CN106100772A - 生物友好的认知水声网络频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种生物友好的认知水声网络频谱分配方法，包括：定义海洋哺乳动物whistle信号占用的频谱范围中使用频率高的频段为海洋哺乳动物发声使用的中心频段，其余频段定义为非中心频段，同时定义授权频段为海洋哺乳动物whistle信号占用频段，对于授权频段中的中心频段，海洋哺乳动物有优先使用权；以传感器节点的系统容量C为目标建立效用函数；应用拉格朗日乘数法求解步骤二给出的效用函数，求得节点的发送功率与传输信道。本发明能够提高网络的频带利用率和系统容量。

Description

生物友好的认知水声网络频谱分配方法

技术领域

本发明涉及水下认知声学通信技术领域，具体的讲是一种生物友好的认知水声网络频谱分配方法。

背景技术

水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)中水声信道的可用频谱资源十分有限，通常在几赫兹(Hz)到几百千赫兹(kHz)之间，绝大多数频段被人工声学系统及天然声学系统所占据。通过研究海洋哺乳动物的发声特性，发现各类海洋哺乳动物的发声频率范围主要在30Hz到150kHz之间，根据声音信号的功能以及频率参数，海洋哺乳动物声音信号可以分为三类：通讯信号(whistle)，回声定位信号(clicks)和应急突发信号(burst pulse)。whistle信号用于海洋哺乳动物的通讯，占用的频率大部分集中在30Hz-30kHz之间；Click信号频率一般较高，大都集中在50kHz以上；Burst pulse只有在应急情况下才会出现，出现概率低。而UASNs使用的频率范围主要从1kHz到40kHz，由此可见，该频段与海洋哺乳动物用于通讯的whistle信号占用的频段交叠，天然声学系统与人工声学系统需要共享水声信道中稀缺的频谱资源。

研究表明，水下声呐等声学系统会对海洋哺乳动物造成严重的伤害，他们的使用通常可以改变海洋哺乳动物个体或群体的正常行为，并且能够屏蔽海洋哺乳动物之间的通讯信号，从而影响它们的生存。因此，如何利用水下频谱资源实现海洋哺乳动物与水声传感器网络的共存是亟待解决的问题。针对这一问题，本发明提出了一种生物友好的认知水声网络频谱分配方法。旨在避免或减小对传感器节点间通信对海洋哺乳动物造成干扰的同时提高网络的频带利用率和系统容量。

发明内容

为了实现海洋哺乳动物与传感器节点共享水下稀缺的频谱资源，本发明提出了一种生物友好的认知水声网络频谱分配方法。该方法中，充分考虑海洋哺乳动物的发声特性，了解特定哺乳动物对剩下频谱资源中各频段的占用概率，同时以传感器节点的系统容量最大化为目标建立效用函数，运用拉格朗日乘数法求解传感器节点的发送功率与传输信道。实现生物友好的认知水声网络频谱分配算法，提高网络的频带利用率和系统容量。本发明的技术方案如下：

一种生物友好的认知水声网络频谱分配方法，包括下列步骤：

步骤一：定义海洋哺乳动物whistle信号占用的频谱范围中使用频率高的频段为海洋哺乳动物发声使用的中心频段，其余频段定义为非中心频段，同时定义授权频段为海洋哺乳动物whistle信号占用频段，对于授权频段中的中心频段，海洋哺乳动物有优先使用权，传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在此种中心频段通信；对于授权频段中的非中心频段，传感器节点通过功率控制，实现与海洋哺乳动物频道共享；

步骤二：设在水声传感器网络中有K个认知用户，分别为其编号k∈[1,K]；网络信道被划分为N个子信道，分别为其编号为n∈[1,N]，以传感器节点的系统容量C为目标建立效用函数，表示为：

$\begin{array}{cc}\underset{0\≤a_{nk}\≤1,P_{nk}\≥0}{\max }& C\\ where& C=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{nk}B{\log }_2(1+\frac{P_{nk}{h}_{nk}}{N_0{\mathrm{Ba}}_{nk}})\\ s.t.& \\ C1.& \underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{nk}\≤P_{k.\max }\\ C2.& \begin{array}{cc}{P}_{nk}\≤P_{1th}& (m\≤n\≤q)\end{array}\\ C3.& \begin{array}{cc}{P}_{nk}\≤P_{2th}& (1\≤n\≤m,q\≤n\≤N)\end{array}\\ C4.& \underset{n=1}{\overset{K}{\Σ}}{a}_{nk}=1\end{array}$

