【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下通信和水下传感器网络领域，具体涉及一种uasns中基于pg-d3qn的节能自适应mac协议设计方法。
技术介绍
1、水声传感器网络(underwater acoustic sensor networks,uasns)的研究与应用近年来引发了广泛的关注。uasns在海洋动植物监测、水物理化学成分分析、资源勘探、战术监视和辅助导航等方面具有广阔的应用前景。然而不同于地面无线传感器网路，uasns具有低带宽、长延迟、多径效应造成的信号衰落等复杂特点，且水下通信以高能耗著称，而水下节点的能量有限。因此如何高效、稳定、节能的收集数据是一个亟待解决的问题。
2、mac协议设计的关键是如何节能地提高网络吞吐量，然而，由于水声通信能耗高，水下环境又处于不断的变化中，这给设计节能的通信协议带来了难度。为了有效的进行数据传输，近年来涌现出了许多媒介接入控制(media access control,mac)协议。现有的mac协议往往考虑的是静态稳定、结构简单的网络，没有考虑实际部署的复杂场景，且没有将水下节点的动态性考虑至协议设计中，或者考虑了但成本太高。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术设计了一种uasns中基于深度强化学习的节能自适应mac协议设计方法，深度强化学习算法为结合优先级经验重放(per)和门控循环单元(gru)的对抗双深度q网络(d3qn)，简称为pg-d3qn，用于节点稀疏部署、混合其他mac协议的应用场景。通过合理规划中继节点的数量，最小化源
2、实现上述目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种uasns中基于pg-d3qn的节能自适应mac协议设计方法，包括以下步骤：
3、(1)网络初始化期间，所有汇聚节点广播自己的id和位置，其余所有节点需要计算并存储自己与所有汇聚节点的距离和对应的汇聚节点的id；
4、(2)每个存在数据待发送的源节点基于能耗模型，根据自己与目的汇聚节点的距离计算最佳中继距离；
5、(3)发送节点通过控制发送功率，根据中继节点的权值，即被选取为中继节点的优先级，选取权值最大值和次大值，其中最大值为最终中继节点，次大值被发送节点存储。每次发送完成后，最终中继节点的权值会更新，次大值用于与更新后的权值比较，判断是否更新中继节点；
6、(4)在确定下一跳的中继节点后，发送节点控制发送功率，以不同的mac协议进行传输数据。其中，部署了pg-d3qn算法的节点可以学习到tdma节点和aloha节点未使用的空闲时隙或未充分利用的时隙，提高网络吞吐量。中继节点在收到数据后，进行迭代操作；
7、(5)发送节点在完成发送操作后，需要控制自己的接收功率，以监听到下一跳节点的数据包，并根据数据包里的数据更新权值。判断当前权值和次大值的关系：若大于次大值，则继续选择该节点为中继节点；若小于次大值，则重新计算其余节点的权值，选择最优值与更新后的权值对比，较大者为新一轮的中继节点。当下一跳为目的汇聚节点时，则不需要监听，直接通过返回ack包进行权值的更新操作，然后继续传输数据。
8、优选地，上述步骤(2)中的最佳中继距离。源-目的汇聚节点距离较大情况下，可以通过添加中继节点的方式，影响网络整体能耗。不同距离场景下，都存在一个最佳的中继节点数量，使得整个传输过程的能耗最低。关于最佳中继距离的计算，具体包括以下步骤：
9、(2.1)发送节点s获取自身与目的汇聚节点d的距离lsd；
10、(2.2)基于能耗模型，根据源-目的汇聚节点距离计算出最佳中继节点的数量n。关于能耗模型，uasns环境中的主要耗能部件为传感器节点，节点的耗能主体是控制器和通信模块。由于通信模块是节点中能耗最大的部件，所以为了简化能耗模型，本专利技术主要讨论通信模块的能耗。为了不失一般性，对于水声传感器网络节点通信模块，其工作平均功耗可以表示为
11、e＝ntx·[ptx·(ttx+tst)+pout·ttx]+nrx·[prx·(trx+tst)] (1)
12、式中，ntx/rx是发送/接收单元工作次数；ptx/rx是发送/接收单元电路的平均能耗；pout是输出功率；tsw是状态切换时间，假设状态切换时间是相同的；ttx/rx是发送/接收单元工作时间，主要由包长、传输速率、编码效率来决定，即
13、ttx/rx＝l/r·rcode (2)
14、式中，l为传输包长，r为比特率，rcode为编码率。
