CN104244441A - 水下传感器网络中多个认知节点接入频谱空洞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下传感器网络中多个认知节点接入频谱空洞的方法，该方法中，发送数据的认知节点称为源节点，接收数据的认知节点称为目的节点，水下传感器网络中各个信道的状态以一定的概率进行转换，在发送数据前，源节点要：更新概率向量；选择信道；感知信道；若感知结果允许接入a^*，则向目的节点发送RTS报文，在RTS报文中同时发送Ω(t)，并对a^*所在的位置进行标注；目的节点在接收到RTS报文后，进行信道分配；目的节点按照分配结果感知分配给自己的信道，并获得感知结果，若感知结果允许接入，则目的节点向源节点发送RTS报文，通知源节点系统的分配结果。本发明减少了认知节点接入频谱时的可能的冲突，可充分利用频谱资源。

Description

水下传感器网络中多个认知节点接入频谱空洞的方法

技术领域

本发明涉及一种水下传感器网络中多个认知节点接入频谱空洞的方法。 

背景技术

水下传感器网络中使用声波进行通信。声信号在水下有带宽小，频谱紧张；信号传输距离长、延时长；具有多路径干扰等特点。水下传感器由电池供电，且不能频繁更换，这对系统的能耗提出了更高的要求。这些固有的特点使建立一个可靠高效、绿色友好的水下传输环境就显得十分迫切和必要。 

目前在陆地通信中常采用认知无线电的技术，这是一种可以感知周围环境，及时调整发射机参数的无线电技术。认知节点可以感知未被使用的频谱，从而选择性能较好的信道进行接入。认知无线电为解决频谱资源的紧缺提供了一种方法。因此可以将认知技术引入水下。但在水下通信网络中，常常存在着多个认知节点，多个节点可能选择接入同一个信道。认知节点间出现碰撞会导致各个节点的通信失败，从而影响整个系统的性能，并消耗大量的能源。这在功耗受到严重限制的水下通信中是需要极力避免的。因此当网络中存在多个认知节点时，要确保认知节点间互不干扰。因此本发明提出了一种多个认知节点接入信道的频谱分配方法，以避免冲突，提高系统性能。 

发明内容

本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种可以避免水下通信中多个认知节点接入频谱时可能的冲突，并可提高系统容量的水下传感器网络中多个认知节点接入频谱空洞的方法。为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案： 

一种水下传感器网络中多个认知节点接入频谱空洞的方法,设频谱空洞分成N个信道，有M对认知节点准备进行一对一的信息发送，在通信过程中，发送数据的认知节点称为源节点，接收数据的认知节点称为目的节点，水下传感器网络中各个信道的使用情况只有两种：“0”代表信道被主节点占用，“1”代表信道空闲，形成频谱空洞；各个信道的状态以一定的概率进行转换，设第i个信道在下一个时隙由占用转为空闲的概率为α_i，下一个时隙继续保持空闲的概率为β_i，所有准备接入频谱空洞的认知节点均保存概率向量Ω(t)，Ω(t)是一个行向量，共N个元素，Ω(t)＝[ω₁(t),ω₂(t),…,ω_N(t)]，每个元素ω_i(t)是这个认知节点认为第i个信道空闲的概率，认知节点在传输数据时采用RTS-CTS握手协议，该方法包括下列步骤： 

a.在发送数据前，源节点要做以下工作： 

(1)更新概率向量：概率向量Ω(t)中的每个元素ω_i(t)按照ω_i(t+1)＝ω_i(t)β_i+(1-ω_i(t))α_i进行更新，获得Ω(t+1)； 

(2)选择信道：利用公式 $a^{*}\left(t\right)=\arg \underset{a=1,\·\·\·N}{\max }({\mathrm{\ω}}_{a,}\left(t\right){\mathrm{\β}}_a+(1-{\mathrm{\ω}}_a\left(t\right)){\mathrm{\α}}_a)B_{\text{a}}$ 获得准备感知并优先接入的信道a^*； 

(3)感知信道：感知信道a^*，并获得感知结果； 

(4)若感知结果允许接入a^*，则向目的节点发送RTS报文，在RTS报文中同时发送Ω(t)，并对a^*所在的位置进行标注； 

b.目的节点在接收到RTS报文后，按照下述步骤进行信道分配： 

(1)将RTS报文中的概率向量Ω(t)分行排列，构成概率矩阵Ω,M个认知源节点，N个信道的系统对应的概率矩阵有M行，N列，如下式所示，其中ω_ij表示第i个节点认为第j个信道空闲的概率: 

(2)通过概率矩阵Ω中被标记元素的位置判断冲突情况：若第j列中只有一个被标记的元素，出现在第i行，说明只有第i个节点选择接入信道j，没有和其他节点发生冲突；若第j列中有两个或两个以上的被标记元素，说明多个节点同时选择接入信道j，将导致信道冲突； 

