基于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的水聲網(wǎng)絡(luò)預(yù)約多址接入方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的水聲網(wǎng)絡(luò)預(yù)約多址接入方法，涉及水聲通信與水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，采取適用于分布式水聲網(wǎng)絡(luò)MAC層，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的多址接入，避免了傳輸沖突，大大提高了一次傳輸成功的概率和信道利用率，降低了組網(wǎng)能耗，通過(guò)主動(dòng)TR空時(shí)聚焦性，利用水聲信道的空變特性，將劣勢(shì)轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，削弱水聲信道的廣播特性，不僅起到了有效隔離分布式多跳環(huán)境下相鄰鏈路間信號(hào)干擾的關(guān)鍵作用，而且這種削弱信道廣播性的特點(diǎn)賦予了該多址方法良好的傳輸隱蔽性與保密性，提高空間復(fù)用度，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低系統(tǒng)時(shí)延，節(jié)省了能量。
【專利說(shuō)明】
基于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的水聲網(wǎng)絡(luò)預(yù)約多址接入方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水聲通信與水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種水聲網(wǎng)絡(luò)的信道多址接入 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在水聲網(wǎng)絡(luò)中，多址接入控制(MAC,Media Access Control)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中所有 結(jié)點(diǎn)高效、公平的接入信道，旨在避免不同結(jié)點(diǎn)接入共享信道時(shí)產(chǎn)生的傳輸沖突。若沒(méi)有高 效MAC機(jī)制的支持，網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)在交互信息的過(guò)程中相鄰鏈路之間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包傳輸碰 撞，會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、增加系統(tǒng)時(shí)延、造成非常低下的信道利用率和電池能量利用率， 嚴(yán)重惡化網(wǎng)絡(luò)性能。在帶寬與能量資源均非常寶貴的水聲網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的 高效MAC機(jī)制避免不必要的碰撞與重傳，對(duì)于提高信道利用率和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)服役期（網(wǎng)絡(luò)壽 命)具有至關(guān)重要的作用與意義。
[0003] 由于水聲信號(hào)傳播速度較低，避免接入數(shù)據(jù)之間的沖突，降低信號(hào)重傳的概率，才 能有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時(shí)降低端到端傳輸時(shí)延。目前，水聲網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議主要分為Ξ 類:競(jìng)爭(zhēng)型、競(jìng)爭(zhēng)避免型和混合型。競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議的主要思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，首先 進(jìn)行信道預(yù)約，當(dāng)預(yù)約成功后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。競(jìng)爭(zhēng)避免型MC協(xié)議的主要思想是給網(wǎng)絡(luò) 中的節(jié)點(diǎn)預(yù)先分配信道，節(jié)點(diǎn)只能在屬于自己信道內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。混合型MAC協(xié)議是對(duì)兩 者的結(jié)合。
