專利名稱：一種基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通 信方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，通信已經(jīng)成為一個(gè)陸?？杖S一體的需求網(wǎng)絡(luò)， 特別是以海洋為代表的水下通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為各國國防、通訊、監(jiān)視、探測(cè)等活動(dòng)中不可或 缺的一部分。迄今為止，在人們所熟知的各種輻射信號(hào)中以聲波在水中的傳播性能為最佳，因 此聲通信是目前水下無線通信的主要手段。由于吸收、散射、反射、幾何擴(kuò)展等因素的影響， 高頻聲信號(hào)在水中的傳播衰減非常大，使得水聲通信的可利用頻帶非常有限，因此在多用 戶的水聲通信系統(tǒng)中，如何有效地分配和利用有限的頻譜資源是一個(gè)技術(shù)難題?，F(xiàn)有的水 下頻譜共享技術(shù)主要有時(shí)分多址(TDMA)、載波偵聽多路訪問(CSMA)、頻分多址(FDMA)等 幾種，但這些技術(shù)應(yīng)用到水聲通信時(shí)存在著較大的局限性，例如TDMA技術(shù)要求精確的定 時(shí)和同步條件，在水下通信的大傳播延時(shí)環(huán)境下很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，為避免相鄰時(shí)隙信息的干 擾，往往需要在數(shù)據(jù)傳輸過程中插入長(zhǎng)度至少為最大傳播時(shí)延的保護(hù)間隔，明顯降低通信 的效率；CSMA技術(shù)中大的傳播延時(shí)，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間多次沖突，從而造成節(jié)點(diǎn)能量的多次消 耗，互相交換控制信息則需要大量時(shí)間，同樣降低通信效率；FDMA技術(shù)雖然不受大傳播時(shí) 延的影響，但目前靜態(tài)的FDMA方案在多路通信的情況下，會(huì)造成某些頻道擁擠而部分頻道 空閑的情況，頻譜利用率不高。認(rèn)知無線電(Cognitive radio)技術(shù)是近年來陸上無線通信研究中提出的一種智 能通信新技術(shù)，它的基本思想是讓無線終端通過感知周圍無線環(huán)境的歷史和當(dāng)前狀況來調(diào) 整自己的傳輸參數(shù)，使用最合適的無線資源(包括頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等)來完成無 線傳輸，主要涉及頻譜感知技術(shù)和頻譜分析、決定、分配及移動(dòng)等頻譜資源管理等技術(shù)。由 于認(rèn)知無線電的思想能讓無線終端高效地利用頻譜資源、適應(yīng)多變的無線環(huán)境，因此在頻 帶有限、環(huán)境復(fù)雜的水下通信，特別是多用戶、高速率的水下通信中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?但由于聲波在水中的傳播速度遠(yuǎn)小于電磁波在空氣中的傳播速度(聲波在水中的傳播速 度約為1500米/秒，僅為電磁波在空氣中傳播速度的二十萬分之一)，使得水下頻譜感知與 陸上頻譜感知相比具有非實(shí)時(shí)和異步的特點(diǎn)一方面，由于水下通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常分 布比較稀疏，距離較遠(yuǎn)，因此傳播時(shí)延非常大，節(jié)點(diǎn)獲得的頻譜感知信息并非實(shí)時(shí)的待測(cè)頻 道的使用狀態(tài)信息；另一方面，當(dāng)被感知節(jié)點(diǎn)與認(rèn)知終端的距離差別較大時(shí)，它們發(fā)出的聲 信號(hào)到達(dá)認(rèn)知終端時(shí)會(huì)有明顯的時(shí)間差，即在水聲通信中，認(rèn)知終端感知到的環(huán)境信息常 常是異步的。這些都顯著地增加了后續(xù)的頻譜分配處理的難度。在陸上無線通信中，現(xiàn)有的認(rèn)知無線電信道狀態(tài)感知和預(yù)測(cè)方法可以利用信道的 統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算出信道的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，進(jìn)而可以根據(jù)信道初始時(shí)刻處于各狀態(tài)的概率 來預(yù)測(cè)以后其任一時(shí)刻各狀態(tài)的概率，可以有效地減少數(shù)據(jù)碰撞、提高頻譜利用率，但由于電磁波在空氣中的傳播速度很快，因此通常都假設(shè)感知的頻譜信息是實(shí)時(shí)和同步的，不能 有效地處理水下頻譜感知的非實(shí)時(shí)和異步信息，目前的水下通信技術(shù)中也尚無有效的解決 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種能有效地處理水下頻譜感知 中的非實(shí)時(shí)和異步信息，提高頻譜利用率，減少節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碰撞概率和接入時(shí)延的基 于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法，包括下列步驟步驟1 網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)按預(yù)定的感知時(shí)間間隔周期性地對(duì)各頻道感知，獲取頻道 