本發(fā)明涉及水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于CDMA功率控制的MAC協(xié)議。

背景技術(shù)：

海洋蘊(yùn)藏著極其豐富的油氣、礦產(chǎn)和生物資源，同時(shí)也是全球運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，近一個(gè)多世紀(jì)以來，各個(gè)國家都逐漸加大了對海洋研究的力度。隨著人類開發(fā)海洋的步伐逐漸加快，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也變得日益廣泛，在環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)、分布式戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視和偵察、輔助導(dǎo)航、海上勘探、海洋數(shù)據(jù)采樣和寶貴的水下礦物勘探等方面發(fā)揮著重大作用。但由于水聲信道是一個(gè)極其復(fù)雜的隨機(jī)時(shí)-空-頻變信道，因此，在復(fù)雜的水聲信道中實(shí)現(xiàn)通信，要面對信道通帶窄、多途干擾強(qiáng)、傳播時(shí)延長、信號衰減大以及多普勒頻移等主要問題。所以，構(gòu)建一個(gè)抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、高吞吐量和低時(shí)延的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議很有必要。

CDMA對頻率選擇性衰落有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、能有效克服多徑干擾、允許接收器區(qū)分由多個(gè)發(fā)射器同時(shí)傳輸?shù)男盘枴Ｋ?，對于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，碼分多址(CDMA)是最有前途的物理層和多址接入技術(shù)。將CDMA與競爭類協(xié)議結(jié)合，形成一種改進(jìn)型的MAC協(xié)議，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低信道時(shí)延。例如，在文獻(xiàn)《H.X.Tan and W.K.G.Seah,”Distributed cdma-based mac protocol for underwater sensor networks”,LCN,pp.26-36,2007》中所提出的PLAN協(xié)議，它是將CDMA與MACA協(xié)議結(jié)合，在變化的通信負(fù)載和節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，實(shí)現(xiàn)了良好的吞吐量性能。

又如文獻(xiàn)《D.Pompili,T.Melodia,and I.F.Akyildiz,”A CDMA-Based Medium Access Control for Underwater Acoustic Sensor Networks”to appear,IEEE Trans.Wireless Commun》中提出的UW-MAC協(xié)議，將CDMA與可重傳的ALOHA協(xié)議結(jié)合，在深水區(qū)通信中實(shí)現(xiàn)了高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、低時(shí)延以及低能量損耗等優(yōu)良特性。

在無線通信系統(tǒng)中，傳輸信號的強(qiáng)度隨著傳輸距離變大而成指數(shù)衰減，假定不同的發(fā)送端具有相同的發(fā)送功率，則接收端收到來自距離它較近的用戶的信號比來自較遠(yuǎn)處用戶的信號要強(qiáng)。這種情況下，遠(yuǎn)處用戶的信號會被近處用戶的信號淹沒而不能被接收端正確解調(diào)，這種現(xiàn)象稱為“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，CDMA伴隨的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”會嚴(yán)重降低通信質(zhì)量。為了克服這種“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，有必要對傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率水平進(jìn)行控制。

綜上所述，對于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，有必要考慮一種基于CDMA的分布式功率控制的MAC協(xié)議。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于CDMA功率控制的MAC協(xié)議。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于CDMA功率控制的MAC協(xié)議，用于水底存在多個(gè)待發(fā)送數(shù)據(jù)包的傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星形匯聚網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述MAC協(xié)議包括：

S1、傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)訪問信道；

S2、在信道空閑時(shí)所述匯聚節(jié)點(diǎn)測量出背景噪聲，然后根據(jù)水底全部傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及初始發(fā)射功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計(jì)算出傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)接收功率；

S3、所述匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)距離所述匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，通過Urick路徑損耗公式計(jì)算各傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率；

S4、所述匯聚節(jié)點(diǎn)將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最優(yōu)發(fā)送功率的信息以廣播的形式告知各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置最優(yōu)發(fā)送功率，在發(fā)送數(shù)據(jù)包前未能收到最優(yōu)發(fā)送功率信號的傳感器節(jié)點(diǎn)以原有初始功率發(fā)送數(shù)據(jù)包。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中在信道空閑時(shí)所述匯聚節(jié)點(diǎn)測量出背景噪聲具體為：

仿真時(shí)假設(shè)信道引入均值為0，方差為σ²的高斯白噪聲，然后根據(jù)水底全部傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及初始發(fā)送功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計(jì)算出傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)接收功率，計(jì)算公式如下：