[0004] 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議，主要有時(shí)隙ALOHA、T-1〇M、FAMA等協(xié)議，其主要目的在于降低數(shù) 據(jù)沖突與重傳的概率。時(shí)隙ALOHA將時(shí)間時(shí)隙化，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)只能在時(shí)隙開(kāi)始時(shí) 傳輸，控制數(shù)據(jù)沖突在一定時(shí)間段內(nèi)，達(dá)到降低沖突的目的。T-loM是對(duì)CSMA協(xié)議的改進(jìn)， CSMA采用信道偵聽(tīng)的方式判斷當(dāng)前信道是否空閑。在水聲環(huán)境中，對(duì)當(dāng)前信道的偵聽(tīng)并不 能準(zhǔn)確判斷當(dāng)前信道是否空閑。T-lohi協(xié)議設(shè)置了一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)階段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，首 先在競(jìng)爭(zhēng)階段發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)信號(hào)，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)階段只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)獲得信道。FAMA是 一類基于MACA握手機(jī)制的MAC協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，通過(guò)發(fā)送請(qǐng)求(RTS)和回復(fù)確認(rèn) (CTS)信息，明確信道的擁有權(quán)，獲得信道的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)保持沉默，W避免數(shù)據(jù) 沖突。為了適應(yīng)水聲環(huán)境，F(xiàn)AMA延長(zhǎng)了RTS和CTS的傳輸時(shí)間，W保證節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的完全感 知，避免對(duì)信道狀態(tài)(空閑或使用）的誤判引起的數(shù)據(jù)沖突。
[0005] 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議為了獲得接入的靈活性，需要額外的時(shí)間開(kāi)銷和能量開(kāi)銷保證數(shù) 據(jù)無(wú)沖突的傳輸，對(duì)于能量有限，傳播時(shí)延較大的水聲通信網(wǎng)絡(luò)是不可取的。更重要的是， 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議無(wú)法保證完全的沖突避免，只是一定程度上降低了沖突的概率，沖突和重傳 會(huì)進(jìn)一步消耗網(wǎng)絡(luò)的能量資源，同時(shí)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的惡化。
[0006] 競(jìng)爭(zhēng)避免型MAC機(jī)制如FDMA、CDMA、TDMA等，通過(guò)為不同鏈路或結(jié)點(diǎn)分配專用的信 道資源(頻帶、偽隨機(jī)序列碼、時(shí)隙），達(dá)到避免信道競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)而化解沖突的目的。然而考慮到 水聲信道可用帶寬有限，且子頻帶之間需要保護(hù)間隔防止干擾，使得分配給用戶的有效子 頻帶帶寬更小，運(yùn)使得FDMA在水聲網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用受到很大制約。TDMA將時(shí)間劃分為時(shí)隙，所有 結(jié)點(diǎn)依據(jù)時(shí)隙占用信道，沖突避免的同時(shí)也具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。然而聲波傳播速度低且 受海洋環(huán)境影響較大，導(dǎo)致TDMA多址接入所需的精確時(shí)間同步難W實(shí)現(xiàn)且存在時(shí)隙保護(hù)間 隔過(guò)大的問(wèn)題。CDMA多址接入允許多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)點(diǎn)可W利用鏈路的全部 帶寬，接收機(jī)利用偽隨機(jī)序列區(qū)分不同的用戶。然而，CDMA應(yīng)用于分布式多跳網(wǎng)絡(luò)存在的更 為復(fù)雜的遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題與接收機(jī)硬件需求，使得其在水聲網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)變得復(fù)雜。
[0007] 在現(xiàn)有的水聲網(wǎng)絡(luò)信道接入方法中，競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議為了獲得接入的靈活性，需要 額外的時(shí)間開(kāi)銷和能量開(kāi)銷保證數(shù)據(jù)無(wú)沖突的傳輸，對(duì)于能量有限，傳播時(shí)延較大的水聲 通信網(wǎng)絡(luò)是不可取的。更重要的是，競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議無(wú)法保證完全的沖突避免，只是一定程 度上降低了沖突的概率，沖突和重傳會(huì)進(jìn)一步消耗網(wǎng)絡(luò)的能量資源，同時(shí)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的 惡化。