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生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法技术

技术编号:13608340 阅读:155 留言:0更新日期:2016-08-29 01:08
本发明专利技术涉及一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法,包括:UCANs中的主用户为海洋哺乳动物,传感器节点为次级用户,以海洋哺乳动物的发声占用的频段为授权频段,将授权频段分为两部分,对于使用频率高的频段海洋哺乳动物有优先使用权;认知用户接收到认知中心的同意通信信息后,对信道进行频谱感知,发送功率需要低于对海洋哺乳动物的听力阈值;认知用户根据认知中心的分配信息进行通信,在通信过程中仍然需要进行频谱感知。本发明专利技术能够避免传感器节点通信对海洋哺乳动物间通信的干扰,同时合理利用与分配水下频谱资源,基于认知技术,实现频谱资源的高效利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下认知声学通信
,具体的讲是一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法
技术介绍
水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)中的传感器节点与海洋哺乳动物共存于水下环境且均采用声波通信,但是,目前大部分的研究主要着眼于单一的网络情景,较少考虑UASNs通信对海洋哺乳动物正常生活的影响。随着水声传感器网络技术的广泛应用,人工声信号对海洋哺乳动物造成的影响也在逐渐增加,为了减少对它们的影响,实现生物友好的水声网络通信,UASNs的设计面临严峻的挑战。水下网络环境中频谱资源稀缺,而且稀缺的频谱资源没有得到充分地利用。借鉴陆地无线电提高频谱利用率的方法,将认知技术引入水下通信环境中。认知无线电技术在陆地通信中的应用已经非常广泛,它可以感知周围环境,并根据检测结果实时调整工作参数。因此,以传统陆地无线认知网络为基础,提出了水下认知声网络(UnderwaterCognitive Acoustic Networks,UCANs)的概念,UCANs中通过感知UASNs周围环境,并调整通信信道、发送功率或者其他操作运行参数,达到了合理分配水下频谱资源,提高频谱利用率的目的。在UASNs中,传感器节点可以选择未被占用的频段进行通信,提高了水声通信的频谱利用率,在一定程度上解决了水声通信带宽窄的问题。UCANs中包括两项关键技术,分别是功率控制和信道分配。在解决UASNs海洋哺乳动物与传感器节点共存的认知水声网络通信过程中,功率控制技术起到了关键性的作用,控制认知用户传输数据时发送功率的大小,避免对海洋哺乳动物通信造成干扰的同时,达到频带利用率提高的目的。
技术实现思路
为了避免传感器节点对海洋哺乳动物造成的影响,同时解决频谱利用率低的问题,本专利技术提出了一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法。该方法中,应用认知水声技术,将海洋哺乳动物作为主用户,传感器节点作为次级用户,即认知用
户。采用集中式的通信方式,通过频谱感知,认知用户将信道占用信息发送给认知中心,认知中心通过信道分配算法结合功率控制算法为认知用户分配发送功率与发送信道。实现频谱资源的高效利用。本专利技术技术方案如下:一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法,包括下列步骤:步骤一:UCANs中的主用户为海洋哺乳动物,传感器节点为次级用户,以海洋哺乳动物的发声占用的频段为授权频段,将授权频段分为两部分,对于使用频率高的频段海洋哺乳动物有优先使用权,传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信;对于授权频段中的其他频段,传感器节点作为次级用户,通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱共享;当传感器节点有数据需要发送时,首先向认知中心发送通信请求,认知中心在收到请求后,需要向认知用户反馈是否同意通信信号;步骤二:认知用户接收到认知中心的同意通信信息后,对信道进行频谱感知,感知各个子信道所处的状态,即忙碌还是空闲,以及各主用户与认知用户的发送功率发送信道信息,并将频谱感知结果发送给认知中心。步骤三:认知中心需要根据感知结果为认知用户分配发送功率与传输信道,认知节点的发送功率需要低于对海洋哺乳动物的听力阈值Pth:Pth=(k·10lg d+d1000·10lg fn)·10(0.1(δ-170.77))]]>其中,k是路径损耗系数,反映信号传播的几何形状:k=1用于圆柱形传播,k=2用于球形传播,d是距离当前接入的认知用户最近的海洋哺乳动物与当前认知用户的距离,fn是第n个信道的中心频率,δ是海洋哺乳动物的行为影响阈值,单位为dBμPa,听力阈值是一个功率上限,当海洋哺乳动物感知到的声音信号功率低于该值时,将不会对这个声音信号做出任何反应;同时将认知用户的发送功率与发送信道分配结果发送给认知用户。步骤四:认知用户根据认知中心的分配信息进行通信,在通信过程中仍然需要进行频谱感知,监听其周围主用户对信道的使用情况,如果需要更换信道,则需再次向认知中心发出请求,进行新一轮的功率分配与信道分配。本专利技术将认知技术与水声通信相结合,采用集中式的水下通信策略。将海洋哺乳动物作为主用户,传感器节点作为次级用户,因此海洋哺乳动物发声占用的频段为授权频段,该方法的核心是对于授权频段中的部分频段,海洋哺乳动物有优先使用权,传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信。对于授权频段中的其他频段,传感器节点作为次级用户,可
