一种面向水下传感器网络的动态用户分组方法技术

本发明专利技术提供了一种面向水下传感器网络的动态用户分组方法，通过动态规划的方法，在不断迭代的情况下，达到对网络中所有节点进行两用户分组的目的，实现水声传感器网络非正交多址接入的用户分组，减少了在新用户接入或已有用户的信道条件发生严重变化时需要重新的进行分组的用户数目，降低了网络所需开销，提升了非正交多址接入在水声传感器网络中可适用性，本发明专利技术在面对水声信道状态发生严重变化或者新用户加入的情况下，网络中继节点通过少量用户的重新分组，继续达到较高的通信容量，表现出极高的动态扩展性及鲁棒性。因此本发明专利技术提高了非正交多址技术在水声传感器网络中的可用性，推动水声传感器网络进一步发展。推动水声传感器网络进一步发展。推动水声传感器网络进一步发展。

【技术实现步骤摘要】
一种面向水下传感器网络的动态用户分组方法


[0001]本专利技术涉及水声传感器网络
，通过动态用户分组方法来提高水声传感器网络非正交多址接入性能。

技术介绍

[0002]水声传感器网络是无线传感器网络的一个典型应用，作为海洋环境中的一个理想媒介，能够大范围、实时的监测目标海域，在海洋资源勘测、海洋环境监测和海域安全保证等领域拥有广阔的应用前景。
[0003]水声信道的独特环境对水声传感器网络的多址接入带来许多新的重要挑战，主要包括：有限的传输带宽、严重的多径传播、严重且频率依赖的传播损失、长且可变的传输时延、复杂的环境噪声、显著的多普勒效应、高能量消耗、高误码、时空变特性等。水声环境的这些特征对水声传感器网络的多址接入带来低频谱效率、低能量效率、低用户公平性、低服务质量、严重的远近效应、长传输时延等问题，严重降低了水声传感器网络的网络性能。
[0004]非正交多址接入(Non
‑
Orthgonal Multiple Access,NOMA)作为未来5G、6G无线通信中非常具有潜力的候选方案，其主要思想是在发送端方，不同用户占用相同的时域/频域资源，直接在功率域上通过叠加编码对多个用户信号进行叠加传输；在接收端，则通过串行干扰抵消来消除不同用户间的干扰，并对不同用户的数据进行检测和译码。可以看出，与传统正交多址接入技术不同，非正交多址接入是在功率域上进行复用的。非正交多址接入不仅可以达到多用户信道的容量上界，且相较于传统的正交多址接入方式具有更高的频谱和能量效率、更好的用户公平性、更高的小区边缘吞吐量、大规模连接、低延迟和信令开销、更宽松的信道反馈需求等优点。因此，非正交多址接入方法的优点使其对水声传感器网络具有强烈的吸引力。
[0005]功率域NOMA中用户分组对于系统吞吐量有非常重要的影响，用户组内的用户之间信道条件需要保持一定的差异性，这样可以最大化用户组的吞吐量并且利于进行信号解码。合理的用户分组可以有效提高NOMA的系统容量。现有的几种常见的用户分组算法，如贪婪分组、次优分组、混合分组等，基本思想都是先将用户按照信道条件进行排序，然后按照某种规则或策略，进行用户配对或用户分组。例如贪婪用户分组：从当前剩余的用户中，选择信道增益差值最大的几个用户进行配对，直到所有用户全部配对完成。现有算法在新用户接入或已有用户的信道条件发生严重变化时的情况中，需要重新对所有用户进行分组，动态扩展性能较弱，在用户数较多的情况下，会产生比较大的系统开销，影响网络性能。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种面向水下传感器网络的动态用户分组方法。
[0007]针对水声信道时空变特性导致的用户通信信道在大尺度范围内不能确定、可能在一段时间内用户信道条件发生明显变化等问题，结合复杂海洋环境下的水声传感器网络的
需要，本专利技术提供了一种不需要预先对所有用户进行信道增益排序的用户分组方法，通过一种动态规划的方法，实现水声传感器网络非正交多址接入的用户分组，进一步减少了在新用户接入或已有用户的信道条件发生严重变化时需要重新的进行分组的用户数目，降低了网络所需开销，提升了非正交多址接入在水声传感器网络中可适用性。
[0008]针对水声环境存在的时空不确定性，水声传感器网络存在在新节点加入或者已有节点的信道条件在一段时间内发生严重变化的情况，防止在这些情况下的对非正交多址接入性能产生的影响，进一步降低水声传感器网络在此期间产生的系统开销，提出了一种面向水下传感器网络的动态用户分组方法，通过动态规划的思想实现低复杂度求解，降低了网络产生的开销。结果表明，采用本专利技术公开的方法对水声传感器网络节点进行用户分组，降低了系统所需开销，是一种行之有效的用户分组方法。
[0009]本专利技术的目的在于：针对水声传感器网络中由于水声信道的问题发生已有节点的信道状态出现变化或者有新用户接入的情况，会影响到已有分组，使得网络性能变差的问题，提出了一种针对水声传感器网络的用户节点分组方法。
