本發(fā)明涉及水下認(rèn)知聲學(xué)通信中生物定位，頻譜分配與功率控制的方法。

背景技術(shù)：

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，也稱為水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(UnderwaterWireless SensorNetworks，UWSNs)由批量部署在水下的傳感器組成，是以無(wú)線方式通信的網(wǎng)絡(luò)。UWSNs使用的聲頻譜范圍，與以海洋生物為首的“自然聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)”頻譜范圍有大部分重疊，為哺乳動(dòng)物帶來(lái)環(huán)境噪聲，干擾著水生生物的生活。所以，引入認(rèn)知技術(shù)，使節(jié)點(diǎn)可以感知到環(huán)境中的海洋生物，并進(jìn)行合理的信道分配及功率控制，使UWSNs環(huán)境友好地工作就顯得尤為重要。

現(xiàn)有的UWSNs頻譜決策方法采用全向通信節(jié)點(diǎn)——節(jié)點(diǎn)通信范圍為球體，信道空間復(fù)用率低，未能在避免干擾海洋生物的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。若采用指向性通信節(jié)點(diǎn)，可有效降低節(jié)點(diǎn)間干擾，更大程度的實(shí)現(xiàn)信道空間復(fù)用，進(jìn)而提高吞吐量。節(jié)點(diǎn)的指向性通信可通過使用部署指向性水聲換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。水聲換能器是實(shí)現(xiàn)聲電/電聲信號(hào)轉(zhuǎn)換的重要部件，其中指向性換能器的發(fā)射聲能主要集中于空間某一方向，其余方向上則僅有少量聲能。其最大輻射波束稱為主瓣，在最大輻射方向兩側(cè)，輻射功率下降3dB的兩邊夾角α稱為波束寬度。

在UWSNs中使節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指向性通信時(shí)，若距離較近的兩對(duì)節(jié)點(diǎn)均位于彼此輻射范圍之外，這兩對(duì)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)通信而不產(chǎn)生干擾；當(dāng)節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)海洋生物但在節(jié)點(diǎn)輻射范圍之外時(shí)，節(jié)點(diǎn)頻譜及功率可不受海洋生物限制。若假設(shè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全向輻射，那么當(dāng)一對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，另一對(duì)節(jié)點(diǎn)必須停止工作，避免產(chǎn)生干擾，當(dāng)節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)海洋生物時(shí)，節(jié)點(diǎn)頻譜及功率必須受到海洋生物的限制，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的通信。因此所有默認(rèn)節(jié)點(diǎn)全向發(fā)送的傳統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)會(huì)在一定程度上造成頻譜未充分利用的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了提高水下傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，提高信道容量和頻譜利用率，改善海洋哺乳動(dòng)物與水下傳感器網(wǎng)絡(luò)友好共存的問題，提出了一種指向性頻譜決策方法。采用如下技術(shù)方案：

一種指向性環(huán)境友好頻譜決策方法，包括下列步驟：

a.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，向認(rèn)知中心發(fā)出通信請(qǐng)求，請(qǐng)求包括自身坐標(biāo)、發(fā)包數(shù)量、擬通信方向及波束寬度α，認(rèn)知中心收到源節(jié)點(diǎn)的通信請(qǐng)求后，決定是否同意該源節(jié)點(diǎn)通信并回復(fù)結(jié)果；

b.源節(jié)點(diǎn)的通信請(qǐng)求被同意后，進(jìn)行環(huán)境感知，判斷周圍是否存在海洋生物，并將結(jié)果發(fā)送至認(rèn)知中心；

c.認(rèn)知中心進(jìn)行海洋生物定位，判斷節(jié)點(diǎn)波束寬度為α的通信范圍內(nèi)是否存在海洋生物，若存在，判斷其到節(jié)點(diǎn)的距離；考慮到海洋生物處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將通信范圍邊界擴(kuò)展，降低定位誤差；將擴(kuò)展后的通信范圍稱為安全范圍；

d.認(rèn)知中心將安全范圍內(nèi)存在海洋生物的節(jié)點(diǎn)存于集合E，再基于香農(nóng)定理，以系統(tǒng)容量最大化為目標(biāo)、海洋生物行為受影響閾值為限定條件定義優(yōu)化方程，通過求解最優(yōu)化問題進(jìn)行信道功率聯(lián)合分配，并將分配結(jié)果發(fā)送至源節(jié)點(diǎn)；

e.源節(jié)點(diǎn)收到認(rèn)知中心的分配結(jié)果后，開始向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，通信過程中源節(jié)點(diǎn)需定時(shí)進(jìn)行環(huán)境感知，發(fā)現(xiàn)與海洋生物沖突后，申請(qǐng)更換信道；

f.目的節(jié)點(diǎn)接收完畢后，回復(fù)ACK結(jié)束通信。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明工作流程圖