其中，P_i(m)表示傳感器節(jié)點(diǎn)i經(jīng)過m步迭代后所得的功率值，S_tar是目標(biāo)信干噪比，S_i(m)是經(jīng)過m步迭代后實(shí)際的信干噪比。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中迭代方法的實(shí)現(xiàn)流程如下：

S21、傳感器節(jié)點(diǎn)的初始發(fā)射功率矢量其中P_i∈[P_min,P_max]是傳感器節(jié)點(diǎn)i可以選擇的功率空間，這里P_min、P_max分別取5w、10w，傳感器節(jié)點(diǎn)i在最小最大可選功率之間隨機(jī)選取一個(gè)作為初始發(fā)射功率；

S22、利用Urick路徑損耗公式計(jì)算各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始接收功率，即迭代功率的初始值記初始迭代功率矢量為

S23、利用迭代公式，計(jì)算進(jìn)一步迭代后各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所得到的功率；

S24、如果對所有的i，P_i(m+1)＝P_i(m)，則迭代結(jié)束，否則重復(fù)步驟S23。

因?yàn)樵撍惴ǖ氖諗啃耘c系統(tǒng)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)量、目標(biāo)信干噪比以及系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益大小等因素都有關(guān)，故，在利用該算法時(shí)需尤其注意其收斂性。

進(jìn)一步地，所述Urick路徑損耗公式為：

TL(d,f)＝χ·log(d)+α(f)·d+A

α(f)＝5f^1.4×10^-5

其中，TL(d,f)表示傳播損失，d是發(fā)送節(jié)點(diǎn)距離接收端的距離，f是帶寬中心頻率，χ是幾何傳播系數(shù)，隨水深變化，α(f)是介質(zhì)吸收系數(shù)，A表示傳輸異常。

進(jìn)一步地，所述傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率為：

其中，是計(jì)算出的傳感器節(jié)點(diǎn)i的最優(yōu)接收功率，TL(d_i,f)是傳感器節(jié)點(diǎn)i的寬帶傳播損失。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中仿真時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)通過將接收信號的信干噪比與目標(biāo)信干噪比比較來判斷是否數(shù)據(jù)包能夠被成功接收，所述接收信號的信干噪比的計(jì)算公式如下：

P_aim表示目標(biāo)信號的接收功率，σ²是噪聲方差，G為擴(kuò)頻增益，I為總干擾功率，即所有干擾信號的干擾功率求和，P_j為某一干擾信號的功率，L_overlap為該干擾信號與目標(biāo)信號的重疊部分所占時(shí)隙數(shù)，L_j為該干擾信號所占時(shí)隙數(shù)，若接收信號的信干噪比大于目標(biāo)信干噪比，則數(shù)據(jù)包被成功接收，反之，則接收失敗。

進(jìn)一步地，所述步驟S4中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包前均用基于發(fā)送器的直接序列擴(kuò)頻方式擴(kuò)頻，且都采用無重傳的ALOHA協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1、本發(fā)明可以允許接收端同時(shí)接收多個(gè)由不同傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并通過控制發(fā)送功率克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，使得信道資源能夠被充分利用。

2、本發(fā)明在傳感器節(jié)點(diǎn)較多的場景下，相對其它協(xié)議具有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及更高的發(fā)送成功率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明公開的一種適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于CDMA功率控制的MAC協(xié)議的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；

圖2為本發(fā)明公開的一種適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于CDMA功率控制的MAC協(xié)議的仿真步驟流程圖；

圖3為本發(fā)明公開的一種適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于CDMA功率控制的MAC協(xié)議的接收端干擾信號示意圖；

圖4為本發(fā)明公開的一種適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于CDMA功率控制的MAC協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下與其它協(xié)議的吞吐量仿真結(jié)果比較。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

本發(fā)明提供一種適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于CDMA功率控制的MAC協(xié)議，步驟如下：

S1、傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)訪問信道；

本發(fā)明采用的是星形匯聚網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即水底存在多個(gè)待發(fā)送數(shù)據(jù)包的傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，如圖1所示，匯聚節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中心，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在匯聚節(jié)點(diǎn)周圍，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生滿足泊松分布；

S2、在信道空閑時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)測量出背景噪聲，然后根據(jù)水底全部傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及它們的初始發(fā)送功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計(jì)算出傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)接收功率；

