水下認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確高效接入多信道的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水下認(rèn)知聲學(xué)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的講是一種水下認(rèn)知節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確高效 接入多信道的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信大多采用適于遠(yuǎn)距離水下無線通信的水聲通信方 式。水下信道具有高時延、時延動態(tài)變化、高衰減、高誤碼率、多徑效應(yīng)、多普勒頻散嚴(yán)重、高 度動態(tài)變化、低帶寬、信道利用率低、起伏效應(yīng)以及海洋環(huán)境噪聲等特點(diǎn)。被認(rèn)為是迄今難 度最大的無線通信信道。水下節(jié)點(diǎn)使用電池供電，更換電池更為困難，另外，節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息 能耗比接收信息往往大很多倍，這對系統(tǒng)的能耗提出了更高的要求，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的這 些固有特點(diǎn)，使得陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成熟機(jī)制、協(xié)議、算法等都不能直接應(yīng)用于水下， 所以建立一個高效友好水下傳輸環(huán)境顯得十分迫切和必要。
[0003] 認(rèn)知無線電技術(shù)在陸地通信中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，它可以感知周圍環(huán)境，并根 據(jù)檢測結(jié)果實(shí)時調(diào)整工作參數(shù)。針對水下通信延時高，頻譜利用率低的難題，希望水下節(jié)點(diǎn) 也可以學(xué)習(xí)周圍環(huán)境，動態(tài)地改變自身配置，以達(dá)到高效利用資源的目的，因此可以將認(rèn)知 技術(shù)引入水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中。引入認(rèn)知技術(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)可以及時檢測周圍頻譜的使用情 況，充分利用頻譜空洞，最大程度地利用頻譜。但是在節(jié)點(diǎn)感知信道直到接入信道的過程 中，信道的預(yù)測、分配、接入三個環(huán)節(jié)的技術(shù)問題都有待提高。水下通信環(huán)境復(fù)雜，頻譜預(yù)測 結(jié)果會受到水下延時的極大干擾，而且，水下認(rèn)知節(jié)點(diǎn)眾多，為提高頻譜利用率，通常需要 劃分多個信道，因此信息通過節(jié)點(diǎn)在信道中的傳輸需要進(jìn)行合理的分配，選擇合適的多信 道接入算法才能實(shí)現(xiàn)高效可靠的信息傳輸。否則，節(jié)點(diǎn)間會相互碰撞導(dǎo)致通信失敗，影響整 個水下通信系統(tǒng)性能并消耗大量的能量。因此，本發(fā)明提出了一種水下認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的多信道 接入方法，旨在為傳播延時大、頻譜利用率低的水下通信環(huán)境提供一種高效可靠地接入方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了改善水下通信網(wǎng)絡(luò)中傳播延時長、頻譜利用率低帶來的數(shù)據(jù)通信問題，本發(fā) 明提出了一種水下認(rèn)知節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確高效接入多信道的方法。本發(fā)明具體的實(shí)現(xiàn)步驟是：
[0005] -種水下認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確高效接入多信道的方法，包括下列步驟：
[0006] 步驟一：利用頻譜感知的結(jié)果進(jìn)行頻譜預(yù)測，頻譜感知后可以得到各信道的的狀 態(tài)信息，分為空閑、占用兩種狀態(tài)，分別用1"表示，每個數(shù)據(jù)在發(fā)送時會加入時間標(biāo) 簽，通過頻譜感知得到時間信息并估計傳輸時延；統(tǒng)計一段時間內(nèi)各信道空閑與占用的變 化情況，計算信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P;設(shè)初始時刻信道狀態(tài)信息概率矩陣為s(n-d)，信道 的傳播延時為d，利用頻譜預(yù)測公式S(n) =S(n-d)P%P可得到η時刻實(shí)際的信道狀態(tài)信 息概率矩陣即為預(yù)測結(jié)果S(η)，同時用所得信道狀態(tài)信息結(jié)果更新狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，作 為新學(xué)習(xí)到的信道狀態(tài)信息；
[0007] 步驟二：將步驟一得到的矩陣S(n)中第一個元素當(dāng)前信道的空閑概率Pn(0)在此 規(guī)定其為ωη，各信道的統(tǒng)計特性由概率向量ω⑴=[ωια)，co2(t)，···，con(t)]表示，其 中即為第i個信道在信道接入前時刻t的信道空閑概率，頻譜分配的優(yōu)化目標(biāo)為最大 化信道收益，信道分配的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：
[0009] 其中，a為認(rèn)知用戶選擇接入的信道，ω3為信道a的空閑概率，BaS接入信道的帶 寬；
[0010] 頻譜分配著重考慮信道容量的最大化，根據(jù)各信道當(dāng)前狀態(tài)信息以及各信道帶寬 進(jìn)行最優(yōu)分配；
