本發(fā)明涉及的是一種水聲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具體地說(shuō)是一種水聲通信網(wǎng)絡(luò)OFDM鏈路物理層與MAC層跨層通信方法。

背景技術(shù)：

地球70％的表面被海洋覆蓋，浩瀚的海洋蘊(yùn)藏著巨大的資源。在全球陸地資源日趨緊張和環(huán)境不斷惡化的今天，世界各國(guó)紛紛將目光轉(zhuǎn)向海洋，開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)成為各個(gè)海洋國(guó)家的重要規(guī)劃方向。水聲通信網(wǎng)絡(luò)是獲取海洋環(huán)境參數(shù)的有效手段，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源開發(fā)、自然災(zāi)害預(yù)警、港口及近岸的檢測(cè)等方面都有十分重要的作用。對(duì)于某些水聲網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、傳輸效率、傳播時(shí)延等要求比較高，因此研究高效的水聲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有重要的研究意義。

然而，水聲信道與陸上無(wú)線電信道相比，具有帶寬有限、與數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度可比擬的傳播時(shí)延以及快速時(shí)變等特點(diǎn)，導(dǎo)致水聲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)丟包率高、傳輸時(shí)延長(zhǎng)、能量消耗大、網(wǎng)絡(luò)吞吐量低等問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，除了分別優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議外，跨層協(xié)議設(shè)計(jì)為優(yōu)化水聲網(wǎng)絡(luò)性能提供了一種有效的方法。

本發(fā)明主要研究基于物理層和MAC層的跨層協(xié)議設(shè)計(jì)，與本發(fā)明相關(guān)的公開報(bào)道包括：參考文獻(xiàn)1(P.Xie and J.-H.Cui.R-MAC:An Energy-Efficient MAC Protocol for Underwater Sensor Networks[C].International Conf.on Wireless Algorithm,Systems,and Applications(WASA 2007).Chicago,Illinois,USA,2007,pp:187-198.)提出了一種傳輸功率可控的RMAC協(xié)議(RMAC-PC)，通過(guò)MAC層和物理層的跨層設(shè)計(jì)來(lái)改善RMAC協(xié)議的能量效率。文獻(xiàn)2(J.M.Jornet,M.Stojanovic,and M.Zorzi.On Joint Frequency and Power Allocation in a Cross-Layer Protocol for Underwater Acoustic Networks[C].IEEE J.Oceanic.Engineering.2010,Vol.35,No.4,pp:936-947.)針對(duì)三維多跳網(wǎng)絡(luò)，提出了一種聯(lián)合優(yōu)化物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的跨層協(xié)議設(shè)計(jì)方法來(lái)提高信道頻帶利用率，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度調(diào)整發(fā)射信號(hào)功率、中心頻率和帶寬，從而降低每比特的能量消耗。在上述文獻(xiàn)中，沒(méi)有考慮到水聲信道快速時(shí)變對(duì)物理層和MAC層之間的影響以及二層之間的緊密聯(lián)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種能夠減小復(fù)雜的水聲信道引起的高丟包率和長(zhǎng)傳輸時(shí)延問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和系統(tǒng)頻譜效率的水聲通信網(wǎng)絡(luò)OFDM鏈路物理層與MAC層跨層通信方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

步驟1：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用虛擬載波偵聽的方式檢測(cè)信道是否忙碌，通過(guò)偵聽數(shù)據(jù)幀代替RTS/CTS握手過(guò)程避免碰撞，如果節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀，判斷本節(jié)點(diǎn)是否是目的節(jié)點(diǎn)，如果本節(jié)點(diǎn)非目的節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)數(shù)據(jù)幀幀頭中的所傳數(shù)據(jù)幀占用信道時(shí)間設(shè)置該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分配矢量即NAV，保持靜默避免沖突，信道空閑后，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避；