競(jìng)爭(zhēng)避免型MAC協(xié)議在劃分頻帶、偽隨機(jī)序列碼、時(shí)隙的過(guò)程中，也具有不能完全避免 沖突、產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)、時(shí)間同步難W實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。如何在能量與帶寬受限的前提下，完全避 免沖突與碰撞，提高成功傳輸?shù)母怕?，成為水聲網(wǎng)絡(luò)信道接入的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有水下網(wǎng)絡(luò)多址接入過(guò)程中產(chǎn)生的傳輸沖突而 造成的信道利用率低、傳播時(shí)延長(zhǎng)、能量利用率低等問(wèn)題，針對(duì)水下無(wú)線多跳分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)數(shù)量多、帶寬與能耗有限等特點(diǎn)，本發(fā)明給出了一種基于主動(dòng)TR的分布式水聲網(wǎng)絡(luò)探針 預(yù)約多址接入方法。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案詳細(xì)步驟如下：
[0010] 步驟1:節(jié)點(diǎn)A判斷自身在鏈路時(shí)變周期T內(nèi)是否收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的探針包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A 在T內(nèi)收到了來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的探針包，判斷探針包的Lifetime是否小于Tci，其中Lifetime為A節(jié) 點(diǎn)接收到探針包的時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間差，干擾時(shí)間Tcl = 2tp + ttr，數(shù)據(jù)包傳播時(shí)間tp = d/c，d為節(jié)點(diǎn)間最大距離，C為水聲傳播的速度，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延ttr = L/R，L為傳輸帖的長(zhǎng) 度，R為數(shù)據(jù)包傳輸速率，且滿足了>1'。1:
[0011 ] 若Lifetime<Tcl，等待Tcl-Lifetime時(shí)間之后執(zhí)行步驟3;
[001^ 若Lifetime>TGl，直接執(zhí)行步驟3;
[001引如果節(jié)點(diǎn)A在鏈路時(shí)變周期T內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的探針包，則執(zhí)行步驟2;
[0014] 步驟2:節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包，然后處于等待狀態(tài)，若在Tth時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)A收 至睞自節(jié)點(diǎn)B的探針包，執(zhí)行步驟3;否則，節(jié)點(diǎn)A重新向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包，直到節(jié)點(diǎn)A重 新向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包的次數(shù)超過(guò)探針請(qǐng)求包的最大重傳次數(shù)Nmax，則進(jìn)入步驟6,其 中，重傳等待時(shí)間T化= Δ，Δ為保護(hù)時(shí)間；
[0015] 步驟3:節(jié)點(diǎn)A基于接收到的探針包對(duì)真實(shí)信道hAB(t)進(jìn)行估計(jì)，得到信道沖激響應(yīng) gAB(t)，然后將擬傳輸信息序列與時(shí)反后的gAB(t)進(jìn)行卷積，在確定的調(diào)制方式下，依據(jù)接 收端的誤碼率要求，根據(jù)被動(dòng)聲納方程計(jì)算節(jié)點(diǎn)A所需最小發(fā)射功率，發(fā)送端A節(jié)點(diǎn)選取該 最小發(fā)射功率向B節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)反處理后的數(shù)據(jù)?パt)?gw(-1);
[0016] 步驟4:節(jié)點(diǎn)B判斷自身是否成功收到步驟3中的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)信道后的數(shù)據(jù) 若收到，進(jìn)行信道估計(jì)得到即A(t)，然后立即向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送時(shí)反處 理后的確認(rèn)包信號(hào)^&.的(-0,然后處于空閑狀態(tài)，并進(jìn)入步驟5;若節(jié)點(diǎn)B沒(méi)收到步驟 3中的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)信道后的數(shù)據(jù)，直接進(jìn)入步驟5;