[0010]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：
[0011]步骤一：确定初始用户划分区间；
[0012]定义单个分组内最大用户数为k
max
，计算初始化不同区间用户划分间隔g，通过对已有分组用户的信道增益状态进行计算得出：
[0013][0014]其中，k≤k
max
‑
1，m、n为相邻两个分组区间内已分组用户数，|h
i
|2为用户i的当前信道增益，|h
j
|2为用户j的当前信道增益；
[0015]当已分组用户集合为空时，将前k
max
个用户作为初始已完成分组，每组内包含一个用户；
[0016]划分完成后，所有用户划分区间表示为：
[0017][0018]此外，定义用户间最小差异阈值为δ，当两用户间信道增益差异小于δ时，两用户不可分为同一分组内：
[0019]|h
i
|2‑
|h
j
|2|≤δ
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]划分完成后，用户区间表示为：
[0021][0022]步骤二：确定状态转移方程，定义分组内信道差异；
[0023]当第i+1个节点接入时，通过状态转移方程判断|h
i+1
|2是否能增加最差分组的分组内信道差异；
[0024]如果能够提高信道增益差异之和，将当前分组内记录的用户n替换为第i+1个用户，并将此用户n置入未分组区间，执行步骤四；
[0025]如果不能够提高信道增益差异之和，执行步骤三；
[0026]步骤三：判断已分区集合中是否存在已分组用户数n<k
max
的分组，若存在n<k
max
，判
断当前用户是否满足接入条件：
[0027]若已分区集合中不存在已分组用户数n<k
max
的分组，或不满足接入条件，将第i+1个用户放入未分组集合；
[0028]步骤四：确定未分组集合中是否有能够分组的用户：
[0029]采用贪婪分组算法，即判断当前未分组用户集合中k
max
个信道条件相差最大的用户是否符合公式(8)的可分组条件：
[0030][0031]即相邻用户间的信道增益差异需大于最小分组阈值δ，并且用户的信道增益分别处于不同分组划分区间内；
[0032]如果存在符合公式(8)的可分组条件的用户组，将此用户组中所有用户作为一组加入已分组集合；
[0033]步骤五：遍历新加入所有用户，重复步骤二至步骤四，直到所有节点完成分组或不可进行分组，每次完成新分组后需要对用户划分间隔g进行重新计算，以完成更新；
[0034]步骤六：输出完成分组集合：
[0035][0036]其中，最终共有i个用户组，每个用户组中最多有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向水下传感器网络的动态用户分组方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一：确定初始用户划分区间；定义单个分组内最大用户数为k
max
，计算初始化不同区间用户划分间隔g，通过对已有分组用户的信道增益状态进行计算得出：其中，k≤k
max
‑
1，m、n为相邻两个分组区间内已分组用户数，|h
i
|2为用户i的当前信道增益，|h
j
|2为用户j的当前信道增益；当已分组用户集合为空时，将前k
max
个用户作为初始已完成分组，每组内包含一个用户；划分完成后，所有用户划分区间表示为：此外，定义用户间最小差异阈值为δ，当两用户间信道增益差异小于δ时，两用户不可分为同一分组内：||h
i
|2‑
|h
j
|2|≤δ
ꢀꢀꢀ
(3)划分完成后，用户区间表示为：步骤二：确定状态转移方程，定义分组内信道差异；当第i+1个节点接入时，通过状态转移方程判断|h
i+1
|2是否能增加最差分组的分组内信道差异；如果能够提高信道增益差异之和，将当前分组内记录的用户n替换为第i+1个用户，并将此用户n置入未分组区间，执行步骤四；如果不能够提高信道增益差异之和，执行步骤三；步骤三：判断已分区集合中是否存在已分组用户数n<k
max
的分组，若存在n<k
max
，判断当前用户是否满足接入条件：若已分区集合中不存在已分组用户数n<k
max
的分组，或不满足接入条件，将第i+1个用户放入未分组集合；步骤四：确定未分组集合中是否有能够分组的用户：采用贪婪分组算法，即判断...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜喆，马艺航，闫永胜，王海燕，申晓红，何轲，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：