当前位置: 首页 > 专利查询>天津大学专利>正文

一种指向性环境友好频谱决策方法技术

技术编号:15336690 阅读:90 留言:0更新日期:2017-05-16 22:28
本发明专利技术涉及一种指向性环境友好频谱决策方法,包括: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;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;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,进行信道功率联合分配,并将分配结果发送至源节点;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。

【技术实现步骤摘要】
一种指向性环境友好频谱决策方法
本专利技术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。
技术介绍
水声传感器网络,也称为水下无线传感器网络(UnderwaterWirelessSensorNetworks,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。
技术实现思路
本专利技术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是本专利技术工作流程图图2是本专利技术水下传感器节点与海洋哺乳动物分布示意图图3(a)(b)(c)分别是本专利技术海洋生物、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。本专利技术中,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。本专利技术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。本专利技术包括下列步骤: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:(1)以节点为顶点,角度为α的扇形区域为节点通信范围。通信前,源节点将角α平分线对准目的节点,唤醒目的节点后两节点针对海洋生物到节点的距离d和附近其他节点信道使用情况进行感知。海洋生物运动速度为vm/s,其距离通信范围边界为ym,节点感知到海洋生物到节点开始发送数据的时间间隔为ts,定位误差定义为感知到海洋生物在节点通信范围之内(外),但节点发送数据时海洋生物运动到通信范围之外(内)。(2)要求定位误差不大于e时,通过公式:cos-1(y/vs)/π≤e得到y,并将通信范围边界扩展距离y,扩展后的范围称为安全范围。(3)以目的节点为圆心,d为半径的圆在安全范围内时,即圆与安全范围边界无交点或有且仅有两个交点。则认为安全范围内有海洋生物,定位结束;反之,求出交点到节点的距离:d1,d2,若感知到的海洋生物到节点的距离位于两者之间,则认为安全范围内无海洋生物,反之认为安全范围内存在海洋生物。将范围内存在海洋生物的节点存与集合E:步骤1:第k个节点对共感知到sum只海洋生物,第i只到源节点的距离为dmi,到目的节点的距离为dni,初始i=0;设源节点m坐标为(xm,ym)、目的节点n坐标为(xn,yn),s为安全范围边界距通信范围边界的距离,集合B、E初始为空集;步骤2:若sum等于0,转至步骤5;否则,从感知到的第一只起,即i=1;步骤3:求解方程组步骤4:若方程组无解或有且仅有一个解,如图3(a)(b)所示,判定范围内有海洋生物,将相应的dmi保存至集合A中。若如图3(c),有两个不同解:(x1,y1)、(x2,y2),则求出两点到m的距离d1、d2,若min{d1,d2}<dmi<max{d1,d2},直接转至步骤5,否则将相应的dmi保存至集合B中;步骤5:若B为非空集合,检索其中元素,使得Dmin=mindmi,并将该节点保存至集合E,否则算法继续;步骤6:,若i<sum,使i值加一,返回至步骤2;i=sum时,针对下一对节点重复算法1,直至遍历所有节点。c.认知中心基于海洋生物定位的结果进行信道功率联合分配,并将分配结果发送至源节点:(1)在UWSNs系统中,共有K对节点,每个节点对用k表示,k∈[1,K];对于节点对k,mk代表由k感知到的正在通信的节点对,为避免冲突,节点对k与mk不能使用同一信道;通信信道被划分为N条子信道,每条子信道用n表示,n∈[1,N];矩阵A为信道分配矩阵,其元素ank是二进制元素,当节点对k占用子信道n时,ank=1,反之ank=0;矩阵P为功率分配矩阵,其元素Pnk表示第k个节点对在子信道n中的传输功率;矩阵H为信道增益矩阵,其元素hnk=A(dk,fn)-1,A(dk,fn)表示第k个节点对在子信道n中的传播损耗,其中dk为节点对之间的通信距离,dk为信道k的中心频率。(2)通信范围内存在海洋生物的节点在本文档来自技高网
...
一种指向性环境友好频谱决策方法

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员:金志刚马莹莹罗咏梅
申请(专利权)人:天津大学
类型:发明
国别省市:天津,12

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1