的使用狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)信息，計(jì)算各頻道的統(tǒng)計(jì)占用概率及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，并對(duì)各個(gè)頻道 的使用狀態(tài)建立預(yù)測(cè)模型；步驟2 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)對(duì)各頻道進(jìn)行頻譜感知，若某頻 道正在被占用，則該節(jié)點(diǎn)接收并解調(diào)正在各頻道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如果某頻道的數(shù)據(jù)可以被 解調(diào)且能提取時(shí)間信息，則根據(jù)提取的時(shí)間信息估計(jì)該頻道數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；如果某頻道的 數(shù)據(jù)不能被解調(diào)或無法從解調(diào)的數(shù)據(jù)中提取時(shí)間信息，則將該頻道的時(shí)延信息標(biāo)注為缺 失；若該節(jié)點(diǎn)感知到某頻道該時(shí)刻空閑，則將該頻道的時(shí)延信息標(biāo)注為缺失；步驟3:將步驟2中感知到的各頻道使用狀態(tài)作為初始狀態(tài)，當(dāng)某頻道的數(shù)據(jù)傳輸 時(shí)延能估計(jì)出來時(shí)，利用步驟1中得到的各頻道使用狀態(tài)的預(yù)測(cè)模型對(duì)當(dāng)前該頻道的使用 狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算當(dāng)前該頻道被占用的概率；當(dāng)某頻道的時(shí)延信息缺失時(shí)，將各頻道的統(tǒng) 計(jì)占用概率作為當(dāng)前該頻道被占用的概率；步驟4 該節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟3計(jì)算得到各頻道被占用概率與規(guī)定門限值比較，比較結(jié) 果分為A、若計(jì)算的頻道占用概率均大于門限值，則該頻道當(dāng)前不可用，該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻 沒有合適頻道可以接入；B、若計(jì)算的頻道占用概率小于門限值且該頻道的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小于等于步驟1 所述的預(yù)定的感知時(shí)間間隔，則當(dāng)前時(shí)刻該頻道可用，該節(jié)點(diǎn)直接接入；C、若計(jì)算的頻道占用概率小于門限值且該頻道的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延大于步驟1所述 的預(yù)定的感知時(shí)間間隔，則當(dāng)前時(shí)刻該頻道可用，但該節(jié)點(diǎn)不能直接接入。步驟5 節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟2中感知到的各頻道使用狀態(tài)及時(shí)延信息，更新各頻道的統(tǒng) 計(jì)占用概率和預(yù)測(cè)模型。所述的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法中，步驟1所述預(yù)測(cè)模型為馬爾 科夫鏈預(yù)測(cè)模型A(n) = A(O)Pn，其中A(O)表示初始時(shí)刻各個(gè)頻道的狀態(tài)概率矩陣，P為 狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，A(n)為η時(shí)刻各個(gè)頻道的狀態(tài)概率矩陣。所述的水下多路通信方法中，步驟2所述各頻道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是定時(shí)、間隔地在 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包上加入時(shí)間標(biāo)簽。所述的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法中，步驟4中A項(xiàng)各頻道被占用 概率均大于規(guī)定門限值時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)1經(jīng)步驟5返回步驟2，直至找到可用的合適頻道。
