一种指向性水声网络功率控制方法技术

本发明专利技术涉及一种指向性水声网络功率控制方法，包括：源节点进行邻居发现，以最大功率全向发送RTS控制包，包含波束宽度α和自身发射功率，源节点辐射范围内的所有节点收到RTS后，计算信道增益h，并全向广播CSI控制包；源节点接收到CSI后，计算各个目的节点相对于自身的方位角和仰角；分别建立信道状态矩阵H和邻居节点方位矩阵L；源节点进行环境感知，判断辐射范围内是否存在海洋生物；再根据目的节点和其他邻居节点的相对角度，以及波束宽度α，判断通信过程中哪些节点会受到干扰；根据环境感知结果首先为每个节点定义效用函数；通过求解使效用函数最大化的功率值，为节点分配功率；修正功率值；对准目的节点，进行数据包发送。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下传感器网络中节点功率控制方法。
技术介绍
近年来，水下声学传感器网络(UnderwaterAcousticSensorNetworks,UASNs)在经济、军事等领域得到广泛应用。由于UASNs信道衰减缓慢，又具有长时延、低带宽等特点，导致信道空间复用率低，即当一个全向辐射节点正在通信时，其辐射范围内的其他节点将监测到信道占用，延迟发送。此外，UASNs与海洋生物共享水下稀缺的声谱资源，且两者使用的频谱在很大程度上重叠。实现生物友好的通信，也是UASNs研究面临的严峻挑战。本文在采用指向性换能器的基础上设计一种功率控制算法，即可有效降低节点间干扰，提高信道空间复用率，又可控制节点功率，避免对海洋生物的干扰。相比于陆地无线电通信，在水声通信中实现信道空间复用，可以更有效地提高吞吐量。而现有的UASNs功率控制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。若使节点进行指向性通信，即声能主要集中在角度为α的圆锥体区域内，α称为波速宽度，则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。
技术实现思路
本专利技术提出一种可有效降低节点间干扰，更大程度的实现信道空间复用，进而提高吞吐量的指向性水声网络功率控制方法，主要步骤如下：一种指向性水声网络功率控制方法，包括下列步骤：1)源节点进行邻居发现，以最大功率全向发送RTS控制包，包含波束宽度α和自身发射功率，使接收节点计算信道状态和确定源节点方位；源节点辐射范围内的所有节点收到RTS后，计算信道增益h，并在下一时隙开始时全向广播CSI控制包，其中包含h；2)源节点接收到CSI后，由信号到达角AOA计算各个目的节点相对于自身的方位角和仰角θ；在CSI时隙结束时，分别建立信道状态矩阵H和邻居节点方位矩阵L：矩阵H中元素为信道增益h，矩阵L中元素为其他目的节点的方位角和仰角；3)源节点进行环境感知，判断辐射范围内是否存在海洋生物；再根据目的节点和其他邻居节点的相对角度，以及波束宽度α，判断通信过程中哪些节点会受到干扰；定义指向性相关的二进制数ai，bik；若源节点i辐射范围内存在海洋生物，其对应ai＝1，反之，ai＝0；若源节点i可能干扰到节点k，其对应bik＝1，反之，bik＝0；4)根据环境感知结果首先为每个节点定义效用函数，其中归一化信道容量为收益，对其他节点的干扰为代价，节点硬件、海洋生物、最低接收信噪比为约束条件；通过求解使效用函数最大化的功率值，为节点分配功率；5)判断求得的功率值是否会对海洋生物产生干扰，若会，则重新修正功率值，使功率降到海洋生物行为受影响阈值之下；6)判断修正后的功率值是否满足各个约束条件，若满足，对准目的节点，进行数据包发送；否则节点重新进行环境感知，返回步骤1。附图说明图1是本专利技术指向性换能器示意图图2是本专利技术网络拓扑图图3是本专利技术流程图具体实施方式本专利技术提出一种指向性水声网络功率控制方法：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。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，波束图形如图1。首先源节点进行邻居发现，获取信道状态信息并确定发送方向，以提高信道空间复用率；根据信道状态信息，节点进行功率控制，避免干扰海洋生物。以图2的网络拓扑为例，六个节点均在彼此全向辐射范围之内，节点S1、S2分别向D4、D2发送数据.通信时间被划分成时隙，源节点S1、S2产生数据包，在下一时隙开始时进行发送。主要步骤如下：1.