[发明专利]栅形时反多址下水声网络建模与最佳单跳距离确定方法

权利要求书

1.一种栅形时反多址下水声网络建模与最佳单跳距离确定方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：网络模型建模：建立一个栅形水声网络，均匀浅海下，不同深度上布置两条链形水声链路，链路轴线处于不同深度，两条链路节点间距离相等，形成一个栅形水声网络；

步骤2：浅海多径信道建模：均匀浅海中声速分布均匀，本征声线简化为直线；无界时，声源辐射在远场点处声强表示为q₀为声压振幅，R为声源与接收点间的距离，为吸收系数，点声源声能辐射的过程看作向外发射无数条声线，不同的声线经过不同路程到达接收端，声线分为四组，分别是直达声线S₀₁、经海底一次反射声线S₀₂、经海面一次反射声线S₀₃、经过一次海面和一次海底反射的声线S₀₄，将四条声线称为本征声线；

在声源位置放置一条竖直方向的坐标轴Z轴，利用镜像原理，根据几何关系在Z轴上为每一条声线都设置一个虚源，使得虚源到达接收点的直线距离与对应声线的实际传播距离相等，本征声线等效为由虚源直接射出的直达声线；接收点处不同声线所形成的声场等效为不同虚源直接辐射共同作用的声场，则本征声线虚源与接收点间距离为：

其中，声源点的坐标为(0，z₀)，接收点的坐标为(l，z)，l为声源与接收点间的水平距离，单位为km；

接收点处本征声线虚源辐射共同作用的声场为：

其中，q为接收点处声强，V₁为海底反射系数，V₂为海面反射系数，浅海深度为H，单位为km，假定V₁和V₂与声线的入射角无关，则令q_0i＝exp(jkR_0i)/R_0i，i＝1，2，3，4，其中，i＝1为声源点，i＝2为经海底反射一次的声线对应的虚源，i＝3为经海面反射一次的声线对应的虚源，i＝4为经过一次海面和一次海底反射的声线所对应的虚源，式(2)简化为：

q＝q₀₁+V₁q₀₂+V₂q₀₃+V₁V₂q₀₄ (3)

用k表示虚源阶数，虚源阶数越高，声线经过海面和海底的反射次数就越多，定义四组本征声线的虚源阶数为0，增加虚源阶数，将因海底、海面反射的声线排列组合分组，则接收点与第k阶虚源ki间的距离表示为：

其中，i＝1，2，3，4，接收点处k阶虚源共同作用的声场表示为：

根据传播损失与声压与声强的换算关系，在虚源与接收点间距离R_ki已知的条件下，第k阶的第i个虚源ki在接收点处产生的声强为：

其中，为吸收系数，I₁为声源级声强，根据声强与声压的平方换算关系，虚源ki在接收点处产生的声压为：

则虚源ki对应的本征声线声压归一化衰减为：

取虚源阶数k＝{0，1，…6}，基于海面反射系数V₂＝-1，海底反射系数V₁＝1的条件进行仿真建模；

取水下的声速为1500m/s，则每条本征声线的时延计算为：

在均匀浅海下两种水声网络系统模型中，若水声网络中两节点i与j的深度与水平距离r已知，则节点链路间的多径信道冲击函数的衰减和时延根据式(8)和式(9)得到；

步骤3：单跳传输功率-距离建模：时反多址下栅形水声网络中，一条传输简化为四节点并行传输的模型，以接收端的SINR作为节点服务质量标准，根据栅形网络模型，设置对应节点链路的单跳距离均为r；

在满足接收节点服务质量SINR₀的条件下，一跳传输所需的功率表示为如下数学模型：

其中，P_a(r)，P_c(r)分别为发射节点a和c的发射声功率，SINR_b，SINR_d分别为对应接收节点b和d的接收信干比，接收信干比门限均设置为SINR₀；

设最小总发射声功率为P(r)，即P(r)＝P_a(r)+P_b(r)，则通过换算得到实际所需的发射声源级为：

其中，ξ表示信噪比差额，和信道所提供的信噪比的差值；χ为信噪比余量，为发射声源级，P(r)为总发射声功率，P_ref为参考声压，取值为μP_a；

将发射声源级换算为所需发射电功率：

其中，10^-17.2为声功率微帕转电功率瓦特的转换因子，η为功率放大器与换能器的整体转换效率；

采用线性回归的方法对所需发射电功率进行拟合，则式(12)用拟合函数表示为：

步骤4：确定源节点与目的节点间距离：均匀浅海下，网络中不同节点等间距放置在同一深度，形成一条由源节点到目的节点的栅形水声网络链路，源节点与目的节点间距离已知，假设源节点x₀与目的节点x_n的总距离为S，单位为km，源节点与目的节点间等距放置n-1个中继节点，取声源与接收点间的单跳距离为r，单位为km，构成一个n跳网络；

步骤5：确定单跳传输能耗：时反多址中，节点间一次完整的数据传输过程包括四个步骤：发射节点发送探针请求包；接收节点发送探针包；发射节点发送时反数据包；接收节点回复ACK包；设数据包、探针预约包、探针包、ACK包长度为分别为L_DATA，L_P-R，L_Probe，L_ACK，若总包长L＝L_DATA+L_P-R+L_Probe+L_ACK，数据包传输产生的能耗包括发包能耗与收包能耗，栅形水声网络单跳传输一个包的能耗表示为：

其中，r表示声源与接收点间的单跳距离；E表示能耗，单位为J，包括发包能耗E_发包与收包能耗E_收包两部分；为节点接收功率，单位为瓦特，是一个与传输距离无关的常量；L为总包长，单位为字节，为栅形网络单跳传输功率-距离函数，单位为瓦特，θ₁，γ₁为栅形网络单跳传输功率-距离模型参数；α为带宽利用率，单位为Bps/Hz，为根据传输距离r确定的-3dB带宽；

步骤6：计算网络总能耗：

若信息通过整个网络需要经n跳转发，则将n跳能耗叠加后的整个网络总能耗为：

若栅型网络的总距离为Skm，其中r＝S/n代入得到总距离下网络能耗与跳数函数：

步骤7：根据栅形网络的总距离S，确定栅形主动时间反转的水声传输最佳单跳距离为：

步骤8：根据栅形水声网络的最佳单跳距离设置栅形水声网络的节点布放，从而达到网络能耗最优的效果。