[0017] 步驟5:節(jié)點(diǎn)A判斷自身在Tth內(nèi)是否收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的確認(rèn)包，若收到，則執(zhí)行步驟 6;若沒(méi)收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的確認(rèn)包，節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B重新發(fā)送.Y?的并執(zhí)行步驟4,直 到節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B重新發(fā)送數(shù)據(jù)包叫8(0@復(fù),3(-〇的次數(shù)超過(guò)數(shù)據(jù)包最大重傳次數(shù)1^。3、，則進(jìn) 入步驟6;
[0018] 步驟6:數(shù)據(jù)接入的過(guò)程結(jié)束，任務(wù)完成。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是由于采取適用于分布式水聲網(wǎng)絡(luò)MAC層，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸過(guò) 程中的多址接入，避免了傳輸沖突，大大提高了一次傳輸成功的概率和信道利用率，降低了 組網(wǎng)能耗;通過(guò)主動(dòng)TR空時(shí)聚焦性，利用水聲信道的空變特性，將劣勢(shì)轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，削弱水 聲信道的廣播特性，不僅起到了有效隔離分布式多跳環(huán)境下相鄰鏈路間信號(hào)干擾的關(guān)鍵作 用，而且運(yùn)種削弱信道廣播性的特點(diǎn)賦予了該多址方法良好的傳輸隱蔽性與保密性，提高 空間復(fù)用度，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低系統(tǒng)時(shí)延，節(jié)省了能量。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明基于聲波的低傳播速度導(dǎo)致的空時(shí)不確定性示意圖，其中A、C為發(fā)送 端，B表示接收端，圖1(a)表示同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收端不發(fā)生沖突，圖1(b)表示不同時(shí)間發(fā) 送數(shù)據(jù)包卻在接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生沖突。
[0021] 圖2是本發(fā)明單陣元主動(dòng)TR水聲通信系統(tǒng)示意圖，其中X為發(fā)送端，Y為接收端，TR (g)為根據(jù)探針包估計(jì)得到的時(shí)反信道沖擊響應(yīng)。
[0022] 圖3是本發(fā)明基于探針預(yù)約的書(shū)生網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)TR隨機(jī)多址接入方法。
[0023] 圖4是本發(fā)明基于主動(dòng)TR探針偵聽(tīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，其中，該拓?fù)渲衖，j為發(fā)射節(jié) 點(diǎn)，m，n分別為對(duì)應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)，i-m和j-n為兩條活躍鏈路，i-n和j-m為干擾鏈路。
[0024] 圖5是本發(fā)明基于圖3的拓?fù)涞奈锢韺臃抡娼Y(jié)果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[00%]時(shí)間反轉(zhuǎn)(TR，Time Reversal)處理基于傳輸互易性與時(shí)反不變性原理，能夠利用 復(fù)雜多徑信道的空變特性實(shí)現(xiàn)接收的多徑信號(hào)在時(shí)間上的壓縮和空間上的聚焦。一方面， 主動(dòng)TR的時(shí)間聚焦性使目標(biāo)結(jié)點(diǎn)處各多徑信號(hào)同時(shí)同相位疊加，實(shí)現(xiàn)了多徑分集，有效抵 消碼間干擾的同時(shí)也提高了信噪比；另一方面，主動(dòng)TR的空間聚焦性使得只有目標(biāo)結(jié)點(diǎn)處 能收到能量強(qiáng)且時(shí)間壓縮的信號(hào)，空間上其他位置的接收到的信號(hào)能量非常小，大大降低 信號(hào)在非目標(biāo)結(jié)點(diǎn)處的能量污染，進(jìn)而達(dá)到抑制非期望用戶干擾的目的。水聲環(huán)境下TR能 夠利用海洋自身完成對(duì)信道沖激響應(yīng)的空時(shí)匹配濾波。水聲信道的空變特性（圖1)使得網(wǎng) 絡(luò)中不同鏈路間信道的互相關(guān)性變?nèi)酰弥鲃?dòng)TR的空時(shí)聚焦性削弱水聲信道的廣播特 性，有效減小信道接入過(guò)程中并行鏈路間的傳輸干擾提高空間復(fù)用度。
[0027] 其中圖1是本發(fā)明基于聲波的低傳播速度導(dǎo)致的空時(shí)不確定性示意圖，圖1(a)表 示同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收端不發(fā)生沖突，圖1(b)表示不同時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)包卻在接收節(jié)點(diǎn)處 發(fā)生沖突。