步驟2：如果目的節(jié)點(diǎn)成功解調(diào)數(shù)據(jù)幀，則節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK信號(hào)，同時(shí)物理層估計(jì)信道信息有效信噪比即ESNR，并將ESNR通過(guò)ACK信號(hào)反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)；

步驟3：如果目的節(jié)點(diǎn)解調(diào)數(shù)據(jù)幀失敗，并且檢測(cè)到解調(diào)失敗是由沖突引起的，此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)廣播NACK控制幀，定義此時(shí)的NACK為類型I，記為NACK1；

步驟4：如果目的節(jié)點(diǎn)解調(diào)數(shù)據(jù)幀失敗，并且檢測(cè)到解調(diào)失敗是由信道環(huán)境惡劣引起的，此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)NACK控制幀，定義此時(shí)的NACK為類型II，記為NACK2，NACK2中包含重傳數(shù)據(jù)幀所占用信道時(shí)間T_busy和信道信息導(dǎo)頻信噪比即PSNR；

步驟5：如果目的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)幀失敗，則節(jié)點(diǎn)不作任何反應(yīng)，對(duì)于發(fā)送節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，ACK等待超時(shí)；

步驟6：如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到ACK信號(hào)，表示上一個(gè)數(shù)據(jù)幀成功發(fā)送，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)退避，并準(zhǔn)備發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀，下一幀數(shù)據(jù)調(diào)制參數(shù)由反饋的ESNR決定；

步驟7：如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到NACK1信號(hào)或者ACK等待超時(shí)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)退避，退避時(shí)間結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)與以前一幀相同的調(diào)制參數(shù)重復(fù)發(fā)送該數(shù)據(jù)幀，當(dāng)重傳次數(shù)大于所設(shè)置的最大重傳次數(shù)時(shí)，丟棄該數(shù)據(jù)幀；

步驟8：如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到NACK2信號(hào)，則該節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋的PSNR進(jìn)行降速率對(duì)數(shù)據(jù)幀立刻重傳，其他子節(jié)點(diǎn)偵聽到NACK2后，根據(jù)NACK2中的T_busy設(shè)置NAV向量，保持靜默避免沖突。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用虛擬載波偵聽的方式檢測(cè)信道是否忙碌具體包括：首先設(shè)計(jì)一種物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元即PPDU幀結(jié)構(gòu)，PPDU包括前導(dǎo)碼、幀頭和有效載荷三部分，其中幀頭包括了當(dāng)前數(shù)據(jù)幀成功傳輸所占用的信道時(shí)間，表示為

T_busy＝T_data+T_ACK+2T_delay+T_process

其中，T_data表示數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度、T_ACK表示ACK幀長(zhǎng)度、T_delay表示源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)延，T_process表示信號(hào)處理所占用的時(shí)間，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到該數(shù)據(jù)幀并成功解調(diào)幀頭獲得該時(shí)間信息后，節(jié)點(diǎn)設(shè)置NAV向量并保持沉默，避免碰撞，其中傳播時(shí)延在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間互相傳遞短消息的方式測(cè)量獲得，并在每次成功傳輸數(shù)據(jù)幀后對(duì)時(shí)延值進(jìn)行更新。

2、所述如果目的節(jié)點(diǎn)成功解調(diào)數(shù)據(jù)幀，則節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK信號(hào)具體包括：當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)成功解調(diào)數(shù)據(jù)幀后，估計(jì)信道計(jì)算有效信噪比ESNR，ESNR計(jì)算方法如下：

其中，s[k]為頻域第k個(gè)載波發(fā)送的數(shù)據(jù)，z[k]為頻域第k個(gè)子載波接收的數(shù)據(jù)，為第k個(gè)載波估計(jì)的信道頻率響應(yīng)，S_D表示數(shù)據(jù)載波的位置索引的集合，由于數(shù)據(jù)已經(jīng)成功解調(diào)，所以此時(shí)s[k]是已知的，ESNR采用均衡后的數(shù)據(jù)代替導(dǎo)頻描述接收信號(hào)強(qiáng)度，噪聲項(xiàng)中包含了環(huán)境噪聲、信道估計(jì)誤差和多普勒補(bǔ)償殘余誤差引起的載波間干擾，ESNR用于評(píng)估信道狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)解調(diào)成功后，將ESNR通過(guò)ACK信號(hào)反饋給源節(jié)點(diǎn)，為下一個(gè)數(shù)據(jù)幀調(diào)制參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