(3)分配信道：对于没有发生冲突的节点i和信道j，在概率矩阵Ω中划去第i行和第j列，设有m个没有冲突的信道和节点，概率矩阵Ω经过处理变为Ω'，Ω'有(M-m)行，(N-m)列； 

对于发生冲突的信道，要在在Ω'中列举出所有可能的信道分配情况，并将每个节点接入信道获得的容量相加，求出该分配方法的容量和，从中选择出容量和最大的分配方案，综合发生冲突和未发生冲突的信道，获得最后的分配结果； 

(4)感知分配结果：目的节点按照分配结果感知分配给自己的信道，并获得感知结果，若感知结果允许接入，则目的节点向源节点发送RTS报文，通知源节点系统的分配结果； 

c.源节点接收RTS后，先判断是否为自己先前选择接入的信道，若是，则直接在选择的信道上发送DATA；若不是,则仍需要感知分配的信道，若允许发送，则开始发送DATA； 

d.目的节点收到DATA后，发送ACK，同时按照下式修改概率向量，作为下一次发送数据前的概率向量： 

本发明提出的水下传感器网络中多个认知节点接入频谱空洞的方法，预测频谱空闲的概率，并使用RTS-CTS握手过程在源节点和目的节点间确认了信道机会，使得各个节点可以无冲突地接入信道，并获得最大的系统容量，针对未被充分利用的水下声谱，减少了认知节点接入频谱时的可能的冲突，以达到充分利用频谱资源的目的。 

附图说明

图1是信道的占用和空闲两种状态之间的转移概率示意图。 

图2多个认知节点接入频谱空洞的帧结构。 

图3是多个认知节点接入频谱空洞的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。 

在水下通信系统中，水中的发声生物和部分固定的传感器节点有优先使用频谱资源的特权，他们是主节点。但频谱资源并不是每时每刻都被占用，没有被使用的信道就形成了频谱空洞。同时系统中还存在这大量可以移动的传感器节点。他们能主动感知频谱并进行动态接入，构成了认知节点。本发明考虑认知节点利用频谱空洞进行通信的场景。设频谱空洞可以分成N个信道，有M对认知节点准备进行一对一的信息发送。在通信过程中，发送数据的认知节点可以称为源节点，接收数据的认知节点为目的节点。 

系统中各个信道的使用情况只有两种：“0”代表信道被主节点占用，“1”代表信道空闲，形成频谱空洞。信道的状态可以以一定的概率进行转换。设第i个信道在下一个时隙由占用转为空闲的概率为α_i，下一个时隙继续保持空闲的概率为β_i。具体转移情况如图1所示。 

本发明要求所有准备接入频谱空洞的认知节点均保存概率向量Ω(t)，Ω(t)是一个行向量，共N个元素，Ω(t)＝[ω₁(t),ω₂(t),…,ω_N(t)]，每个元素ω_i(t)是这个节点认为第i个信道空闲的概率。认知节点在传输数据时采用RTS-CTS握手协议。 

本发明的具体流程如下： 

1.在发送数据前，源节点要做以下工作： 

(1)更新概率向量：概率向量Ω(t)中的每个元素ω_i(t)按照ω_i(t+1)＝ω_i(t)β_i+(1-ω_i(t))α_i进行更新，获得Ω(t+1) 

(2)选择信道：利用公式 $a^{*}\left(t\right)=\arg \underset{a=1,\·\·\·N}{\max }({\mathrm{\ω}}_{a,}\left(t\right){\mathrm{\β}}_a+(1-{\mathrm{\ω}}_a\left(t\right)){\mathrm{\α}}_a)B_{\text{a}}$ 获得准备感知并优先接入的信道a^*

(3)感知信道：感知信道a^*，并获得感知结果； 

(4)若感知结果允许接入a^*，则向目的节点发送RTS报文。在RTS报文中应同时发送Ω(t)，并对a^*所在的位置进行标注。 

2.目的节点在接收到RTS报文后，按照下述步骤进行信道分配。 

(1)将RTS报文中的概率向量Ω(t)分行排列，构成概率矩阵Ω。M个认知源节点，N个信道的系统对应的概率矩阵有M行，N列，如下式所示，其中ω_ij表示第i个节点认为第j个信道空闲的概率。 

若第i个节点在自己的概率向量中标注了第j个元素，则合成概率矩阵后，被标注的元素的位置为第i行，第j列，具体表示第i个节点选择接入第j个信道。 

(2)通过概率矩阵中被标记元素的位置判断冲突情况。具体来说，若第j列中只有一个被标记 的元素，出现在第i行，说明只有第i个节点选择接入信道j，没有和其他节点发生冲突；若第j列中有两个或两个以上的被标记元素，说明多个节点同时选择接入信道j，这必将导致信道冲突。 