[0028] 假設(shè)分布式多跳水聲網(wǎng)絡(luò)鏈路間信道保持弱相關(guān)性，在物理層建立一個(gè)單陣元主 動(dòng)TR水聲通信系統(tǒng)，如圖2所示，在MAC層建立如圖3所示基于主動(dòng)TR的分布式多跳水聲網(wǎng)絡(luò) 探針預(yù)約多址接入方法，用ΧΑΒ ( t )表示節(jié)點(diǎn)A欲發(fā)送到節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)包;XACK( t )表示節(jié)點(diǎn)B發(fā) 送到節(jié)點(diǎn)A的確認(rèn)包信號(hào);hAB(t)為AB間真實(shí)信道沖擊響應(yīng);當(dāng)節(jié)點(diǎn)A有數(shù)據(jù)發(fā)送至節(jié)點(diǎn)削寸， 執(zhí)行步驟如下：
[0029] 步驟1:節(jié)點(diǎn)A判斷自身在鏈路時(shí)變周期T內(nèi)是否收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的探針包，考慮到 水聲信道的時(shí)變性，認(rèn)為信道在鏈路時(shí)變周期T內(nèi)的變化非常緩慢;當(dāng)節(jié)點(diǎn)A在T內(nèi)收到了來(lái) 自節(jié)點(diǎn)B的探針包，判斷探針包的Lifetime是否小于Tci，其中Lifetime為A節(jié)點(diǎn)接收到探針 包的時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間差，干擾時(shí)間Tci = 2tp+ttr，數(shù)據(jù)包傳播時(shí)間tp = d/c，d為節(jié)點(diǎn)間 最大距離，C為水聲傳播的速度，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延ttr = L/R，L為傳輸帖的長(zhǎng)度，R為數(shù)據(jù)包傳 輸速率，且滿足了> Tel:
[0030] 若Lifetime<Tcl，等待Tcl-Lifetime時(shí)間之后執(zhí)行步驟3;
[0031] 若Lifetime^Tei，直接執(zhí)行步驟3;
[0032] 如果節(jié)點(diǎn)A在鏈路時(shí)變周期T內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的探針包，則執(zhí)行步驟2;
[0033] 步驟2:節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包，然后處于等待狀態(tài)，若在Tth時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)A收 至睞自節(jié)點(diǎn)B的探針包，執(zhí)行步驟3;否則，節(jié)點(diǎn)A重新向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包，直到節(jié)點(diǎn)A重 新向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包的次數(shù)超過(guò)探針請(qǐng)求包的最大重傳次數(shù)Nmax，則進(jìn)入步驟6,其 中，重傳等待時(shí)間T化= Δ，Δ為保護(hù)時(shí)間；
[0034] 步驟3:節(jié)點(diǎn)A基于接收到的探針包對(duì)真實(shí)信道hAB(t)進(jìn)行估計(jì)，得到信道沖激響應(yīng) gAB(t)，然后將擬傳輸信息序列與時(shí)反后的gAB(t)進(jìn)行卷積，在確定的調(diào)制方式下，依據(jù)接 收端的誤碼率要求，根據(jù)被動(dòng)聲納方程計(jì)算節(jié)點(diǎn)A所需最小發(fā)射功率，發(fā)送端A節(jié)點(diǎn)選取該 最小發(fā)射功率向B節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)反處理后的數(shù)據(jù)
[0035] 步驟4:節(jié)點(diǎn)B判斷自身是否成功收到步驟3中的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)信道后的數(shù)據(jù) 知(〇@各心-〇@h.w(t)，若收到，進(jìn)行信道估計(jì)得到gBA(t)，然后立即向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送時(shí)反處 理后的確認(rèn)包信號(hào)居然后處于空閑狀態(tài)，并進(jìn)入步驟5;若節(jié)點(diǎn)B沒(méi)收到步驟 3中的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)信道后的數(shù)據(jù)，直接進(jìn)入步驟5;
[0036] 步驟5:節(jié)點(diǎn)A判斷自身從發(fā)送數(shù)據(jù)包,(-t)時(shí)刻開(kāi)始，在T化內(nèi)是否收到來(lái) 自節(jié)點(diǎn)B的確認(rèn)包，若收到，則執(zhí)行步驟6;若沒(méi)收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的確認(rèn)包，節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B重新 發(fā)送，并執(zhí)行步驟4,直到節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B重新發(fā)送數(shù)據(jù)包^的@扣3(-1)的次 數(shù)超過(guò)數(shù)據(jù)包最大重傳次數(shù)Nmax，則進(jìn)入步驟6;