3、所述如果目的節(jié)點(diǎn)解調(diào)數(shù)據(jù)幀失敗，并且檢測(cè)到解調(diào)失敗是由沖突引起的，此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)廣播NACK1控制幀，具體包括：目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)幀解調(diào)失敗原因，反饋不同的控制信息，當(dāng)解調(diào)失敗由沖突引起的，此時(shí)為了避免下次各個(gè)節(jié)點(diǎn)重發(fā)再次引起沖突，目的節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)NACK1控制幀告知所有節(jié)點(diǎn)，表明上一幀數(shù)據(jù)發(fā)生了沖突。

4、所述如果目的節(jié)點(diǎn)解調(diào)數(shù)據(jù)幀失敗，并且檢測(cè)到解調(diào)失敗是由信道環(huán)境惡劣引起的，此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)廣播NACK2控制幀，具體包括：目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)幀解調(diào)失敗原因，反饋不同的控制信息，當(dāng)解調(diào)失敗由信道環(huán)境惡劣引起時(shí)，節(jié)點(diǎn)廣播NACK2信號(hào)，該信號(hào)中包含了重傳數(shù)據(jù)幀所占用的信道時(shí)間T_busy，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)接收到NACK2信號(hào)后，得知在未來(lái)的T_busy時(shí)間內(nèi)，信道將被占用，從而保持靜默，而原發(fā)送節(jié)點(diǎn)立即降低速率重新發(fā)送上一幀數(shù)據(jù)，同時(shí)NACK2中包含了導(dǎo)頻信噪比PSNR，該信息用于幫助發(fā)送節(jié)點(diǎn)重發(fā)數(shù)據(jù)幀選擇合適的調(diào)制參數(shù)，PSNR計(jì)算方法如下：

其中，z[k]為接收的頻域第k個(gè)子載波的數(shù)據(jù)，S_p和S_N分別為導(dǎo)頻載波和空載波的位置索引的集合。

5、所述下一幀數(shù)據(jù)調(diào)制參數(shù)由反饋的ESNR決定具體包括：物理層采用OFDM調(diào)制方式，通過(guò)聯(lián)合調(diào)整調(diào)制階數(shù)、編碼速率和頻率分集階數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同速率的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)三個(gè)參數(shù)的組合選擇出幾組調(diào)制參數(shù)作為數(shù)據(jù)幀調(diào)制參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的誤碼率或者誤包率門限，得到每組參數(shù)對(duì)應(yīng)的ESNR區(qū)間，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋的ESNR確定下一幀數(shù)據(jù)所選用的調(diào)制參數(shù)。

6、所述根據(jù)反饋的PSNR進(jìn)行降速率對(duì)數(shù)據(jù)幀立刻重傳具體包括：當(dāng)數(shù)據(jù)解調(diào)錯(cuò)誤時(shí)，采用PSNR作為信道性能評(píng)估準(zhǔn)則，PSNR反應(yīng)了當(dāng)前信道狀況，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋的PSNR知道當(dāng)前信道狀況，從而選擇適應(yīng)當(dāng)前信道狀態(tài)的調(diào)制參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降速率重傳。

本發(fā)明通過(guò)物理層和MAC層的信息交互與共享，自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸和介質(zhì)接入方案，從而達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

本發(fā)明事務(wù)水聲通信網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議設(shè)計(jì)方法，能夠減小復(fù)雜的水聲信道引起的高丟包率和長(zhǎng)傳輸時(shí)延問(wèn)題，從而有效的提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和系統(tǒng)的頻譜效率。