源节点进行邻居发现，以最大功率全向发送RTS控制包，包含角度α和自身发射功率，使接收节点计算信道状态和确定源节点方位。源节点辐射范围内的所有节点收到RTS后，根据源节点发送功率Ps和自身接收功率Pr由公式h(dB)＝Pr(dB)-Ps(dB)计算信道增益h，并在下一时隙开始时全向广播CSI控制包，其中包含h。2.节点S1、S2接收到CSI后，由信号到达角AOA计算四个节点相对于自身的方位角和仰角θ；在CSI时隙结束时，节点S1、S2分别建立信道状态矩阵H和邻居节点方位矩阵L，如下：3.节点S1、S2进行环境感知，判断辐射范围内是否存在海洋生物；再根据目的节点和其他邻居节点的相对角度，以及波束宽度α，判断通信过程中哪些节点会受到干扰，进而确定ai，bik的值。判断方式如表1、表2。其中分别为目的节点m、其他邻居节点k、海洋生物与源节点i所成的方位角；θim、θik、θ’分别为目的节点m、其他邻居节点k、海洋生物与源节点i所成的仰角；α为节点波束宽度。表1源节点i的ai值表2源节点i的bik值4.根据环境感知结果首先为每个节点定义效用函数，如式(1)所示：其中pi,pj分别为源节点i和干扰节点的发送功率，σ0为信道噪声，hj，hk分别为干扰节点到目的节点的信道增益和节点i到邻居节点k的信道增益，ci为非负常数。5.求解式(2)。maxui(si，s-i)；1≤i≤N(2)s.t.C1:pi∈[0，Pmax]C2:ai*pi*him≤PmammalC3：其中，Pmax表示节点硬件限制的最大功率，him表示每个节点到海洋生物的信道增益，Pmammal表示海洋生物发声影响阈值，单位为W。功率分配结果为式(3)：为保证Pi≤Pmax，使6.判断由式(3)得到的pi是否满足约束条件C2，若不满足则将pi按式(4)修正pi＝Pmammal/him(4)7.判断约束条件C3是否成立，若成立，将圆锥体辐射范围的中轴线对准目的节点，进行数据包发送；否则节点重新进行环境感知，返回步骤1。8.目的节点接收完毕后恢复ACK，通信结束。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种指向性水声网络功率控制方法，包括下列步骤：1)源节点进行邻居发现，以最大功率全向发送RTS控制包，包含波束宽度α和自身发射功率，使接收节点计算信道状态和确定源节点方位；源节点辐射范围内的所有节点收到RTS后，计算信道增益h，并在下一时隙开始时全向广播CSI控制包，其中包含h；2)源节点接收到CSI后，由信号到达角AOA计算各个目的节点相对于自身的方位角和仰角θ；在CSI时隙结束时，分别建立信道状态矩阵H和邻居节点方位矩阵L：矩阵H中元素为信道增益h，矩阵L中元素为其他目的节点的方位角和仰角；3)源节点进行环境感知，判断辐射范围内是否存在海洋生物；再根据目的节点和其他邻居节点的相对角度，以及波束宽度α，判断通信过程中哪些节点会受到干扰；定义指向性相关的二进制数ai，bik；若源节点i辐射范围内存在海洋生物，其对应ai＝1，反之，ai＝0；若源节点i可能干扰到节点k，其对应bik＝1，反之，bik＝0；4)根据环境感知结果首先为每个节点定义效用函数，其中归一化信道容量为收益，对其他节点的干扰为代价，节点硬件、海洋生物、最低接收信噪比为约束条件；通过求解使效用函数最大化的功率值，为节点分配功率；5)判断求得的功率值是否会对海洋生物产生干扰，若会，则重新修正功率值，使功率降到海洋生物行为受影响阈值之下；6)判断修正后的功率值是否满足各个约束条件，若满足，对准目的节点，进行数据包发送；否则节点重新进行环境感知，返回步骤1。...

【技术特征摘要】
1.一种指向性水声网络功率控制方法，包括下列步骤：1)源节点进行邻居发现，以最大功率全向发送RTS控制包，包含波束宽度α和自身发射功率，使接收节点计算信道状态和确定源节点方位；源节点辐射范围内的所有节点收到RTS后，计算信道增益h，并在下一时隙开始时全向广播CSI控制包，其中包含h；2)源节点接收到CSI后，由信号到达角AOA计算各个目的节点相对于自身的方位角和仰角θ；在CSI时隙结束时，分别建立信道状态矩阵H和邻居节点方位矩阵L：矩阵H中元素为信道增益h，矩阵L中元素为其他目的节点的方位角和仰角；3)源节点进行环境感知，判断辐射范围内是否存在海洋生物；再根据目的节点和其他邻居节点的相对角度，以及波束宽度α，判断...

【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