[0037] 步驟6:數(shù)據(jù)接入的過(guò)程結(jié)束，任務(wù)完成。
[0038] 本發(fā)明利用復(fù)雜海洋信道空變特性采用基于主動(dòng)TR空時(shí)聚焦性削弱水聲信道廣 播特性的方式，建立一個(gè)基于主動(dòng)TR探針偵聽(tīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，如圖4所示。
[0039] 對(duì)于當(dāng)前活躍鏈路（i~m)，xim( t)為節(jié)點(diǎn)i發(fā)送到節(jié)點(diǎn)m的數(shù)據(jù)包，gim(t)為節(jié)點(diǎn)i 接收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)m探針包估計(jì)出的信道沖擊響應(yīng)，gim(-t)為對(duì)估計(jì)到的im間信道沖擊響應(yīng) 進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)，him(t)為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)m間真實(shí)信道沖擊響應(yīng)；由于gim(t)逼近于信道him(t) 使得多徑信號(hào)分量在接收結(jié)點(diǎn)m處同時(shí)間同相位疊加，信號(hào)能量增加。對(duì)于另外一條活躍鏈 路(j~η)，Xjn(t)為節(jié)點(diǎn)j發(fā)送到節(jié)點(diǎn)η的數(shù)據(jù)包，gjn(t)為節(jié)點(diǎn)j接收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)η探針包估 計(jì)出的信道沖擊響應(yīng)，gw(-t)為對(duì)估計(jì)到的化間信道沖擊響應(yīng)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn);hw(t)為節(jié) 點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)η間真實(shí)信道沖擊響應(yīng)；由于結(jié)點(diǎn)j在發(fā)送信號(hào)前所做的TR處理是針對(duì)hw(t)的， 該鏈路傳送的信號(hào)在結(jié)點(diǎn)η處同時(shí)間同相位疊加，而在結(jié)點(diǎn)m處無(wú)法得到空時(shí)聚焦。
[0044] 其中，公式（1)中yim(t)為結(jié)點(diǎn)m處的接收信號(hào)，n(t)是m節(jié)點(diǎn)接收到的噪聲，公式 (2)與公式(3)中psig與PIUI分別表示m結(jié)點(diǎn)的有用信號(hào)功率與干擾信號(hào)功率，Ex[( · )2]是對(duì) 括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)平方求期望，公式(4)式中E[psig]表示平均信號(hào)功率，Ε[ριυι]表示平均干擾功 率，為噪聲功率，SNRavg表示平均信號(hào)干擾噪聲功率比，其中運(yùn)時(shí)由于水聲信道的空變特 性使得hw(t)與hjm(t)之間的相關(guān)性一般比較弱，導(dǎo)致干擾鏈路在接收結(jié)點(diǎn)m處能量小，從 而保證兩條活躍鏈路同時(shí)占用信道而不發(fā)生傳輸沖突。
[0045] 采用matlab對(duì)發(fā)明的性能進(jìn)行仿真，由圖4所示的四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，采用BPSK調(diào) 審IJ，初始發(fā)射功率相同，載波頻率為IKHz，采樣頻率為1 OKHz，碼元寬度為0.01S，通信距離為 1000m，干擾距離為2000m，碼元總數(shù)為100000個(gè)。利用實(shí)驗(yàn)室2014年9月在南海981平臺(tái)附近 測(cè)得的聲速分布數(shù)據(jù)，使用水聲信道模擬軟件BELLHOP仿真并計(jì)算收發(fā)結(jié)點(diǎn)在復(fù)雜海洋環(huán) 境下空間位置變化時(shí)對(duì)應(yīng)的信道沖激響應(yīng)，得到節(jié)點(diǎn)間的本征聲線圖。通過(guò)對(duì)活躍鏈路加 入時(shí)間反轉(zhuǎn)前后的結(jié)果對(duì)比，如圖5所示，我們可W看出加入時(shí)反后誤碼率明顯降低，并且 由圖中無(wú)干擾加時(shí)反與干擾加時(shí)反兩條線對(duì)比可知，加入時(shí)反后可W有效抵抗網(wǎng)絡(luò)中不同 鏈路間的干擾，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。由W上結(jié)論，本發(fā)明可W完全避免網(wǎng)絡(luò)中MAC層在 接入過(guò)程中的數(shù)據(jù)碰撞，大大提高信道的利用率和網(wǎng)絡(luò)的壽命。