本發(fā)明具有的有益效果：

該跨層協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)物理層和MAC層之間的數(shù)據(jù)交互和共享，根據(jù)水聲信道情況，自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率和自動(dòng)請(qǐng)求重傳機(jī)制，當(dāng)水聲信道情況良好時(shí)，采用高速率的OFDM調(diào)制方式和改進(jìn)的CSMA/CA協(xié)議，實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)時(shí)水聲信道情況變差時(shí)，采用降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸成功概率；當(dāng)水聲信道惡劣至無(wú)法通信時(shí)，采用退避的方法等待重傳；當(dāng)數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，可以智能的區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失原因，并根據(jù)不同的原因進(jìn)行相應(yīng)的重傳或者退避處理。通過(guò)物理層和MAC層的跨層設(shè)計(jì)，在不同的信道情況下，可以最大限度的利用信道資源，解決傳統(tǒng)的采用固定速率傳輸時(shí)高信噪比下無(wú)法充分利用信道、低信噪比下吞吐量急速下降的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為不同傳輸模式的誤包率性能

圖2為利用ACK作為反饋鏈路示意圖；

圖3為PPDU數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；

圖4為改進(jìn)的CSMA/CA協(xié)議基本流程圖；

圖5a為跨層設(shè)計(jì)發(fā)射節(jié)點(diǎn)流程圖；圖5b為跨層設(shè)計(jì)接收節(jié)點(diǎn)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面舉例詳細(xì)說(shuō)明OFDM鏈路物理層和MAC層跨層設(shè)計(jì)方法及其有益效果。

物理層和MAC層跨層設(shè)計(jì)，要求物理層能夠根據(jù)信道情況，自適應(yīng)調(diào)制發(fā)送參數(shù)才，從而實(shí)現(xiàn)不同速率的數(shù)據(jù)傳輸，在這個(gè)過(guò)程中，涉及調(diào)制參數(shù)的選擇、反饋鏈路和信道評(píng)估準(zhǔn)則等，首先對(duì)OFDM自適應(yīng)調(diào)制編碼及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行闡述。

(1)OFDM自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)

A.調(diào)制參數(shù)選擇

自適應(yīng)調(diào)制編碼的核心思想是：在保證不犧牲系統(tǒng)穩(wěn)健性能或誤包率不變的前提下，根據(jù)無(wú)線信道環(huán)境變化，自適應(yīng)的調(diào)整發(fā)射參數(shù)改變通信速率，最大限度的利用信道，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大化。自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射參數(shù)的一種選擇就是選擇不同參數(shù)組合的調(diào)制方案，選擇的不同組參數(shù)具有不同的通信速率，從而適應(yīng)不同環(huán)境的變化，下面給出本方案的調(diào)制參數(shù)選擇方案。

調(diào)制方式主要考慮BPSK、QPSK和8PSK調(diào)制，即調(diào)制階數(shù)分別為2、3、4，編碼采用卷積編碼，編碼速率分別為1/2、1/3、1/4，頻率分集階數(shù)分別為1，2，3，頻率分集數(shù)為1即表示無(wú)分集。調(diào)制參數(shù)的選擇即從這三組參數(shù)中選出幾種組合方式構(gòu)成候選的調(diào)制參數(shù)組，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)反饋的信道信息，合理的選擇即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的調(diào)制參數(shù)。對(duì)于三個(gè)參數(shù)，有多種組合，但是有兩個(gè)或者以上的組合具有相同的或者相近的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此，文中主要通過(guò)兩種準(zhǔn)則選取參數(shù)：一是當(dāng)不同參數(shù)的組合具有相同的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)，選擇誤碼/包率性能最好的；二是當(dāng)不同參數(shù)的組合具有相近的誤碼/包率性能時(shí)，選擇數(shù)據(jù)傳輸速率最大的。