[0011] 步驟三：根據(jù)步驟二得到的分配結(jié)果，為避免聲信號的長傳播延時和節(jié)省能量，劃 分了若干個時隙，并且每個控制包和數(shù)據(jù)包只能在某一時隙開始時刻發(fā)送，時隙的長度t 為：
[0012] t= τ+γ+β
[0013] 其中，τ表示最大的傳播延時，由傳播距離所決定；γ表示控制包的傳輸時間；β 表示保護(hù)時間，允許網(wǎng)絡(luò)同步有一定的誤差；
[0014] 數(shù)據(jù)傳輸采用報文串模式發(fā)送，在此模式下，一次成功預(yù)約可以允許多個數(shù)據(jù)包 以"先進(jìn)先出（FIFO) "模式發(fā)送，控制報文RTS、CTS、數(shù)據(jù)報文DATA、確認(rèn)信息ACK的發(fā)送 順序不變，且要求每個發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都是在信道分配結(jié)束后的一個時隙編號為四的整數(shù)倍 的時隙開始時刻發(fā)送。
[0015] 該方法中，從頻譜預(yù)測、頻譜分配以及多信道接入三個環(huán)節(jié)入手，在各個環(huán)節(jié)中充 分考慮水下通信網(wǎng)絡(luò)傳播延時長、頻譜利用率低的問題，旨在實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確高效的水 下傳輸。頻譜預(yù)測中加入了延時預(yù)測，對各信道狀態(tài)信息的預(yù)測結(jié)果更加的準(zhǔn)確，為頻譜的 合理分配打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)，頻譜分配著重考慮信道容量最大化，根據(jù)各信道當(dāng)前狀態(tài)信 息進(jìn)行分配，在信道總?cè)萘亢捅苊鉀_突之間進(jìn)行折中，以使整個系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。最后 根據(jù)信道分配結(jié)果，運(yùn)用預(yù)約機(jī)制的多信道接入方法，提高水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效吞吐量，實(shí)現(xiàn) 通信數(shù)據(jù)的高效傳輸。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明信道使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型示意圖
[0017] 圖2是本發(fā)明認(rèn)知水下聲通信認(rèn)知節(jié)點(diǎn)接入多信道過程流程圖
[0018] 圖3是本發(fā)明多信道接入環(huán)節(jié)時序圖
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明給出的技術(shù)方案如下：
[0020] 步驟一：利用頻譜感知的結(jié)果進(jìn)行頻譜預(yù)測，頻譜感知后可以得到各信道的的狀 態(tài)信息，分為空閑、占用兩種狀態(tài)，分別用表示。對于該預(yù)測方法中最重要的延時 值d，可從信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中獲得，每個數(shù)據(jù)在發(fā)送時會加入時間標(biāo)簽，通過頻譜感知得 到時間信息并估計傳輸時延。統(tǒng)計一段時間內(nèi)各信道空閑與占用的變化情況，計算信道狀 態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P。設(shè)初始時刻信道狀態(tài)信息概率矩陣為s(n-d)，信道的傳播延時為d，且 由頻譜感知已經(jīng)得到，利用頻譜預(yù)測公式S(n) =S(n-d) #即可得到η時刻實(shí)際的信道狀態(tài) 信息概率矩陣即為預(yù)測結(jié)果S(η)。同時用所得信道狀態(tài)信息結(jié)果更新狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣， 作為新學(xué)習(xí)到的信道狀態(tài)信息。
[0021] 步驟二：將步驟一得到的矩陣S(n)中第一個元素當(dāng)前信道的空閑概率Ρη(0)在 此規(guī)定其為ωη。因此，各信道的統(tǒng)計特性可以由概率向量ω(t) = [ωια)，co2(t)，··· ，《n(t)]表示，其中％即為第i個信道在信道接入前時刻t的信道空閑概率，由頻譜預(yù)測 得到。頻譜分配的優(yōu)化目標(biāo)為最大化信道收益，因此，信道分配的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：
[0023] 其中，a為認(rèn)知用戶選擇接入的信道，ω3為信道a的空閑概率，BaS接入信道的帶 寬。
[0024] 頻譜分配著重考慮信道容量的最大化，根據(jù)各信道當(dāng)前狀態(tài)信息以及各信道帶寬 進(jìn)行最優(yōu)分配，但在分配過程中勢必會有信道容量和發(fā)送數(shù)據(jù)信道選擇的沖突，所以要在 這兩個方面進(jìn)行合理的折中，以使整個系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。
[0025] 步驟三：根據(jù)步驟二得到的分配結(jié)果，各個認(rèn)知節(jié)點(diǎn)選擇相應(yīng)的信道接入。多信道 接入環(huán)節(jié)運(yùn)用基于預(yù)約機(jī)制的多信道接入方法，達(dá)到有效提高數(shù)據(jù)通信有效吞吐量，實(shí)現(xiàn) 通信數(shù)據(jù)的高效傳輸。為避免聲信號的長傳播延時和節(jié)省能量，劃分了若干個時隙，并且每 個控制包和數(shù)據(jù)包只能在某一時隙開始時刻發(fā)送，為避免由于水下傳播的時空不確定性造 成的數(shù)據(jù)碰撞問題，時隙的長度應(yīng)該滿足在一個時隙內(nèi)控制包可以到達(dá)通信范圍所限制的 最遠(yuǎn)距離。同時，時隙的長度設(shè)計還