15、为了确定从一个源节点经过n次中继发送一个持续时间为ttx的单个数据包给传输距离为r的接收节点所需要的传输能量，假设接收功率电平为p0就达到需要的接收质量。即若在距离接收节点为x的发送节点到达接收节点处的功率为p0，根据水声衰减系数可以得到发送节点的传输功率需要a(x)·p0。同理，在距离r/n+1的节点间传输一个数据包，节点需要以发送功率
16、p(r/n+1)out＝a(r/n+1)·p0 (3)
17、式中，p0可以由信噪比snr和中心频率f之间的关系计算得到。
18、在具体实施中，确定传感器节点的型号后，可以将相关的设备参数带入公式(1)，得到具体的公式。目前，传感器节点的传输半径在千米级别，许多商用的传感器的传输半径超过5km，所以加入数量在10个以内的中继节点适用于大部分的实际场景。因此，可以通过计算不同中继节点数量情况下的能耗，确定能耗最少的情况，即可确定最佳中继节点的数量。
19、(2.3)计算最佳中继节点j的距离：
20、
21、优选地，上述步骤(3)选取最终中继节点，具体包括以下步骤：
22、(3.1)发送节点根据最佳中继距离控制发送功率，
23、确保传输范围为最佳中继距离lsj，获取两个权值最大的节点为候选中继节点；中继节点k的权值定义如下：
24、
25、其中，lsk表示源节点和中继节点的距离，lsj表示最佳中继距离，esur表示中继节点的剩余能量，取值范围为[0,100]，dep表示节点的深度；
26、(3.2)发送节点根据前一步骤中较近的候选中继节点的距离，假设为llast_round，则重新调整发送功率，扩大传播范围为2lsj-llast_round，并挑选两个权值最大的节点为候选中继节点，此时的中继节点k的权值定义如下：
27、
28、其中，lsk表示源节点和中继节点的距离，lsj表示最佳中继距离，esur表示中继节点的剩余能量，取值范围为[0,100]，dep表示节点的深度；
29、(3.3)发送节点在四个候选中继节点中，选取最大值为最终中继节点，将次大值存储，以便于后续的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种UASNs中基于PG-D3QN的节能自适应MAC协议设计方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的UASNs中基于PG-D3QN的节能自适应MAC协议设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中的最佳中继距离的计算包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种UASNs中基于PG-D3QN的节能自适应MAC协议设计方法，其特征在于：所述步骤(3)选取最终中继节点，具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种UASNs中基于PG-D3QN的节能自适应MAC协议设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中以不同的MAC协议进行传输数据，网络中存在三种节点，分别执行不同类型MAC协议：TDMA节点、Aloha节点和部署了PG-D3QN算法的节点；其中，TDMA节点和Aloha节点采用均匀部署的方式，而部署PG-D3QN算法的节点采用随机部署的方式，时隙长度设置为包含传输延迟、网络中最大中继距离的两倍传播延迟和数据包长度，在进行数据传输时，各自节点利用自己的MAC协议进行传输；
5.根据权利要求1所述的一种UASNs中基于
...【技术特征摘要】
1.一种uasns中基于pg-d3qn的节能自适应mac协议设计方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的uasns中基于pg-d3qn的节能自适应mac协议设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中的最佳中继距离的计算包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种uasns中基于pg-d3qn的节能自适应mac协议设计方法，其特征在于：所述步骤(3)选取最终中继节点，具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种uasns中基于pg-d3qn的节能自适应mac协议设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中以不同的mac协议进行传输数据，网络中存在三种节点，分别执行不同类型mac协议：tdm...
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