所述的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法中，步驟4中C項(xiàng)所述節(jié)點(diǎn)再次 感知該所述頻道，感知次數(shù)為該頻道數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延長(zhǎng)度與步驟1所述的預(yù)定的感知時(shí)間間 隔的比值，直至每次感知、預(yù)測(cè)結(jié)果均表示該所述頻道可用，該節(jié)點(diǎn)才接入。所述的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法中，步驟5是采用雙端隊(duì)列方 式，即每加入一個(gè)新的感知信息，則去除最前的一個(gè)統(tǒng)計(jì)信息來更新各頻道的統(tǒng)計(jì)信息。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是1.針對(duì)水下通信大傳播時(shí)延造成的非實(shí)時(shí)性及異步性問題，本發(fā)明通過對(duì)各個(gè)頻 道的使用狀態(tài)信息建立預(yù)測(cè)模型，利用占用頻道的節(jié)點(diǎn)的時(shí)延信息來預(yù)測(cè)頻道當(dāng)前的使用 狀態(tài)，減少了多路通信的數(shù)據(jù)碰撞概率，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率。2.本發(fā)明提供的頻譜預(yù)測(cè)機(jī)制，使得節(jié)點(diǎn)可以快速接入空閑頻道，減少了接入時(shí) 延，提高了通信效率。3.本發(fā)明提供的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法，可以有效的解決水下 可用頻帶窄的問題，減少節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碰撞概率，節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的水下多路通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的水下多路通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的工作流程圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的水下頻道馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的圖論著色模型圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但本發(fā)明的實(shí)施 和保護(hù)范圍不限于此。參見圖1、圖2，本發(fā)明實(shí)施例為一個(gè)主要由6個(gè)獨(dú)立的水下節(jié)點(diǎn)組成的水下多路 通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)支持3個(gè)頻道，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)包括水聲換能 器(接收換能器和發(fā)射換能器)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器；水聲換能器用于聲信 號(hào)和電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換；A/D和D/A轉(zhuǎn)換器用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號(hào)處理 器用于對(duì)接收/發(fā)射信號(hào)的處理，包括解調(diào)/加入時(shí)間標(biāo)簽、對(duì)各頻道建模并計(jì)算各頻道被 占用概率。接收換能器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器和D/A轉(zhuǎn)換器、發(fā)射換能器依次信號(hào) 連接。節(jié)點(diǎn)的裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。本發(fā)明實(shí)施例主要工作流程圖如圖3所示，主要包括如下步驟步驟1 網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)按預(yù)定的感知時(shí)間間隔周期性地對(duì)各頻道感知，獲取頻道 的使用狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)信息，計(jì)算各頻道的統(tǒng)計(jì)占用概率及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，并對(duì)各個(gè)頻道 的使用狀態(tài)建立預(yù)測(cè)模型。每個(gè)頻道分為占用、空閑兩種狀態(tài)，分別用“0”、“1”表示。約定無節(jié)點(diǎn)利用該頻道 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，認(rèn)為是空閑；反之，則為占用。頻道的馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。備節(jié)點(diǎn)選取一定長(zhǎng)度時(shí)間、周期性地選擇待測(cè)頻道等間隔感知其狀態(tài)信息，接收 換能器接收感知信息。感知時(shí)間長(zhǎng)度取決于節(jié)點(diǎn)所處的通信環(huán)境，時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)獲取的頻道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息越充分，頻譜預(yù)測(cè)的結(jié)果也就更精確。各節(jié)點(diǎn)獲得各頻道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息后，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)數(shù)字信號(hào)處理器，利用馬 爾科夫鏈預(yù)測(cè)模型對(duì)各頻道狀態(tài)信息進(jìn)行建模，計(jì)算得出各頻道的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣及統(tǒng) 計(jì)占用概率。