圖2是本發(fā)明水下傳感器節(jié)點(diǎn)與海洋哺乳動(dòng)物分布示意圖

圖3(a)(b)(c)分別是本發(fā)明海洋生物、通信范圍和安全范圍的關(guān)系

具體實(shí)施方式

一種指向性環(huán)境友好頻譜決策方法，即換能器波束呈α角向某一方向輻射，環(huán)境友好地進(jìn)行海洋生物定位以及頻譜功率聯(lián)合分配的方法。本發(fā)明中，水下網(wǎng)絡(luò)采用集中式的頻譜分配及功率控制策略，海面基站充當(dāng)認(rèn)知中心，傳感器節(jié)點(diǎn)充當(dāng)認(rèn)知用戶，傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已知。本發(fā)明對(duì)海洋生物的定位只需要判斷生物是否在節(jié)點(diǎn)輻射范圍內(nèi)，而無(wú)需得出海洋生物具體坐標(biāo)，且在海洋生物處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、通信時(shí)延長(zhǎng)的條件下保證較低錯(cuò)誤率。定位結(jié)束后，將輻射范圍內(nèi)存在海洋生物的節(jié)點(diǎn)定義為集合E。當(dāng)節(jié)點(diǎn)屬于集合E時(shí)，其功率同時(shí)受到硬件與海洋生物門限值的限制，反之，僅受硬件限制。本發(fā)明包括下列步驟：

a.選定5km*5km的平面區(qū)域，區(qū)域內(nèi)存在4對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)，如圖2。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，向認(rèn)知中心發(fā)出通信請(qǐng)求，請(qǐng)求包括自身坐標(biāo)、發(fā)包數(shù)量、擬通信方向及角度α，認(rèn)知中心收到認(rèn)知用戶的通信請(qǐng)求后，綜合各種因素決定是否同意該源節(jié)點(diǎn)通信并將結(jié)果返回至源節(jié)點(diǎn)。

b.源節(jié)點(diǎn)的通信請(qǐng)求被同意后，節(jié)點(diǎn)對(duì)進(jìn)行環(huán)境感知并將結(jié)果發(fā)送至認(rèn)知中心，認(rèn)知中心進(jìn)行海洋生物定位：

(1)以節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)，角度為α的扇形區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)通信范圍。通信前，源節(jié)點(diǎn)將角α平分線對(duì)準(zhǔn)目的節(jié)點(diǎn)，喚醒目的節(jié)點(diǎn)后兩節(jié)點(diǎn)針對(duì)海洋生物到節(jié)點(diǎn)的距離d和附近其他節(jié)點(diǎn)信道使用情況進(jìn)行感知。海洋生物運(yùn)動(dòng)速度為vm/s，其距離通信范圍邊界為ym，節(jié)點(diǎn)感知到海洋生物到節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為ts，定位誤差定義為感知到海洋生物在節(jié)點(diǎn)通信范圍之內(nèi)(外)，但節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)海洋生物運(yùn)動(dòng)到通信范圍之外(內(nèi))。

(2)要求定位誤差不大于e時(shí)，通過公式：cos-1(y/vs)/π≤e得到y(tǒng)，并將通信范圍邊界擴(kuò)展距離y，擴(kuò)展后的范圍稱為安全范圍。

(3)以目的節(jié)點(diǎn)為圓心，d為半徑的圓在安全范圍內(nèi)時(shí)，即圓與安全范圍邊界無(wú)交點(diǎn)或有且僅有兩個(gè)交點(diǎn)。則認(rèn)為安全范圍內(nèi)有海洋生物，定位結(jié)束；反之，求出交點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的距離：d1,d2，若感知到的海洋生物到節(jié)點(diǎn)的距離位于兩者之間，則認(rèn)為安全范圍內(nèi)無(wú)海洋生物，反之認(rèn)為安全范圍內(nèi)存在海洋生物。將范圍內(nèi)存在海洋生物的節(jié)點(diǎn)存與集合E：

步驟1：第k個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)共感知到sum只海洋生物，第i只到源節(jié)點(diǎn)的距離為d_mi，到目的節(jié)點(diǎn)的距離為d_ni，初始i＝0；設(shè)源節(jié)點(diǎn)m坐標(biāo)為(x_m,y_m)、目的節(jié)點(diǎn)n坐標(biāo)為(x_n,y_n)，s為安全范圍邊界距通信范圍邊界的距離，集合B、E初始為空集；