表1 OFDM自適應(yīng)調(diào)制編碼方案選取的傳輸模式和具體參數(shù)

根據(jù)參數(shù)選取準(zhǔn)則，共選取了6組參數(shù)作為OFDM自適應(yīng)調(diào)制編碼的候選參數(shù)，分別定義為模式1～6，具體選取的參數(shù)如表1所示，信號(hào)頻率范圍為4kHz～8kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0.685kbps～5.950kbps。不同傳輸模式的誤包率曲線如1所示。

B.反饋鏈路

反饋鏈路的主要作用是將目的節(jié)點(diǎn)獲取的信道信息傳遞給源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋的信道信息自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射端調(diào)制參數(shù)，從而適應(yīng)信道環(huán)境。反饋鏈路要解決的兩個(gè)問(wèn)題是：一是如何反饋信息，二是反饋什么信息。本發(fā)明中，目的節(jié)點(diǎn)主要將估計(jì)的性能評(píng)價(jià)參數(shù)有效信噪比(ESRN)反饋給源節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議不包含RTS/CTS控制幀，且同時(shí)采用ACK和NACK兩種控制幀，所以目的節(jié)點(diǎn)估計(jì)的信道信息通過(guò)ACK/NACK信號(hào)反饋給源節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)幀獲取信道信息，然后將此信息通過(guò)ACK/NACK反饋給源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋的信道參數(shù)確定下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的調(diào)制參數(shù)。

C.信道評(píng)估準(zhǔn)則

自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)主要包含兩方面的內(nèi)容，一方面是信道信息的獲取，通過(guò)信道估計(jì)等技術(shù)準(zhǔn)確的獲取當(dāng)前信道信息，以某種信道指示方式或者性能評(píng)估準(zhǔn)則準(zhǔn)確和有效的反應(yīng)信道的情況；一方面是調(diào)制參數(shù)的自適應(yīng)選擇，根據(jù)獲取的信道環(huán)境信息，自適應(yīng)的調(diào)整發(fā)射參數(shù)以適應(yīng)信道的變化。上面已經(jīng)給出了調(diào)制參數(shù)的選擇方案，那么節(jié)點(diǎn)如何根據(jù)信道信息選擇對(duì)應(yīng)的調(diào)制參數(shù)，即信道評(píng)估準(zhǔn)則的選取問(wèn)題。在確定了性能評(píng)估準(zhǔn)則之后，假設(shè)在保證不高于某誤包率的情況下，根據(jù)不同調(diào)制參數(shù)的誤碼性能，可以確定對(duì)應(yīng)誤包率門限下的性能評(píng)估準(zhǔn)則，比如接收信噪比，從而可以確定不同調(diào)制參數(shù)對(duì)應(yīng)的信道評(píng)估區(qū)間，根據(jù)反饋的信道參數(shù)即可以確定下一個(gè)數(shù)據(jù)包選擇的調(diào)制參數(shù)。

目前常用的性能評(píng)估準(zhǔn)則有輸入信噪比(Input SNR,ISNR)、導(dǎo)頻信噪比(Pilot SNR,PSNR)和有效信噪比(Effective SNR,ESNR)等，ISNR即接收機(jī)接收的信號(hào)功率與噪聲功率的比，可以表示為

其中，y[n]和v[n]分別表示時(shí)域接收的含噪信號(hào)與無(wú)信號(hào)時(shí)的噪聲。ISNR只是從粗略的描述了信號(hào)和噪聲的關(guān)系，而無(wú)法全面的的準(zhǔn)確的描述水聲信道對(duì)OFDM符號(hào)的影響，包括多普勒引起的ICI等，且當(dāng)信噪比比較小時(shí)，該方法估計(jì)的誤差比較大。

PSNR利用頻域的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)和空載波數(shù)據(jù)估計(jì)信道對(duì)OFDM符號(hào)的干擾，導(dǎo)頻數(shù)據(jù)描述信號(hào)的強(qiáng)度，空載波數(shù)據(jù)描述噪聲和干擾的大小，導(dǎo)頻信噪比可以表示為