馬爾可夫過程是較普遍隨機(jī)過程的一種，該過程考慮了當(dāng)前事件對(duì)后來事件的影 響，即從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)，隨時(shí)間變化所作的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，且狀態(tài)轉(zhuǎn)移具有概率性 質(zhì)。時(shí)間離散、狀態(tài)離散的馬爾可夫過程稱為馬爾可夫鏈。對(duì)一重(一階)平穩(wěn)的馬爾可 夫鏈，系統(tǒng)每次轉(zhuǎn)移，僅依賴于前一次的狀態(tài)i與更前一次的狀態(tài)i_l無關(guān)，且這個(gè)概率與 幾次轉(zhuǎn)移無關(guān)。馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)模型為A(n) = A(O)Pn，其中A(O)表示初始時(shí)刻各個(gè)頻道的狀態(tài) 概率矩陣，A(n)為η時(shí)刻各個(gè)頻道的狀態(tài)概率矩陣，P為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，結(jié)合本實(shí)例，P 可用下式表示 其中，Ptltl表示從狀態(tài)“0” 一步轉(zhuǎn)移到狀態(tài)“0”的概率；Ptll表示從狀態(tài)“0” 一步轉(zhuǎn) 移到狀態(tài)“ 1，，的概率；Pltl表示從狀態(tài)“ 1，，一步轉(zhuǎn)移到狀態(tài)“0”的概率；P11表示從狀態(tài)“ 1，， 一步轉(zhuǎn)移到狀態(tài)“1”的概率。t到t+Ι時(shí)刻，狀態(tài)從Si轉(zhuǎn)移為S」的頻數(shù)與總頻數(shù)η之 比，則為狀態(tài)Si轉(zhuǎn)移為Sj的轉(zhuǎn)移概率Pij = nij/n。步驟2 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)對(duì)各頻道進(jìn)行頻譜感知，若某頻 道正在被占用，則該節(jié)點(diǎn)接收并解調(diào)正在各頻道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如果某頻道的數(shù)據(jù)可以被 解調(diào)且能提取時(shí)間信息，則根據(jù)提取的時(shí)間信息估計(jì)該頻道數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；如果某頻道的 數(shù)據(jù)不能被解調(diào)或無法從解調(diào)的數(shù)據(jù)中提取時(shí)間信息，則將該頻道的時(shí)延信息標(biāo)注為缺 失；若該節(jié)點(diǎn)感知到某頻道該時(shí)刻空閑，則將該頻道的時(shí)延信息標(biāo)注為缺失；為解決水下大傳播延時(shí)造成的獲取信息的非實(shí)時(shí)性和異步性問題，本發(fā)明實(shí)施例 規(guī)定利用頻道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿總€(gè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)、間隔的在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包上加入時(shí)間標(biāo)簽，感 知節(jié)點(diǎn)通過解調(diào)感知信息獲得的時(shí)間標(biāo)簽來估計(jì)該頻道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延。本實(shí)例中，假設(shè)t時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4需要傳輸數(shù)據(jù)，則以節(jié)點(diǎn)1為例，首先選擇 頻道a進(jìn)行感知，接收換能器收到感知信息后，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，送到數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行 解調(diào)。如果節(jié)點(diǎn)1能夠解調(diào)并提取出時(shí)間信息t-i，則可據(jù)此估計(jì)出該頻道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延 為1，且t時(shí)刻感知到的頻道狀態(tài)實(shí)際上是t-Ι時(shí)刻的頻道使用狀態(tài)，即t-Ι時(shí)刻頻道a被 占用。同理，節(jié)點(diǎn)1依次選擇頻道b、頻道c分別進(jìn)行感知，分別得到頻道b和頻道c的時(shí) 延信息和狀態(tài)信息；如果距離太遠(yuǎn)，衰減過大，節(jié)點(diǎn)1不能解調(diào)某頻道的數(shù)據(jù)或無法從解調(diào) 的數(shù)據(jù)中提取時(shí)間信息，如節(jié)點(diǎn)1與頻道c相距較遠(yuǎn)，無法解調(diào)感知信息或不能提取時(shí)間標(biāo) 簽，則節(jié)點(diǎn)1將頻道c的時(shí)延信息標(biāo)注為缺失；若節(jié)點(diǎn)1該時(shí)刻感知到某頻道如頻道b為空 閑，無法提取時(shí)間信息，估計(jì)出時(shí)延，則同樣將頻道b的時(shí)延信息標(biāo)注為缺失。