具體應(yīng)用中，在實(shí)際通信過程中匯聚節(jié)點(diǎn)在信道空閑時(shí)測出背景噪聲，這里仿真假設(shè)信道引入均值為0，方差為σ²的高斯白噪聲，然后根據(jù)水底全部傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及它們的初始發(fā)送功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計(jì)算出傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)接收功率，計(jì)算公式如下：

P_i(m)表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)i經(jīng)過m步迭代后所得的功率值，S_tar是目標(biāo)信干噪比，S_i(m)是經(jīng)過m步迭代后實(shí)際的信干噪比，傳感器節(jié)點(diǎn)的初始發(fā)送功率矢量其中P_i∈[P_min,P_max]是傳感器節(jié)點(diǎn)i可以選擇的功率空間，這里P_min、P_max分別取5w、10w，傳感器節(jié)點(diǎn)i在最小最大可選功率之間隨機(jī)選取一個(gè)作為初始發(fā)送功率，利用Urick路徑損耗公式計(jì)算各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始接收功率，即迭代功率的初始值記初始迭代功率矢量利用迭代公式，計(jì)算進(jìn)一步迭代后各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所得到的功率，如果對所有的i，P_i(m+1)＝P_i(m)，則迭代結(jié)束。

仿真時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)通過將接收信號的信干噪比與目標(biāo)信干噪比比較來判斷是否數(shù)據(jù)包能夠被成功接收，這里接收信號的信干噪比計(jì)算方法有所改進(jìn)，計(jì)算公式如下：

P_aim表示目標(biāo)信號的接收功率，σ²是噪聲方差，G為擴(kuò)頻增益，I為總干擾功率，其中總干擾功率的計(jì)算如圖3所示，P_j為某一干擾信號的功率，L_overlap為該干擾信號與目標(biāo)信號的重疊部分所占時(shí)隙數(shù)，L_j為該干擾信號所占時(shí)隙數(shù)，總干擾功率是所有干擾信號的干擾功率求和，干擾信號的干擾功率只計(jì)算信號重疊部分功率，以使信干噪比的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，若接收信號的信干噪比大于目標(biāo)信干噪比，則數(shù)據(jù)包被成功接收，反之，則接收失敗。

S3、計(jì)算出各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)接收功率后，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，通過Urick路徑損耗公式計(jì)算各傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率；

其中，Urick路徑損耗的計(jì)算公式如下：

TL(d,f)＝χ·log(d)+α(f)·d+A；

其中，TL(d,f)表示傳播損失，d是發(fā)送節(jié)點(diǎn)距離接收端的距離，f是帶寬中心頻率，χ是幾何傳播系數(shù)，隨水深變化，本實(shí)施例中在深水區(qū)為20，α(f)＝5f^1.4×10^-5是介質(zhì)吸收系數(shù)，A表示傳輸異常，在本實(shí)施例中取0，傳感器節(jié)點(diǎn)i的最優(yōu)發(fā)送功率d_i是節(jié)點(diǎn)i距離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，是步驟S2中計(jì)算出的傳感器節(jié)點(diǎn)i的最優(yōu)接收功率；

S4、計(jì)算出各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率后，匯聚節(jié)點(diǎn)將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最優(yōu)發(fā)送功率的信息以廣播的形式告知各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置最優(yōu)發(fā)送功率，在發(fā)送數(shù)據(jù)包前未能收到最優(yōu)發(fā)送功率信號的傳感器節(jié)點(diǎn)以原有初始功率發(fā)送數(shù)據(jù)包；

具體應(yīng)用中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包前均用基于發(fā)送器的直接序列擴(kuò)頻方式擴(kuò)頻，且都采用無重傳的ALOHA協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，即傳感器節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)有數(shù)據(jù)包就即刻發(fā)送，且成功接收與否接收端都無需回復(fù)和重傳。

綜上所述，本發(fā)明將CDMA與無重傳的ALOHA協(xié)議結(jié)合，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計(jì)算各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)射功率，從而控制發(fā)射端的發(fā)射功率，克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的方法。同時(shí)，本發(fā)明改進(jìn)了接收端信號信干噪比的計(jì)算方法，以得到更精確的仿真結(jié)果。本發(fā)明可以允許接收端同時(shí)接收多個(gè)由不同傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并通過控制發(fā)送功率克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，使得信道資源能夠被充分利用，特別是在傳感器節(jié)點(diǎn)較多、業(yè)務(wù)量較大的場景下，相對其它協(xié)議具有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及更高的發(fā)送成功率。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。