其中，z[k]為接收的頻域第k個(gè)子載波的數(shù)據(jù)，S_p和S_N分別為導(dǎo)頻載波和空載波的位置索引的集合，PSNR在考慮噪聲干擾的同時(shí)，還考慮了由于多普勒引起的載波間干擾。不存在多普勒或者完全移除多普勒時(shí)，其他載波的旁瓣干擾在空載波處為零點(diǎn)，因此空載波只包含噪聲項(xiàng)，當(dāng)存在殘留多普勒時(shí)，其他載波的干擾在空載波處不為零。所以，PSNR可以同時(shí)反映噪聲和殘留多普勒的影響，但是PSNR是在均衡前計(jì)算得到的，沒(méi)有考慮多途的影響，因此仍然無(wú)法全面描述信道信息。

ESNR利用成功解調(diào)后的數(shù)據(jù)估計(jì)信噪比。設(shè)發(fā)射的和接收第k個(gè)子載波數(shù)據(jù)分別為s[k]和z[k]，為估計(jì)的第k個(gè)子載波的信道頻率響應(yīng)，則有

其中，v[k]不僅包含了環(huán)境噪聲和殘留載波間干擾，同時(shí)還包含了信道估計(jì)誤差帶來(lái)的干擾，ESNR可以表示為

其中，S_D表示數(shù)據(jù)載波的位置索引的集合，由于數(shù)據(jù)已經(jīng)成功解調(diào)，所以此時(shí)s[k]是已知的。與PSNR不同，ESNR采用均衡后的數(shù)據(jù)代替導(dǎo)頻描述接收信號(hào)強(qiáng)度，噪聲項(xiàng)中包含了環(huán)境噪聲、信道估計(jì)殘余誤差和多普勒補(bǔ)償殘余誤差引起的載波間干擾，因而更為全面的描述了信道環(huán)境信息，評(píng)估不同的信道環(huán)境，具有很好的一致性。但是該算法的前提是需要成功解調(diào)數(shù)據(jù)，獲取發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)解調(diào)失敗時(shí)，ESNR將比實(shí)際的值要小。

(2)改進(jìn)的CSMA/CA協(xié)議

CSMA/CA協(xié)議通過(guò)交換RTS和CTS控制幀進(jìn)行信道預(yù)約，從而有效的避免了數(shù)據(jù)幀沖突，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。對(duì)于陸上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，傳播時(shí)延非常小，遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，可以忽略。但是對(duì)于水聲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳播時(shí)延非常長(zhǎng)，可以和數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度相比擬，雖然通過(guò)握手過(guò)程可以有效減少碰撞，但是交換RTS和CTS過(guò)程占用信道時(shí)間很長(zhǎng)，降低了信道利用率。因此本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的CSMA/CA協(xié)議，該協(xié)議不采用RTS/CTS握手信號(hào)進(jìn)行信道預(yù)約，而是采用虛擬偵聽的方法，偵聽其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀判斷信道是否忙碌，并且增加了兩種NACK控制幀，用于通知源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀解調(diào)失敗原因，該設(shè)計(jì)主要為后面的PHY/MAC跨層設(shè)計(jì)做服務(wù)。

CSMA/CA協(xié)議通過(guò)交換RTS/CTS控制幀預(yù)約信道，其他子節(jié)點(diǎn)通過(guò)控制幀信號(hào)可以知道當(dāng)前數(shù)據(jù)幀傳輸占用的信道時(shí)間，但是提出的改進(jìn)的CSMA/CA協(xié)議，不采用握手信號(hào)預(yù)約信道，而是通過(guò)偵聽數(shù)據(jù)幀判斷信道是否忙碌，同時(shí)也采用了虛擬載波偵聽的方法偵聽信道。在介紹具體協(xié)議之前，先介紹提出的物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU,PLCP Protocol Data Unit)的幀結(jié)構(gòu)，也即實(shí)際傳輸?shù)奈锢韺有盘?hào)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