同理，節(jié)點(diǎn)4依次對(duì)頻道a、頻道b、頻道c進(jìn)行感知，獲取各頻道的使用狀態(tài)信息 和時(shí)延信息。步驟3 將步驟2中感知到的各頻道使用狀態(tài)作為初始狀態(tài)，當(dāng)某頻道的數(shù)據(jù)傳輸 時(shí)延能估計(jì)出來時(shí)，利用步驟1中得到的各頻道使用狀態(tài)的預(yù)測(cè)模型對(duì)當(dāng)前該頻道的使用狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算當(dāng)前該頻道被占用的概率；當(dāng)某頻道的時(shí)延信息缺失時(shí)，將各頻道的統(tǒng) 計(jì)占用概率作為當(dāng)前該頻道被占用的概率；本實(shí)例中，t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)1在步驟2中分別得到了頻道a、頻道b、頻道c的使用狀態(tài) 信息，對(duì)于頻道a，得到其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為1，且t-Ι時(shí)刻頻道a被占用。相應(yīng)的，馬爾科夫 鏈預(yù)測(cè)模型中頻道a初始時(shí)刻的狀態(tài)概率矩陣為Aa(t-1) = (pa(l pal) = (0 1)，帶入預(yù)測(cè)模 型A(n) =A(O)Pn(其中狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P在步驟1中已得到)，就可以計(jì)算出t時(shí)刻頻 道a的狀態(tài)概率矩陣；對(duì)于頻道b和頻道c，由于其時(shí)延信息均為缺失，則根據(jù)步驟1中求 得的統(tǒng)計(jì)占用概率作為當(dāng)前該頻道被占用的概率。同理，節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)1采用相同的處理方法預(yù)測(cè)出當(dāng)前各頻道的占用概率。步驟4 節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟3計(jì)算得到各頻道被占用概率，選擇接入的頻道；結(jié)合本實(shí)例，節(jié)點(diǎn)1啟動(dòng)數(shù)字信號(hào)處理器把步驟3中計(jì)算出的3個(gè)頻道的占用概 率相比較，選取占用概率最小的頻道，并將其占用概率值與規(guī)定的門限值作比較，比較結(jié)果 有以下幾種情況 (1)若占用概率值小于門限值，并且如果該頻道的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為小于等于預(yù)定 的感知時(shí)間間隔，則當(dāng)前時(shí)刻該頻道可用，節(jié)點(diǎn)1可以直接接入；(2)若占用概率值小于門限值，并且如果該頻道的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延大于預(yù)定的感知 時(shí)間間隔，則規(guī)定當(dāng)前時(shí)刻該頻道雖可用，但節(jié)點(diǎn)1不能直接接入，需要再次感知該頻道， 感知次數(shù)為該頻道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延長(zhǎng)度與周期性感知時(shí)間間隔的比值，直至每次感知、預(yù) 測(cè)結(jié)果均表示該頻道可用，節(jié)點(diǎn)1才接入；(3)若占用概率值大于門限值，則表示當(dāng)前時(shí)刻該頻道不可用，其他兩個(gè)占用概率 大的頻道更不可用，節(jié)點(diǎn)1在當(dāng)前時(shí)刻沒有合適頻道可以接入，此時(shí)，節(jié)點(diǎn)1經(jīng)步驟5返回 步驟2，重新感知頻道狀態(tài)，進(jìn)行新一輪的預(yù)測(cè)工作，直至找到可用的合適頻道。節(jié)點(diǎn)4預(yù)測(cè)結(jié)果的處理方法同節(jié)點(diǎn)1。該處理方法可以有效減少由于同一頻道感 知信息到達(dá)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的異步性且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果為同一個(gè)頻道而造成的數(shù)據(jù)碰撞概率， 例如，若節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4同時(shí)預(yù)測(cè)頻道a可用，但節(jié)點(diǎn)1對(duì)頻道a的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小于等于 預(yù)定的感知時(shí)間間隔，而節(jié)點(diǎn)4的時(shí)延為大于預(yù)定感知時(shí)間間隔，則節(jié)點(diǎn)1可根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果 直接選擇頻道a進(jìn)行接入，而節(jié)點(diǎn)4在對(duì)頻道a進(jìn)行第二次感知時(shí)獲知頻道a已經(jīng)被占用， 則放棄頻道a，重新選擇可用頻道，這樣可有效避免兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在頻道a的數(shù)據(jù)碰撞。