其中，B是一个子信道的带宽，N₀是噪声功率谱密度，a_nk为松弛变量，取值范围是0到1的连续变量，表示信道共享的比例系数，p_nk表示用于认知用户k在信道n上通信时的发送功率，h_nk表示认知用户k在信道n上通信时的信道增益；限制条件中，m和q分别表示划分的中心频段的两个边界信道，限制条件C1中，P_k.max表示一个用户总的受限发送功率预算，限制条件C2与C3中，P_1th表示在中心频段信道上的最大受限发送功率；P_2th表示在其余信道上的最大受限发送功率，这两个功率的取值均与海洋哺乳动物有关；

步骤三：应用拉格朗日乘数法求解步骤二给出的效用函数，求得节点的发送功率p_nk与传输信道a_nk；

步骤四：验证求得的节点发送功率p_nk与传输信道a_nk是否可用，如果可用则为最终结果，不可用则需更新信道占用信息，重复步骤二求解。

附图说明

图1是本发明UASNs频谱分布图。

图2是本发明中华白海豚whistle信号与UASNs通信交叠频段示意图。

图3是本发明生物友好的认知水声网络频谱分配流程图。

具体实施方式

UASNs中水声信道的可用频谱资源十分有限，通常在几赫兹(Hz)到几百千赫兹(kHz)之间，海洋哺乳动物等天然声学系统与水下传感器等人工声学系统需要共享水声信道中稀缺的频谱资源。为了充分利用海洋哺乳动物和UASNs共享的稀缺频谱资源，本发明提出生物友好的认知水声网络频谱分配方法。

本发明具体的实现步骤是：

步骤一：水声传感器网络中进行生物友好的认知水声网络频谱分配之前，首先要研究与传感器节点共存的海洋哺乳动物的发声特性，海洋哺乳动物声音信号可以分为三类：通讯信号(whistle)，回声定位信号(clicks)和应急突发信号(burst pulse)。UASNs使用的频率范围与海洋哺乳动物用于通讯的whistle信号占用的频段交叠比较明显，因此海洋哺乳动物whistle信号占用频段是我们主要研究的频率范围。在此可以定义海洋哺乳动物whistle信号占用的频谱范围中使用频率高的频段为海洋哺乳动物发声使用的中心频段，其余频段定义为非中心频段。同时定义授权频段为海洋哺乳动物whistle信号占用频段。本发明中以中华白海豚为例。

步骤二：以传感器节点的系统容量C为目标建立效用函数，设在UASNs中有K个认知用户，分别为其编号k∈[1,K]。网络信道被划分为N个子信道，分别为其编号为n∈[1,N]。则优化函数可以表示为：

$\begin{array}{cc}\underset{a_{nk}\∈\{0,1\},P_{nk}\≥0}{\max }& C\\ where& C=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{nk}B{\log }_2(1+\frac{P_{nk}{h}_{nk}}{N_0{\mathrm{Ba}}_{nk}})\\ s.t.& \\ C1.& \underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{nk}\≤P_{k.\max }\\ C2.& \begin{array}{cc}{P}_{nk}\≤P_{1th}& (m\≤n\≤q)\end{array}\\ C3.& \begin{array}{cc}{P}_{nk}\≤P_{2th}& (1\≤n\≤m,q\≤n\≤N)\end{array}\end{array}$

其中，B是一个子信道的带宽，N₀是噪声功率谱密度，二进制元素a_nk＝1时表示信道n被分配给了认知用户k，p_nk表示用于认知用户k在信道n上通信时的发送功率。h_nk表示认知用户k在信道n上通信时的信道增益。

限制条件中，m和q分别表示划分的中心频段的两个边界信道，限制条件C1中，P_k.max表示一个用户总的受限发送功率预算，限制条件C2与C3中，P_1th表示在中心频段信道上的最大受限发送功率；P_2th表示在其余信道上的最大受限发送功率，这两个功率的取值均与海洋哺乳动物有关。

步骤三：松弛变量a_nk为由0到1的连续变量，即a_nk∈[0,1]，a_nk可以被视为信道共享的比例系数。则上述优化问题将增加一条限制条件为此时，拉格朗日乘数法表达式为：

$\begin{array}{c}L(P_{nk},a_{nk})=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{nk}B{\log }_2(1+\frac{P_{nk}{h}_{nk}}{N_0{\mathrm{Ba}}_{nk}})+\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_k(P_{k.\max }-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{nk})+\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{n=m}{\overset{q}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{nk}(P_{1th}-P_{nk})+\\ =\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{nk}(P_{2th}-P_{nk})+\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{n=q}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{nk}(P_{2th}-P_{nk})+\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_n(\underset{n=1}{\overset{K}{\Σ}}{a}_{nk}-1)\end{array}$