通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱共享。在UASNs中,该方法能够避免传感器节点通信对海洋哺乳动物间通信的干扰,同时合理利用与分配水下频谱资源,基于认知技术,实现频谱资源的高效利用。附图说明图1是本专利技术生物友好的认知水声网络通信流程图具体实施方式为了避免传感器节点对海洋哺乳动物造成的影响,同时解决频谱利用率低的问题,本专利技术提出了一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法。该方法中,应用认知水声技术,将海洋哺乳动物作为主用户,传感器节点作为次级用户,即认知用户。采用集中式的通信方式,通过频谱感知,认知用户将信道占用信息发送给认知中心,认知中心通过信道分配算法结合功率控制算法为认知用户分配发送功率与发送信道。实现频谱资源的高效利用。本专利技术具体的实现步骤是:步骤一:UCANs中的主用户为海洋哺乳动物,传感器节点为次级用户,以海洋哺乳动物的发声占用的频段为授权频段,为了频谱资源的高效利用,将授权频段分为两部分,对于使用频率高的频段海洋哺乳动物有优先使用权,传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信。对于授权频段中的其他频段,传感器节点作为次级用户,可通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱共享。当传感器节点有数据需要发送时,首先向认知中心发送通信请求,认知中心在收到请求后,需要向认知用户反馈是否同意通信信号。步骤二:认知用户接收到如果收到认知中心的同意通信信息,则对信道进行频谱感知,感知各个子信道所处的状态,即忙碌还是空闲,以及各主用户与认知用户的发送功率发送信道等信息,并将频谱感知结果发送给认知中心。步骤三:认知中心需要根据感知结果为认知用户分配发送功率与传输信道。为了避免对海洋哺乳动物的干扰,认知节点的发送功率需要低于对海洋哺乳动物的听力阈值Pth。阈值计算公式为:Pth=(k·10lg d+d1000·10lg fn)·10(0.1(δ-170.77))]]>其中,k是路径损耗系数,反映了信号传播的几何形状:k=1用于圆柱形传播,k=2用于
球形传播,这里选用k=2。d是距离当前接入的认知用户最近的海洋哺乳动物与当前认知用户的距离,fn是第n个信道的中心频率,δ是海洋哺乳动物的行为影响阈值,单位为dBμPa,听力阈值是一个功率上限,当海洋哺乳动物感知到的声音信号功率低于该值时,它将不会对这个声音信号做出任何反应,但是,如果感知到的声音信号功率高于听力阈值,海洋哺乳动物的身体或行为就会受到一定的影响。同时将认知用户的发送功率与发送信道分配结果发送给认知用户。步骤四:认知用户根据认知中本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法,包括下列步骤:步骤一:UCANs中的主用户为海洋哺乳动物,传感器节点为次级用户,以海洋哺乳动物的发声占用的频段为授权频段,将授权频段分为两部分,对于使用频率高的频段海洋哺乳动物有优先使用权,传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信;对于授权频段中的其他频段,传感器节点作为次级用户,通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱共享;当传感器节点有数据需要发送时,首先向认知中心发送通信请求,认知中心在收到请求后,需要向认知用户反馈是否同意通信信号;步骤二:认知用户接收到认知中心的同意通信信息后,对信道进行频谱感知,感知各个子信道所处的状态,即忙碌还是空闲,以及各主用户与认知用户的发送功率发送信道信息,并将频谱感知结果发送给认知中心。步骤三:认知中心需要根据感知结果为认知用户分配发送功率与传输信道,认知节点的发送功率需要低于对海洋哺乳动物的听力阈值Pth:Pth=(k·10lg d+d1000·10lg fn)·10(0.1(δ-170.77))]]>其中,k是路径损耗系数,反映信号传播的几何形状:k=1用于圆柱形传播,k=2用于球形传播,d是距离当前接入的认知用户最近的海洋哺乳动物与当前认知用户的距离,fn是第n个信道的中心频率,δ是海洋哺乳动物的行为影响阈值,单位为dBμPa,听力阈值是一个功率上限,当海洋哺乳动物感知到的声音信号功率低于该值时,将不会对这个声音信号做出任何反应;同时将认知用户的发送功率与发送信道分配结果发送给认知用户。步骤四:认知用户根据认知中心的分配信息进行通信,在通信过程中仍然需要进行频谱感知,监听其周围主用户对信道的使用情况,如果需要更换信道,则需再次向认知中心发出请求,进行新一轮的功率分配与信道分配。...

【技术特征摘要】
1.一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法,包括下列步骤:步骤一:UCANs中的主用户为海洋哺乳动物,传感器节点为次级用户,以海洋哺乳动物的发声占用的频段为授权频段,将授权频段分为两部分,对于使用频率高的频段海洋哺乳动物有优先使用权,传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信;对于授权频段中的其他频段,传感器节点作为次级用户,通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱共享;当传感器节点有数据需要发送时,首先向认知中心发送通信请求,认知中心在收到请求后,需要向认知用户反馈是否同意通信信号;步骤二:认知用户接收到认知中心的同意通信信息后,对信道进行频谱感知,感知各个子信道所处的状态,即忙碌还是空闲,以及各主用户与认知用户的发送功率发送信道信息,并将频谱感知结果发送给认知中心。步骤三:认知中心需要根据感知结果为认知用户分配发送功率与传输信道,认知节点的发送功率需要低于对海...

【专利技术属性】
技术研发人员:金志刚王健苏毅珊
申请(专利权)人:天津大学
类型:发明
国别省市:天津;12

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