本發(fā)明實(shí)施例應(yīng)用圖論著色模型對(duì)各節(jié)點(diǎn)感知及預(yù)測(cè)到的可用頻道進(jìn)行頻譜分 配，模型圖如圖5所示。首先將感知節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象成圖，圖中的每一個(gè)頂 點(diǎn)代表感知節(jié)點(diǎn)，每一條邊表示一對(duì)頂點(diǎn)間的沖突或者干擾，即如果圖中的某兩個(gè)頂點(diǎn)由 一條邊連接，則這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)使用相同的頻譜；然后，將每一個(gè)頂點(diǎn)與一個(gè)集合相關(guān) 聯(lián)，這個(gè)集合代表該頂點(diǎn)所在區(qū)域位置可以使用的頻譜資源(由頻譜感知及預(yù)測(cè)得到)，由 于每個(gè)頂點(diǎn)地理位置的不同，因而不同頂點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的資源集合是不同的，同時(shí)規(guī)定當(dāng)兩個(gè) 不同頂點(diǎn)間存在m色邊(頻道m(xù))的時(shí)候，這兩個(gè)頂點(diǎn)不能同時(shí)著m色；最后，應(yīng)用圖論著色 理論對(duì)基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻譜分配。此外，本發(fā)明實(shí)施例還可以應(yīng)用目 前常見的其他頻譜分配算法如基于干擾溫度模型、博弈論模型、拍賣競(jìng)價(jià)模型等的頻譜分 配算法對(duì)各節(jié)點(diǎn)感知及預(yù)測(cè)到的可用頻道進(jìn)行分配。步驟5 根據(jù)步驟2中感知到的各頻道使用狀態(tài)及時(shí)延信息，更新各頻道的統(tǒng)計(jì)占用概率和預(yù)測(cè)模型；為避免節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)信息太長(zhǎng)造成嚴(yán)重負(fù)荷，本發(fā)明中規(guī)定節(jié)點(diǎn)感知各個(gè)頻道的 統(tǒng)計(jì)信息采用雙端隊(duì)列方式進(jìn)行存儲(chǔ)，每加入一個(gè)新的感知信息，則去除最前的一個(gè)統(tǒng)計(jì) 信息，這樣保證各頻道的統(tǒng)計(jì)占用概率不斷的更新，保證頻道預(yù)測(cè)的準(zhǔn) 確性。結(jié)合本實(shí)例，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4對(duì)各頻道每進(jìn)行一次頻譜感知和預(yù)測(cè)，則將新的感知 信息加入到存儲(chǔ)的該頻道的統(tǒng)計(jì)信息中，同時(shí)，從雙端隊(duì)列中去除最前的一個(gè)統(tǒng)計(jì)信息，保 證各個(gè)頻道統(tǒng)計(jì)概率模型不斷的更新，從而提高頻道預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
權(quán)利要求
一種基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法，其特征在于包括下列步驟步驟1網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)按預(yù)定的感知時(shí)間間隔周期性地對(duì)各頻道感知，獲取頻道的使用狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)信息，計(jì)算各頻道的統(tǒng)計(jì)占用概率及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，并對(duì)各個(gè)頻道的使用狀態(tài)建立預(yù)測(cè)模型；步驟2當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)對(duì)各頻道進(jìn)行頻譜感知，若某頻道正在被占用，則該節(jié)點(diǎn)接收并解調(diào)正在各頻道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如果某頻道的數(shù)據(jù)可以被解調(diào)且能提取時(shí)間信息，則根據(jù)提取的時(shí)間信息估計(jì)該頻道數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；如果某頻道的數(shù)據(jù)不能被解調(diào)或無法從解調(diào)的數(shù)據(jù)中提取時(shí)間信息，則將該頻道的時(shí)延信息標(biāo)注為缺失；若該節(jié)點(diǎn)感知到某頻道該時(shí)刻空閑，則將該頻道的時(shí)延信息標(biāo)注為缺失；步驟3將步驟2中感知到的各頻道使用狀態(tài)作為初始狀態(tài)，當(dāng)某頻道的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延能估計(jì)出來時(shí)，利用步驟1中得到的各頻道使用狀態(tài)的預(yù)測(cè)模型對(duì)當(dāng)前該頻道的使用狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