(3)分配信道。对于没有发生冲突的节点i和信道j，需要在矩阵中划去第i行和第j列。设有m个没有冲突的信道和节点，矩阵经过处理变为Ω'。Ω'有(M-m)行，(N-m)列。 

对于发生冲突的信道，要在在Ω'中列举出所有可能的信道分配情况，并将每个节点接入信道获得的容量相加，求出该分配方法的容量和，从中选择出容量和最大的分配方案。综合发生冲突和未发生冲突的信道，获得最后的分配结果。 

(4)感知分配结果。目的节点按照分配结果感知分配给自己的信道，并获得感知结果。若感知结果允许接入，则目的节点向源节点发送RTS报文，通知源节点系统的分配结果； 

3.源节点接收RTS后，先判断是否为自己先前选择接入的信道。若是，则直接在选择的信道上发送DATA；若不是,则仍需要感知分配的信道，若允许发送，则开始发送DATA； 

4.目的节点收到DATA后，发送ACK，同时按照下式修改概率向量，作为下一次发送数据前的概率向量。 

。

Claims (1)

1.一种水下传感器网络中多个认知节点接入频谱空洞的方法,设频谱空洞分成N个信道，有M对认知节点准备进行一对一的信息发送，在通信过程中，发送数据的认知节点称为源节点，接收数据的认知节点称为目的节点，水下传感器网络中各个信道的使用情况只有两种：“0”代表信道被主节点占用，“1”代表信道空闲，形成频谱空洞；各个信道的状态以一定的概率进行转换，设第i个信道在下一个时隙由占用转为空闲的概率为α_i，下一个时隙继续保持空闲的概率为β_i，所有准备接入频谱空洞的认知节点均保存概率向量Ω(t)，Ω(t)是一个行向量，共N个元素，Ω(t)＝[ω₁(t),ω₂(t),…,ω_N(t)]，每个元素ω_i(t)是这个认知节点认为第i个信道空闲的概率，认知节点在传输数据时采用RTS-CTS握手协议，该方法包括下列步骤：

a.在发送数据前，源节点要做以下工作：

(1)更新概率向量：概率向量Ω(t)中的每个元素ω_i(t)按照ω_i(t+1)＝ω_i(t)β_i+(1-ω_i(t))α_i进行更新，获得Ω(t+1)；

(2)选择信道：利用公式 $a^{*}\left(t\right)=\arg \underset{a=1,\·\·\·N}{\max }({\mathrm{\ω}}_{a,}\left(t\right){\mathrm{\β}}_a+(1-{\mathrm{\ω}}_a\left(t\right)){\mathrm{\α}}_a)B_{\text{a}}$ 获得准备感知并优先接入的信道a^*；

(3)感知信道：感知信道a^*，并获得感知结果；

(4)若感知结果允许接入a^*，则向目的节点发送RTS报文，在RTS报文中同时发送Ω(t)，并对a^*所在的位置进行标注；

b.目的节点在接收到RTS报文后，按照下述步骤进行信道分配：

(1)将RTS报文中的概率向量Ω(t)分行排列，构成概率矩阵Ω,M个认知源节点，N个信道的系统对应的概率矩阵有M行，N列，如下式所示，其中ω_ij表示第i个节点认为第j个信道空闲的概率:

(2)通过概率矩阵Ω中被标记元素的位置判断冲突情况：若第j列中只有一个被标记的元素，出现在第i行，说明只有第i个节点选择接入信道j，没有和其他节点发生冲突；若第j列中有两个或两个以上的被标记元素，说明多个节点同时选择接入信道j，将导致信道冲突；

(3)分配信道：对于没有发生冲突的节点i和信道j，在概率矩阵Ω中划去第i行和第j列，设有m个没有冲突的信道和节点，概率矩阵Ω经过处理变为Ω'，Ω'有(M-m)行，(N-m)列；

对于发生冲突的信道，要在在Ω'中列举出所有可能的信道分配情况，并将每个节点接入信道获得的容量相加，求出该分配方法的容量和，从中选择出容量和最大的分配方案，综合发生冲突和未发生冲突的信道，获得最后的分配结果；

(4)感知分配结果：目的节点按照分配结果感知分配给自己的信道，并获得感知结果，若感知结果允许接入，则目的节点向源节点发送RTS报文，通知源节点系统的分配结果；

c.源节点接收RTS后，先判断是否为自己先前选择接入的信道，若是，则直接在选择的信道上发送DATA；若不是,则仍需要感知分配的信道，若允许发送，则开始发送DATA；

d.目的节点收到DATA后，发送ACK，同时按照下式修改概率向量，作为下一次发送数据前的概率向量：