[发明专利]基于极化分集的方向性认知MAC协议的实现方法

权利要求书

1.基于极化分集的方向性认知MAC协议的实现方法，其特征在于：

1)首先，将时间划分为时间长度相同的多个信道时隙，每个信道时隙由“感知周期”和“数据传输周期”组成，在感知周期内，所有节点依次感知所有数据信道，确定在本信道时隙内被初级用户占用的数据信道及其对应的计划方式，在数据传输周期内，节点对在公共控制信道上通过交换控制分组竞争数据信道使用权，随后竞争成功的节点对切换至相应数据信道按照确定的极化方式和发送功率完成分组传输；

2)其次，每个节点均维护一张列表：可用信道列表ACL，分别记录初级用户和邻居节点在当前信道时隙内的信道、极化和功率使用情况；

3)再次，当节点S有数据分组需要向目的节点D发送时，两节点通过下述四个阶段，完成分组传输：

a.DRTS分组发送阶段：源节点S首先方向性侦听公共控制信道，并且当退避时间结束以及在随后的分布式帧间隔DIFS内公共控制信道仍然空闲，则向目的节点D发送方向性请求发送分组分组DRTS，该DRTS分组中携带自身的ACL；

b.DCTS分组发送阶段：若目的节点D成功接收源节点S发送的DRTS分组，则首先将自身ACL和源节点S的ACL进行对比；若两张ACL中不存在公共可用的数据信道，则节点D向节点S发送否定DCTS分组NDCTS，表示竞争失败；否则，节点D根据两张ACL中记录的信道信息确定本次传输所使用的数据信道、极化方式以及发送功率，并向源节点发送方向性允许发送分组DCTS；

c.DDTS分组发送阶段：若源节点S成功接收目的节点D发送的DCTS分组，则在短帧间隔SIFS后，向目的节点D回送方向性确定发送分组DDTS，该分组所记录的信息与节点D发送的DCTS分组中记录的信息相同；若源节点S成功接收目的节点D发送的NDCTS分组，则取消本次传输；由于NDCTS分组表明源节点和目的节点之间不存在公共可用信道，因此，在当前信道时隙内，节点S将不再向节点D传输数据分组；

d.数据传输阶段：当目的节点D成功接收源节点发送S的DDTS分组后，两节点同时切换至相应信道，在短帧间隔SIFS之后，按照确定的极化方式和发送功率完成数据分组传输；

4)最后，侦听到DCTS分组或DDTS分组的邻居节点按下述过程更新自身ACL中的相关信息；

a.侦听DCTS分组：假设源节点S和目的节点D用于传输数据分组的信道为D(SD)，中心频率为f_D(SD)；若节点I侦听到节点D发送的DCTS分组，则节点I首先计算自身与节点D在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在信道D(SD)上的信道增益；其次，节点I确定自己在该信道上是否处于节点D的传输范围内；再次，节点I计算自身在不影响节点D正确接收数据分组的前提下可使用的最大可用发送功率；最后，更新方向性网络分配矢量DNAV；

b.侦听DDTS分组：假设源节点S和目的节点D用于传输确认分组ACK的信道为A(SD)，中心频率为f_A(SD)；若节点I侦听到节点S发送的DDTS分组，则节点I首先计算自身与节点S在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在信道A(SD)上的信道增益；其次，节点I确定自己在该信道上是否处于节点S的传输范围内；再次，节点I计算自身在不影响节点S正确接收ACK分组的前提下可使用的最大可用发送功率；最后，更新方向性网络分配矢量DNAV。

2.根据权利要求1所述的基于极化分集的方向性认知MAC协议的实现方法，其特征在于：所说的目的节点D确定数据分组和ACK分组传输信道、极化方式和发送功率计算按以下步骤进行：

假设源节点S和目的节点D之间存在M条公共可用数据信道，其中心频率为{f₁，…，f_M}；公共控制信道的中心频率为f₀；节点可正确接收数据分组的信噪比门限为SNR_th；节点间的传输模型为地面反射模型；节点在全向模式下的天线增益为G^o，在方向性模式下的天线增益为G^D；