算當(dāng)前該頻道被占用的概率；當(dāng)某頻道的時(shí)延信息缺失時(shí)，將各頻道的統(tǒng)計(jì)占用概率作為當(dāng)前該頻道被占用的概率；步驟4該節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟3計(jì)算得到各頻道被占用概率與規(guī)定門限值比較，比較結(jié)果分為A、若計(jì)算的頻道占用概率均大于門限值，則該頻道當(dāng)前不可用，該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻沒有合適頻道可以接入；B、若計(jì)算的頻道占用概率小于門限值且該頻道的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小于等于步驟1所述的預(yù)定的感知時(shí)間間隔，則當(dāng)前時(shí)刻該頻道可用，該節(jié)點(diǎn)直接接入；C、若計(jì)算的頻道占用概率小于門限值且該頻道的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延大于步驟1所述的預(yù)定的感知時(shí)間間隔，則當(dāng)前時(shí)刻該頻道可用，但該節(jié)點(diǎn)不能直接接入。步驟5節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟2中感知到的各頻道使用狀態(tài)及時(shí)延信息，更新各頻道的統(tǒng)計(jì)占用概率和預(yù)測(cè)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法，其特征在于步 驟1所述預(yù)測(cè)模型為馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)模型A(n) = A(O)Pn，其中A(O)表示初始時(shí)刻各個(gè)頻 道的狀態(tài)概率矩陣，P為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，A(η)為η時(shí)刻各個(gè)頻道的狀態(tài)概率矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多路通信方法，其特征在于步驟2所述各頻道中傳輸 的數(shù)據(jù)是定時(shí)、間隔地在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包上加入時(shí)間標(biāo)簽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法，其特征在于步 驟4中A項(xiàng)各頻道被占用概率均大于規(guī)定門限值時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)1經(jīng)步驟5返回步驟2，直至 找到可用的合適頻道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法，其特征在于步 驟4中C項(xiàng)所述節(jié)點(diǎn)再次感知該所述頻道，感知次數(shù)為該頻道數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延長(zhǎng)度與步驟1 所述的預(yù)定的感知時(shí)間間隔的比值，直至每次感知、預(yù)測(cè)結(jié)果均表示該所述頻道可用，該節(jié) 點(diǎn)才接入。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法，其特征在于步 驟5是采用雙端隊(duì)列方式，即每加入一個(gè)新的感知信息，則去除最前的一個(gè)統(tǒng)計(jì)信息來更 新各頻道的統(tǒng)計(jì)信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及水下通信技術(shù)領(lǐng)域，目的是提供一種基于頻譜感知及預(yù)測(cè)的水下多路通信方法。本發(fā)明首先對(duì)各個(gè)頻道的使用狀態(tài)信息建立預(yù)測(cè)模型，然后利用占用頻道的節(jié)點(diǎn)的時(shí)延信息來預(yù)測(cè)頻道當(dāng)前的使用狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上選擇合適的頻道進(jìn)行通信，本發(fā)明提供的頻譜預(yù)測(cè)機(jī)制，使得節(jié)點(diǎn)可以快速接入空閑頻道，減少了接入時(shí)延，提高了通信效率。本發(fā)明通過對(duì)各個(gè)頻道的使用狀態(tài)信息建立預(yù)測(cè)模型，利用占用頻道的節(jié)點(diǎn)的時(shí)延信息來預(yù)測(cè)頻道當(dāng)前的使用狀態(tài)，減少了多路通信的數(shù)據(jù)碰撞概率，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率，節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。
文檔編號(hào)H04B17/00GK101867420SQ20101020468
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者寧更新, 張軍, 張艷莉, 韋崗 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)