步驟2：若sum等于0，轉(zhuǎn)至步驟5；否則，從感知到的第一只起，即i＝1；

步驟3：求解方程組

步驟4：若方程組無(wú)解或有且僅有一個(gè)解，如圖3(a)(b)所示，判定范圍內(nèi)有海洋生物，將相應(yīng)的d_mi保存至集合A中。若如圖3(c)，有兩個(gè)不同解：(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，則求出兩點(diǎn)到m的距離d₁、d₂，若min{d₁，d₂}＜d_mi<max{d₁，d₂}，直接轉(zhuǎn)至步驟5，否則將相應(yīng)的d_mi保存至集合B中；

步驟5：若B為非空集合，檢索其中元素，使得D_min＝min d_mi，并將該節(jié)點(diǎn)保存至集合E，否則算法繼續(xù)；

步驟6：，若i<sum，使i值加一，返回至步驟2；i＝sum時(shí)，針對(duì)下一對(duì)節(jié)點(diǎn)重復(fù)算法1，直至遍歷所有節(jié)點(diǎn)。

c.認(rèn)知中心基于海洋生物定位的結(jié)果進(jìn)行信道功率聯(lián)合分配，并將分配結(jié)果發(fā)送至源節(jié)點(diǎn)：

(1)在UWSNs系統(tǒng)中，共有K對(duì)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)用k表示，k∈[1，K]；對(duì)于節(jié)點(diǎn)對(duì)k，m_k代表由k感知到的正在通信的節(jié)點(diǎn)對(duì)，為避免沖突，節(jié)點(diǎn)對(duì)k與m_k不能使用同一信道；通信信道被劃分為N條子信道，每條子信道用n表示，n∈[1，N]；矩陣A為信道分配矩陣，其元素a_nk是二進(jìn)制元素，當(dāng)節(jié)點(diǎn)對(duì)k占用子信道n時(shí)，a_nk＝1，反之a(chǎn)_nk＝0；矩陣P為功率分配矩陣，其元素P_nk表示第k個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)在子信道n中的傳輸功率；矩陣H為信道增益矩陣，其元素h_nk＝A(d_k，f_n)^-1，A(d_k，f_n)表示第k個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)在子信道n中的傳播損耗，其中d_k為節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的通信距離，d_k為信道k的中心頻率。

(2)通信范圍內(nèi)存在海洋生物的節(jié)點(diǎn)在各個(gè)信道上的傳輸功率不能超過海洋哺乳動(dòng)物可承受的閾值：P_nk，max，P_nk，max由下式計(jì)算：

δ＝170.77+10log P+DI_T

式中DI_T為指向性指數(shù)，δ為聲壓級(jí)，表示海洋哺乳動(dòng)物響應(yīng)門限，單位是dB re 1μPa。

(3)基于香農(nóng)公式，所有用戶組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量可由以下公式計(jì)算：

maxank∈{0,1},Pnk≥0C,

其中B為子信道帶寬，N_n為噪聲功率譜密度，由擾動(dòng)、風(fēng)、輪船引起的噪聲和熱噪聲組成；P_k，max表示節(jié)點(diǎn)的總功率預(yù)算。

(4)經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出以下公式：

(5)將H重新構(gòu)建為H′，保證每一行最大的元素大于接下來(lái)的各行元素。之后，使用H′代替H進(jìn)行計(jì)算。

(6)對(duì)于第i行，i＝1,…,N，通過式(2)計(jì)算λ_k并通過式(1)計(jì)算a_nk＝1的所有用戶的Pik。Nk的值取決于剩余信道的當(dāng)前信道分配，通過式如果使通過論證(3)選出第i個(gè)信道的最佳用戶k，然后設(shè)a_ik＝1，a_ij＝0，j＝m_k。

(7)重復(fù)步驟(6)，直到新A和上次迭代得到的原A在一定范圍內(nèi)無(wú)差異。

d.源節(jié)點(diǎn)收到認(rèn)知中心的分配結(jié)果后，開始向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，通信過程中源節(jié)點(diǎn)需定時(shí)進(jìn)行環(huán)境感知，發(fā)現(xiàn)與海洋生物沖突后，申請(qǐng)更換信道。

e.目的節(jié)點(diǎn)接收完畢后，回復(fù)ACK結(jié)束通信。