shí)延明顯增加，但是和General相比，UCDMA的時(shí)延相對(duì)較小，這是由于該協(xié)議采用了功率控制技術(shù)，從而使由網(wǎng)絡(luò)沖突帶來(lái)的數(shù)據(jù)包等待和重傳的概率大大降低。而General中由于包的碰撞率高，一旦發(fā)生碰撞就必須重傳，所以時(shí)延相對(duì)較高。
圖7是不同負(fù)載條件下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗變化曲線(xiàn)圖。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，成功接收每個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的平均功率有緩慢上升的趨勢(shì)，同時(shí)可以清楚的發(fā)現(xiàn)，由于UCDMA在發(fā)送數(shù)據(jù)包分組時(shí)釆用了動(dòng)態(tài)功率控制措施，所以其平均功率消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于General,這樣可以有效的節(jié)省能量，提高電池的壽命，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的范圍并不僅僅局限于本具體實(shí)施方式
的描述。
權(quán)利要求
1.一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法，其特征在于包括以下步驟(1)網(wǎng)絡(luò)中用于傳輸?shù)陌譃榭刂瓢蛿?shù)據(jù)包兩種類(lèi)型；控制包由“類(lèi)型”、“接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)”、“發(fā)送節(jié)點(diǎn)序號(hào)”、“最大允許功率”、“發(fā)送功率”和“干擾容限”六個(gè)域組成，其中“類(lèi)型”域可以為RTS、CTS或ACK；數(shù)據(jù)包由“接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)”、“發(fā)送節(jié)點(diǎn)序號(hào)”、“發(fā)送功率”和“數(shù)據(jù)信息”四個(gè)域組成，其中“數(shù)據(jù)信息”域中保存著需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息；節(jié)點(diǎn)在傳輸控制包時(shí)采用一個(gè)公共擴(kuò)頻碼，而傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)采用基于發(fā)送端的CDMA擴(kuò)頻碼，即從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的所有數(shù)據(jù)包都使用網(wǎng)絡(luò)中唯一的碼進(jìn)行擴(kuò)頻，接收端收到包以后使用對(duì)應(yīng)的碼字進(jìn)行解擴(kuò)；(2)如果節(jié)點(diǎn)j要發(fā)送一個(gè)包給節(jié)點(diǎn)i，它首先在信道上以最大功率Pmax，并使用公共擴(kuò)頻碼來(lái)發(fā)送一個(gè)RTS包，在這個(gè)RTS包的“最大允許功率”域中包含了最大允許功率等級(jí)Pmap(j)，這個(gè)功率為在不打斷j的鄰居節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行的接收的條件下，j可以使用的最大發(fā)送功率；(3)收到RTS包以后，節(jié)點(diǎn)i使用Pmax值和實(shí)際的接收功率Preceived(ij)來(lái)估計(jì)該時(shí)刻j和i之間的信道衰減值<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>G</mi> <mi>ji</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mi>P</mi> <mi>received</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ij</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>/</mo><msub> <mi>P</mi> <mi>max</mi></msub><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008100240240002C1.tif" wi="33" he="5" top= "117" left = "23" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>由下式計(jì)算出最小發(fā)送功率Pmin(ji)<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>min</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ji</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>η</mi> <mo>*</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>P</mi><mi>background</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>P</mi><mrow> <mi>MAI</mi> <mo>-</mo> <mi>current</mi></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow> </msubsup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msub><mi>G</mi><mi>ji</mi> </msub></mfrac> </mrow>]]></math></maths>這里PMAI-current(i)是節(jié)點(diǎn)i當(dāng)前的多址干擾MAI，它是由i周?chē)姓诎l(fā)送鄰居節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的；η*表示該節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)正確解碼所需的有用信號(hào)的能量和噪聲功率之比的閾值，Pbackground是水聲信道中各種噪聲功率之和；(4)節(jié)點(diǎn)i從收到的RTS包中的“最大允許功率”域獲得Pmap(j)的值，結(jié)合其鄰居節(jié)點(diǎn)情況選擇一個(gè)合適的發(fā)送功率Prans(ji)，具體過(guò)程如下如果<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>min</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ji</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>></mo><msubsup> <mi>P</mi> <mi>map</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2008100240240002C3.tif" wi="20" he="5" top= "196" left = "35" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>說(shuō)明節(jié)點(diǎn)i處的MAI很大，i回送一個(gè)CTS包，通知j它不能處理它的發(fā)送，j在退避一段隨機(jī)選擇的時(shí)間以后再重新發(fā)送RTS包；如果<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>min</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ji</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>≤</mo><msubsup> <mi>P</mi> <mi>map</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2008100240240002C4.tif" wi="20" he="5" top= "214" left = "35" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>令<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Δp</mi><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>P</mi><mi>map</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup><mi>P</mi><mi>min</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>ji</mi> <mo>)</mo></mrow> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>max</mi></msub><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0005" file="A2008100240240002C5.tif" wi="43" he="5" top= "214" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中Nmax為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最大鄰居數(shù)；如果該時(shí)刻i的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為Ni，那么在區(qū)間[(Ni-1)Δp，NiΔp]中等概率地隨機(jī)選取一個(gè)值ΔP，那么<maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>trans</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ji</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup> <mi>P</mi> <mi>min</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ji</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>ΔP</mi><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0006" file="A2008100240240002C6.tif" wi="30" he="5" top= "236" left = "20" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>Ptrans(ji)為i所確定的作為將來(lái)j發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)的發(fā)送功率；(5)節(jié)點(diǎn)i由Ptrans(ji)計(jì)算出冗余干擾功率PMAI-redundance(i)，它表示除了當(dāng)前的MAI，i還可以承受來(lái)自于鄰居節(jié)點(diǎn)額外的MAI的大??；i通過(guò)監(jiān)聽(tīng)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS/CTS來(lái)獲得最近一段時(shí)間i的鄰居節(jié)點(diǎn)中活躍節(jié)點(diǎn)的大致數(shù)目Nactive(i)，將冗余干擾功率PMAI-redundance(i)平均分配到其活躍的鄰居節(jié)點(diǎn)，分配給每個(gè)活躍鄰居節(jié)點(diǎn)的的干擾容限為<maths id="math0007" num="0007" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>allowed</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup> <mi>P</mi> <mrow><mi>MAI</mi><mo>-</mo><mi>redundance</mi> </mrow> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>/</mo><msubsup> <mi>N</mi> <mi>active</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0007" file="A2008100240240003C1.tif" wi="48" he="5" top= "29" left = "60" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>節(jié)點(diǎn)i在CTS包的“發(fā)送功率”域?qū)懭隤trans(ji)；除此以外，在“干擾容限”域中寫(xiě)入Pallowed(i)，并且將此CTS包回送給終端j；CTS包的發(fā)送功率也為Pmax，使用公共擴(kuò)頻碼；(6)節(jié)點(diǎn)i的一個(gè)潛在的干擾終端k可以監(jiān)聽(tīng)到i的CTS包，設(shè)k在某小段時(shí)間內(nèi)共收到K個(gè)這樣的包，則它使用接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算自身和終端i之間的信道衰減Gki；由Gki和從i的CTS包的“干擾容限”域中得到的Pallowed(i)，通過(guò)下式計(jì)算出功率Pmap(k)<maths id="math0008" num="0008" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>map</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>=</mo><munder> <mi>min</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>∈</mo><mi>K</mi> </mrow></munder><mo>{</mo><msubsup> <mi>P</mi> <mi>allowed</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>/</mo><msub> <mi>G</mi> <mi>kn</mi></msub><mo>}</mo> </mrow>]]></math></maths>(7)當(dāng)終端j收到終端i的CTS包以后，它從CTS包的“發(fā)送功率”域中得到數(shù)據(jù)包的發(fā)送功率Ptrans(ji)，將其寫(xiě)入數(shù)據(jù)包的“發(fā)送功率”中，并用此功率和基于發(fā)送端的CDMA擴(kuò)頻碼在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包；(8)當(dāng)接收端i收到數(shù)據(jù)包后，它先檢查它的存儲(chǔ)器隊(duì)列頭中等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的“接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)”域，如果該域中的值恰好為終端j，它就直接用該數(shù)據(jù)包作為j和i本次數(shù)據(jù)交互成功的響應(yīng)包，其作用相當(dāng)于A(yíng)CK包；如果隊(duì)列頭中的包不是即將發(fā)往終端j的，就正常響應(yīng)一個(gè)ACK包；這樣j和i就完成了一次交互過(guò)程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法，其特征在于，所述的控制包和 數(shù)據(jù)包中的"接收節(jié)點(diǎn)序號(hào)"為目的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，"發(fā)送節(jié)點(diǎn)序號(hào)"域?yàn)楫?dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法，其特征在于，所述的公共擴(kuò)頻 碼和基于發(fā)送端的CDMA擴(kuò)頻碼是完全正交的，而用于發(fā)送數(shù)據(jù)包的各個(gè)不同的CDMA擴(kuò)頻碼之間由于 水聲信道的時(shí)延和其自身的構(gòu)造，是不完全正交的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法，其特征在于，所述的包發(fā)送功 率的最大值為尸m^，所述的網(wǎng)絡(luò)中終端的最大鄰居數(shù)為A^M,所述的接收機(jī)正確解碼收到的包所需的有用信號(hào)能量和噪聲功率譜之比的閾值為^，這些量都是預(yù)先設(shè)定好的，對(duì)于所有節(jié)點(diǎn)都是相同的。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于CDMA水聲網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法，利用本方法可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延和能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。本發(fā)明采用CDMA的接入方式和分布式功率控制技術(shù)，參與信息傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)在保證不影響其鄰居節(jié)點(diǎn)正常收發(fā)的前提下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)地調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送功率，從而克服了CDMA系統(tǒng)中存在的遠(yuǎn)近效應(yīng)。同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)的媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法中的握手機(jī)制作了改進(jìn)，在滿(mǎn)足特定條件的情況下用數(shù)據(jù)包代替ACK作為成功交互的響應(yīng)。在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的條件下本發(fā)明都可以獲得很高的性能，從而可以有效地應(yīng)用于水聲網(wǎng)絡(luò)中可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號(hào)H04B13/00GK101567707SQ20081002402
公開(kāi)日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者華 余, 吉 奚, 力 趙, 鄒采榮, 昕 魏 申請(qǐng)人:力 趙