PPDU數(shù)據(jù)幀主要由前導(dǎo)碼(Preamble)、幀頭(Header)和有效載荷(Payload)三部分組成，如圖3所示，前導(dǎo)碼主要用于喚醒接收設(shè)備，使其與接收信號(hào)同步，文中選用LFM信號(hào)作為前導(dǎo)碼。前導(dǎo)碼結(jié)束后，就是幀頭(PLCP Header)，幀頭中包含物理層調(diào)制參數(shù)，如傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度、調(diào)制編碼方式等，接收機(jī)將按照這些參數(shù)選擇解碼方式以及決定何時(shí)結(jié)束數(shù)據(jù)接收。該幀頭中還包含了發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址、接收節(jié)點(diǎn)地址以及傳輸該數(shù)據(jù)幀占用的信道時(shí)間長(zhǎng)度，即往返時(shí)間。該幀頭類似于一個(gè)短的RTS請(qǐng)求幀，當(dāng)節(jié)點(diǎn)偵聽到該數(shù)據(jù)幀并獲取幀頭中的信息后，判斷該數(shù)據(jù)幀是否屬于本節(jié)點(diǎn)，如果本節(jié)點(diǎn)是目的節(jié)點(diǎn)，則繼續(xù)解調(diào)后面的有效載荷，否則，則停止解調(diào)后面的有效載荷，并根據(jù)幀頭中的往返時(shí)間設(shè)置該節(jié)點(diǎn)的NAV值，同時(shí)保持靜默。最后一部分是有效載荷或者幀主體，該部分采用OFDM調(diào)制，具體長(zhǎng)度根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變，且調(diào)制參數(shù)根據(jù)信道環(huán)境自適應(yīng)調(diào)整。

提出的改進(jìn)的CSMA/CA協(xié)議基本流程圖如圖4所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，首先判斷信道是否空閑，而信道是否空閑主要通過(guò)判斷節(jié)點(diǎn)本身的NAV是否為零，如果為零則表示信道空閑，否則表示忙碌。若信道空閑，且節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口為零，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀，若其他子節(jié)點(diǎn)偵聽到該數(shù)據(jù)幀，則根據(jù)幀頭中的往返時(shí)間設(shè)置節(jié)點(diǎn)的NAV向量，并保持靜默。若在此期間節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則延遲發(fā)送，當(dāng)NAV為零時(shí)，該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行退避，當(dāng)信道空閑時(shí)，退避計(jì)數(shù)器逐漸減小，當(dāng)信道忙碌時(shí)，則凍結(jié)該計(jì)數(shù)器，直至計(jì)數(shù)器值為零時(shí)，開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。如果數(shù)據(jù)包正確解調(diào)，則目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK確認(rèn)數(shù)據(jù)包正確傳輸。當(dāng)兩個(gè)或者以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀且發(fā)送時(shí)間間隔小于對(duì)方可偵聽到的時(shí)間間隔，則在接收端發(fā)生碰撞，造成數(shù)據(jù)幀解調(diào)失敗，此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)出數(shù)據(jù)幀沖突，同時(shí)廣播一個(gè)NACK幀信號(hào)(定義為NACK1)，通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)該數(shù)據(jù)幀傳輸失敗，且傳輸失敗是由于碰撞引起的。當(dāng)信道中只有一個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸，但是由于信道環(huán)境惡劣導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀傳輸失敗時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)同樣的回復(fù)一個(gè)NACK幀信號(hào)(定義為NACK2)，通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀傳輸失敗是由于信道環(huán)境惡劣引起的。

(3)物理層/MAC層跨層設(shè)計(jì)