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的水聲網(wǎng)絡(luò)預(yù)約多址接入方法，其特征在于包括下述步驟： 步驟1:節(jié)點(diǎn)A判斷自身在鏈路時(shí)變周期T內(nèi)是否收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的探針包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A在T 內(nèi)收到了來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的探針包，判斷探針包的Lifetime是否小于Ted，其中Lifetime為A節(jié)點(diǎn) 接收到探針包的時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間差，干擾時(shí)間Tea = 2 tP+ttr，數(shù)據(jù)包傳播時(shí)間tP = d/ c，d為節(jié)點(diǎn)間最大距離，c為水聲傳播的速度，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延ttr = L/R，L為傳輸幀的長(zhǎng)度，R 為數(shù)據(jù)包傳輸速率，且滿足!1 > Tea: 若 1^€61:;[1116<1'。1，等待1'。1-1^€61:;[1116時(shí)間之后執(zhí)行步驟3; 若Lifetime彡Ted，直接執(zhí)行步驟3; 如果節(jié)點(diǎn)A在鏈路時(shí)變周期T內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的探針包，則執(zhí)行步驟2; 步驟2:節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包，然后處于等待狀態(tài)，若在Tth時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)A收到來(lái) 自節(jié)點(diǎn)B的探針包，執(zhí)行步驟3;否則，節(jié)點(diǎn)A重新向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包，直到節(jié)點(diǎn)A重新向 節(jié)點(diǎn)B發(fā)送探針請(qǐng)求包的次數(shù)超過(guò)探針請(qǐng)求包的最大重傳次數(shù)N max，則進(jìn)入步驟6，其中，重 傳等待時(shí)間Tth = 2tp+ttr+A，△為保護(hù)時(shí)間； 步驟3:節(jié)點(diǎn)A基于接收到的探針包對(duì)真實(shí)信道hAB(t)進(jìn)行估計(jì)，得到信道沖激響應(yīng)gAB (t)，然后將擬傳輸信息序列與時(shí)反后的gAB(t)進(jìn)行卷積，在確定的調(diào)制方式下，依據(jù)接收端 的誤碼率要求，根據(jù)被動(dòng)聲納方程計(jì)算節(jié)點(diǎn)A所需最小發(fā)射功率，發(fā)送端A節(jié)點(diǎn)選取該最小 發(fā)射功率向B節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)反處理后的數(shù)據(jù)Xi(t) ? 1); 步驟4:節(jié)點(diǎn)B判斷自身是否成功收到步驟3中的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)信道后的數(shù)據(jù) 若收到，進(jìn)行信道估計(jì)得到gBA(t)，然后立即向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送時(shí)反處 理后的確認(rèn)包(-1)，然后處于空閑狀態(tài)，并進(jìn)入步驟5;若節(jié)點(diǎn)B沒(méi)收到步驟 3中的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)信道后的數(shù)據(jù)，直接進(jìn)入步驟5; 步驟5:節(jié)點(diǎn)A判斷自身在Tth內(nèi)是否收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的確認(rèn)包，若收到，則執(zhí)行步驟6;若 沒(méi)收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的確認(rèn)包，節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B重新發(fā)送:^^? ? 1)，并執(zhí)行步驟4，直到節(jié) 點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B重新發(fā)送數(shù)據(jù)包.^〇?^,.(-〇的次數(shù)超過(guò)數(shù)據(jù)包最大重傳次數(shù)'^，則進(jìn)入步 驟6; 步驟6:數(shù)據(jù)接入的過(guò)程結(jié)束，任務(wù)完成。
【文檔編號(hào)】H04L1/18GK106060873SQ201610332972
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】趙瑞琴, 王勇, 申曉紅, 王海燕, 白衛(wèi)崗, 張之琛
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)