[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

说明书

本发明提供了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，通过网络模型建模、浅海多径信道和单跳传输功率‑距离建模，通过确定源节点与目的节点间距离和单跳传输能耗，计算得到网络总能耗，根据栅形网络的总距离确定栅形主动时间反转的水声传输最佳单跳距离，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。本发明通过合理设置单跳距离，节约了网络能耗，并提高了信道可用带宽。

技术领域

本发明涉及水下通信领域，尤其是涉及时间反转理论，多址接入技术。

背景技术

海洋关乎国家经济发展与主权维护，与人类的生存与发展息息相关。不论是海洋勘探、资源开发还是航运贸易，任何海洋活动都离不开数据传输及信息交互。不同于电磁波通信，海洋水声信道具有传播时延大、数据速率低的特点，而海洋存在显著的多径效应，而这使得水声信道冲击响应与发射节点和接收节点的空间位置息息相关，也就是说水声信道是空变的。海洋环境复杂多变，因此海洋水声信道可以说是最复杂的无线信道之一。而且水声网络中节点成本高布放花费较大，且节点一旦布置好更换困难尤其是在深海中。针对水声信道特性复杂和水下能耗受限等问题，在水声学与信息领域进行了多址接入机制等一系列研究，成为了近些年来的研究热点。

多址接入机制将有限的信道资源分配给多个用户，从而实现多用户之间的公平、有效的接入信道，共享信道资源，并尽量避免不同节点接入信道产生的碰撞和冲突。如果网络中没有一个高效的多址接入机制管理媒质的接入。网络在进行信息交互的过程中，相邻链路的用户在并行传输时将产生数据包的碰撞，严重降低网络的性能。设计选择适用于水声网络的多址接入机制对于减少节点间的冲突有重要意义。

水声网络时间反转多址接入(时反多址)机制，利用水下复杂多径信道的空变特性和时间反转的空时聚焦能力，获得数据包传输过程中的冲突避免，时反多址是一种适用于水声网络高效多址接入机制。时间反转技术基于传输互易性与时反不变性原理，能够利用复杂多径信道的空变特性实现接收的多径信号在时间上的压缩和空间上的聚焦。变多径劣势为优势，利用海洋自身完成对信道冲激响应的空时匹配滤波。实现了复杂多径信号自适应地在接收位置处的空时聚焦。其中主动时反多址接入利用复杂水声多径传播造成的网络中不同链路间信道响应的空间弱相关性，获得信号在接收位置的空时聚焦，发挥了有效隔离水声网络相邻链路间信号干扰的关键作用。提高了信道的空间复用度。

同时由于水声通信道的路径损耗不仅与传输距离有关，还与信号频率有关，针对水声传输能耗问题，研究表明可以采用最小方差估计精确地拟合信道带宽和发送功率与距离间的关系。拟合结果表明在给定信噪比下，水声信道的可用带宽和所需发送功率分别随距离增加呈指数降低和升高。通过引入中继节点是一种提升水声系统整体性能的方法。但上述发射功率与传输距离的建模过程中仅考虑收发节点间单一直达径，传输损耗也只考虑直达径的损耗，多径传输中不同径的传输距离与损耗的差异均没有考虑，并且在针对时反多址水声网络并行传输的栅形水声网络能耗研究也并未出现。

均匀浅海中声速分布均匀，声线简化为直线，便于根据节点间位置关系对水声信道进行建模。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供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。为了降低栅形时反多址水声网络能耗，通过合理设置单跳传输距离，使得整个网络能耗最小，提出了一种均匀浅海下栅形时反多址下水声网络建模与最佳单跳距离确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细步骤如下：

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；