考慮集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成。物理層(PHY)主要采用OFDM自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)，MAC層協(xié)議采用改進(jìn)的CSMA/CA協(xié)議，PHY/MAC跨層設(shè)計(jì)主要思想是：PHY將估計(jì)的信道信息傳遞給MAC層，并當(dāng)數(shù)據(jù)幀傳輸失敗時(shí)檢測(cè)失敗原因，MAC層根據(jù)信道信息選擇合適的物理層傳輸參數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)幀傳輸失敗原因設(shè)計(jì)相應(yīng)的退避/ARQ機(jī)制，增加數(shù)據(jù)幀重傳成功概率，并減小傳輸時(shí)延，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

跨層設(shè)計(jì)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示，首先，介紹接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)幀的過(guò)程。接收節(jié)點(diǎn)持續(xù)檢測(cè)前導(dǎo)碼，判斷是否接收到數(shù)據(jù)幀，主要采用拷貝相關(guān)的方法檢測(cè)前導(dǎo)碼，檢測(cè)到前導(dǎo)碼后，接收節(jié)點(diǎn)解調(diào)幀頭并獲取有效載荷解調(diào)參數(shù)和數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，并繼續(xù)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)保持檢測(cè)前導(dǎo)碼。發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)幀后，對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可以分為以下四種情況：

1.檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀并且正確解調(diào)，回復(fù)ACK確認(rèn)幀，同時(shí)估計(jì)信道信息ESNR，將此信息通過(guò)ACK信號(hào)反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)；

2.檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀，但是解調(diào)數(shù)據(jù)幀失敗，并且檢測(cè)解調(diào)失敗原因是由沖突引起的，此時(shí)廣播NACK控制幀，定義此時(shí)的NACK為類型I，記為NACK1。

3.檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀，但是解調(diào)數(shù)據(jù)幀失敗，并且數(shù)據(jù)幀解調(diào)失敗原因是由信道環(huán)境惡劣引起的，比如信噪比低、多途和多普勒干擾嚴(yán)重等，此時(shí)回復(fù)NACK信號(hào)，定義此時(shí)的NACK為類型II，記為NACK2，NACK2信號(hào)中同時(shí)包括PSNR用于指示重傳時(shí)的調(diào)制參數(shù)。

4.未檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀，檢測(cè)失敗原因包括突發(fā)噪聲或干擾導(dǎo)致前導(dǎo)碼檢測(cè)失敗、數(shù)據(jù)幀沖突導(dǎo)致檢測(cè)失敗等，此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)不做任何回應(yīng)，對(duì)于發(fā)送節(jié)點(diǎn)，則ACK等待超時(shí)。

對(duì)于發(fā)送節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀之后，等待回復(fù)的ACK/NACK信號(hào)，同樣地，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可以分為以下三種情況：

1.接收到ACK信號(hào)，表示上一個(gè)數(shù)據(jù)幀成功發(fā)送，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)退避，并準(zhǔn)備發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀，下一幀數(shù)據(jù)調(diào)制參數(shù)由反饋的ESNR決定。

2.接收到NACK1信號(hào)或者ACK等待超時(shí)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)退避，然后以與上一幀相同的調(diào)制參數(shù)重復(fù)發(fā)送該幀數(shù)據(jù)，當(dāng)重傳次數(shù)大于3時(shí)，丟棄該數(shù)據(jù)幀。

3.接收到NACK2信號(hào)，表示數(shù)據(jù)幀丟失是由于信道環(huán)境惡劣引起的，此時(shí)若節(jié)點(diǎn)退避并以原速率重傳數(shù)據(jù)幀，重傳成功概率低，且退避會(huì)造成傳輸時(shí)延增加，降低了信道的利用率。因此，若數(shù)據(jù)幀丟失是信道引起的，則節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋的信道信息，降低速率立刻重新傳輸該幀數(shù)據(jù)，可以提高重傳成功概率，并減小傳輸時(shí)延，其他節(jié)點(diǎn)偵聽到NACK2信號(hào)后保持靜默。