[发明专利]一种指向性环境友好频谱决策方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下认知声学通信中生物定位，频谱分配与功率控制的方法。

背景技术

水声传感器网络，也称为水下无线传感器网络(UnderwaterWireless SensorNetworks，UWSNs)由批量部署在水下的传感器组成，是以无线方式通信的网络。UWSNs使用的声频谱范围，与以海洋生物为首的“自然声学网络”频谱范围有大部分重叠，为哺乳动物带来环境噪声，干扰着水生生物的生活。所以，引入认知技术，使节点可以感知到环境中的海洋生物，并进行合理的信道分配及功率控制，使UWSNs环境友好地工作就显得尤为重要。

现有的UWSNs频谱决策方法采用全向通信节点——节点通信范围为球体，信道空间复用率低，未能在避免干扰海洋生物的同时提高网络吞吐量。若采用指向性通信节点，可有效降低节点间干扰，更大程度的实现信道空间复用，进而提高吞吐量。节点的指向性通信可通过使用部署指向性水声换能器来实现。水声换能器是实现声电/电声信号转换的重要部件，其中指向性换能器的发射声能主要集中于空间某一方向，其余方向上则仅有少量声能。其最大辐射波束称为主瓣，在最大辐射方向两侧，辐射功率下降3dB的两边夹角α称为波束宽度。

在UWSNs中使节点进行指向性通信时，若距离较近的两对节点均位于彼此辐射范围之外，这两对节点可以同时通信而不产生干扰；当节点附近出现海洋生物但在节点辐射范围之外时，节点频谱及功率可不受海洋生物限制。若假设节点进行全向辐射，那么当一对节点进行通信时，另一对节点必须停止工作，避免产生干扰，当节点附近出现海洋生物时，节点频谱及功率必须受到海洋生物的限制，以实现环境友好的通信。因此所有默认节点全向发送的传统的算法设计会在一定程度上造成频谱未充分利用的问题。

发明内容

本发明为了提高水下传感器网络稳定性，提高信道容量和频谱利用率，改善海洋哺乳动物与水下传感器网络友好共存的问题，提出了一种指向性频谱决策方法。采用如下技术方案：

一种指向性环境友好频谱决策方法，包括下列步骤：

a.当源节点有数据需要发送时，向认知中心发出通信请求，请求包括自身坐标、发包数量、拟通信方向及波束宽度α，认知中心收到源节点的通信请求后，决定是否同意该源节点通信并回复结果；

b.源节点的通信请求被同意后，进行环境感知，判断周围是否存在海洋生物，并将结果发送至认知中心；

c.认知中心进行海洋生物定位，判断节点波束宽度为α的通信范围内是否存在海洋生物，若存在，判断其到节点的距离；考虑到海洋生物处于运动状态，将通信范围边界扩展，降低定位误差；将扩展后的通信范围称为安全范围；

d.认知中心将安全范围内存在海洋生物的节点存于集合E，再基于香农定理，以系统容量最大化为目标、海洋生物行为受影响阈值为限定条件定义优化方程，通过求解最优化问题进行信道功率联合分配，并将分配结果发送至源节点；

e.源节点收到认知中心的分配结果后，开始向目的节点发送数据包，通信过程中源节点需定时进行环境感知，发现与海洋生物冲突后，申请更换信道；

f.目的节点接收完毕后，回复ACK结束通信。

附图说明

图1是本发明工作流程图

图2是本发明水下传感器节点与海洋哺乳动物分布示意图

图3(a)(b)(c)分别是本发明海洋生物、通信范围和安全范围的关系

具体实施方式

一种指向性环境友好频谱决策方法，即换能器波束呈α角向某一方向辐射，环境友好地进行海洋生物定位以及频谱功率联合分配的方法。本发明中，水下网络采用集中式的频谱分配及功率控制策略，海面基站充当认知中心，传感器节点充当认知用户，传感器节点坐标已知。本发明对海洋生物的定位只需要判断生物是否在节点辐射范围内，而无需得出海洋生物具体坐标，且在海洋生物处于运动状态、通信时延长的条件下保证较低错误率。定位结束后，将辐射范围内存在海洋生物的节点定义为集合E。当节点属于集合E时，其功率同时受到硬件与海洋生物门限值的限制，反之，仅受硬件限制。本发明包括下列步骤：

a.选定5km*5km的平面区域，区域内存在4对节点对，如图2。当源节点有数据需要发送时，向认知中心发出通信请求，请求包括自身坐标、发包数量、拟通信方向及角度α，认知中心收到认知用户的通信请求后，综合各种因素决定是否同意该源节点通信并将结果返回至源节点。

b.源节点的通信请求被同意后，节点对进行环境感知并将结果发送至认知中心，认知中心进行海洋生物定位：