式中，λ_k、β_nk、α_nk和μ_n是拉格朗日乘数。应用拉格朗日乘数法，同时KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件表达式如下所示：

$\frac{\∂L(P_{nk},a_{nk})}{\∂P_{nk}}=0$

$\frac{\∂L(P_{nk},a_{nk})}{\∂a_{nk}}=0$

${\mathrm{\λ}}_k(P_{k.max}-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{nk})=0$

${\mathrm{\β}}_{nk}(P_{1th}-P_{nk})=0$

${\mathrm{\α}}_{nk}(P_{2th}-P_{nk})=0$

$\underset{n=1}{\overset{K}{\Σ}}{a}_{nk}=1$

通过对拉格朗日乘数法表达式中的变量P_nk与a_nk求导，并令导数为0，同时结合KKT条件，求得节点的发送功率p_nk与传输信道a_nk。

步骤四：验证求得的节点发送功率p_nk与传输信道a_nk是否可用，如果可用则为最终结果，不可用则需更新信道占用信息，重复步骤二求解。

图1中，绘制了UASNs中若干典型的水声系统及部分海洋生物通信所使用的频带分布。从该图中可以看出，UASNs与海洋生物共享水下稀缺的频谱资源。

图2中，展示了中华白海豚whistle信号与UASNs通信交叠频段示意图。海洋哺乳动物的发声具有短暂性和极大的随机不确定性，同时海洋哺乳动物占用的频谱范围比较宽，但是其使用频率高的频段却比较窄，在此定义海洋哺乳动物占用的频谱范围中使用频率高的频段为海洋哺乳动物发声使用的中心频段，其余频段定义为非中心频段。该图以中华白海豚为例，描绘了中华白海豚的whistle信号与UASNs通信交叠频段示意图。

图3中，展示了生物友好的认知水声网络频谱分配流程图。通过研究海洋哺乳动物的发声特性，定义海洋哺乳动物的授权频段与中心频段。以传感器节点的系统容量C为目标建立效用函数，应用拉格朗日乘数法求解传感器节点的发送功率p_nk与传输信道a_nk，并验证求得的p_nk与a_nk是否可用，如果可用则为最终结果，不可用则需更新信道占用信息再次求解。

Claims (1)

1.一种生物友好的认知水声网络频谱分配方法，包括下列步骤：

步骤一：定义海洋哺乳动物whistle信号占用的频谱范围中使用频率高的频段为海洋哺乳动物发声使用的中心频段，其余频段定义为非中心频段，同时定义授权频段为海洋哺乳动物whistle信号占用频段，对于授权频段中的中心频段，海洋哺乳动物有优先使用权，传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在此种中心频段通信；对于授权频段中的非中心频段，传感器节点通过功率控制，实现与海洋哺乳动物频道共享；

步骤二：设在水声传感器网络中有K个认知用户，分别为其编号k∈[1,K]；网络信道被划分为N个子信道，分别为其编号为n∈[1,N]，以传感器节点的系统容量C为目标建立效用函数，表示为：

$\begin{array}{cc}\underset{0\≤a_{nk}\≤1,P_{nk}\≥0}{max}& C\end{array}$

$\begin{array}{cc}where& C=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{nk}B{\log }_2(1+\frac{P_{nk}{h}_{nk}}{N_0{\mathrm{Ba}}_{nk}})\end{array}$

s.t.

C1.

C2. P_nk≤P_1th(m≤n≤q)

C3. P_nk≤P_2th(1≤n≤m,q≤n≤N)

C4.

其中，B是一个子信道的带宽，N₀是噪声功率谱密度，a_nk为松弛变量，取值范围是0到1的连续变量，表示信道共享的比例系数，p_nk表示用于认知用户k在信道n上通信时的发送功率，h_nk表示认知用户k在信道n上通信时的信道增益；限制条件中，m和q分别表示划分的中心频段的两个边界信道，限制条件C1中，P_k.max表示一个用户总的受限发送功率预算，限制条件C2与C3中，P_1th表示在中心频段信道上的最大受限发送功率；P_2th表示在其余信道上的最大受限发送功率，这两个功率的取值均与海洋哺乳动物有关；

步骤三：应用拉格朗日乘数法求解步骤二给出的效用函数，求得节点的发送功率p_nk与传输信道a_nk；步骤四：验证求得的节点发送功率p_nk与传输信道a_nk是否可用，如果可用则为最终结果，不可用则需更新信道占用信息，重复步骤二求解。