节点D在接收到节点S发送的DRTS分组后，按照(1)计算自身与节点S在公共控制信道上的信道增益

hSD0=PrDRTS/Pmax---(1)]]>

其中，和P_max分别为DRTS分组的接收功率和发送功率；

节点D按照(2)计算自身与节点S在这M条公共可用数据信道信道上的信道增益

hSDm=hSD0×(f0/fm)4,m=1,...,M---(2)]]>

其中，f₀和f_m分别为公共控制信道和第m条公共可用信道的中心频率。

对公共可用信道m，若该信道被初级用户占用(假设初级用户使用水平极化)，则节点D需要确定是否能够使用垂直极化在该信道上进行传输；到达节点D处的信号功率如(3)所示，

Pr(T)(fm)=Pr(v)(fm)+Pr(h)(fm)=hSDmPtS(fm)---(3)]]>

其中，为节点D处的接收信号总功率，和分别为节点D处接收信号在垂直和水平方向上的信号功率，为节点S在垂直极化上的发送功率；此外，和之间的关系还可用(4)表示，

Pr(v)(fm)=dSD-a·χ·Pr(h)(fm)---(4)]]>

其中，d_SD为节点S和D之间的距离，χ为均值为μ_c、标准差为σ_c的对数正态变量，a为常数(a∈[0，1])；

由(3)和(4)可得和如(5)所示，

Pr(v)(fm)=dSD-a·χ·hSDm·PtS(fm)1+dSD-a·χPr(h)(fm)=hSDm·PtS(fm)1+dSD-a·χ---(5)]]>

因为交叉极化信号功率不能超过功率门限P_mask(f_m)，所以在该信道上的最大可用发送功率如(6)所示，

Pmaxm=(1+dSD-a·χ)Pmask(fm)/hSDm---(6)]]>

在该信道上使用垂直极化所需的最小发送功率为，

PtS(fm)=(1+dSD-a·χ)·SNRth·PndSD-a·χ·hSDm---(7)]]>

其中，P_n为噪声功率；若则可将该信道加入数据分组候选信道集合CDCS；

若公共可用信道m没有被初级用户使用，却被邻居节点使用，则节点S可使用另一种极化方式进行传输，发送功率可按(7)计算；若发送功率满足则可将该信道加入CDCS；

若公共可用信道m即未被初级用户占用，又未被邻居节点占用，则节点S可按(7)计算发送功率若则可将该信道加入CDCS；

当全部公共可用信道都按上述方法检查后，用于传输数据分组的信道D(SD)可按(8)进行选择，相应的数据分组发送功率为

D(SD)=argmin{m|PtS(fm),m∈CDCS}---(8)]]>

使用相同的方法可确定用于传输ACK分组的信道A(SD)和相应的发送功率

此外，侦听到DCTS或DDTS分组的节点也需要更新其ACL中的相关信息；假设节点I侦听到节点D发送的DCTS分组则首先计算自己与节点D在信道D(SD)上的信道增益其次，节点I按(9)计算若节点D在信道D(SD)上发送DCTS分组自己是否能够正确接收；

PrDCTS(fD(SD))=hIDD(SD)·Pmax---(9)]]>

若则节点I处于节点D在信道D(SD)上的传输范围；此时，节点I可使用另一种极化方式使用该信道；假设节点D使用水平极化，则节点D在该信水平极化方向上可忍受的最大功率如(10)所示，

Pmax(h)(fD(SD))=Pmaxinf·dID-a·χ---(10)]]>

其中，为节点可忍受的最大干扰功率，d_ID为节点I和D之间的距离；

因此，节点D在两个极化方向上可忍受的最大功率为，

Pmax(T)(fD(SD))=(1+dID-a·χ)Pmaxinf---(11)]]>

从而，节点I在水平极化方向上允许的最大发送功率如(12)所示，

PmaxD(SD)(fD(SD))=dID4·LGD(fD(SD))GO(fD(SD))ht2hr2Pmax(T)(fD(SD))---(12)]]>

其中，L为路径损耗因子，h_t和h_r分别为发送天线和接收天线的天线高度，G^D(f_D(SD))和G^O(f_D(SD))分别为发送天线和接收天线的天线增益；

若节点I侦听到节点S发送的DDTS分组，可按相同的方式更新其ACL中的相关信息。