適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議制造技術

本發明專利技術公開了一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議，即將CDMA與無重傳的ALOHA協議結合，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計算各個傳感器節點的最優發射功率，從而控制發射端的發射功率，克服“遠近效應”的方法。同時，本發明專利技術改進了接收端信號信干噪比的計算方法，以得到更精確的仿真結果。本發明專利技術可以允許接收端同時接收多個由不同傳感器節點發送的數據包，并通過控制發送功率克服“遠近效應”，使得信道資源能夠被充分利用，特別是在傳感器節點較多、業務量較大的場景下，相對其它協議具有更高的網絡吞吐量以及更高的發送成功率。

【技術實現步驟摘要】
適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議
本專利技術涉及水聲傳感器網絡領域，具體涉及一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議。
技術介紹
海洋蘊藏著極其豐富的油氣、礦產和生物資源，同時也是全球運輸的主要通道，近一個多世紀以來，各個國家都逐漸加大了對海洋研究的力度。隨著人類開發海洋的步伐逐漸加快，水聲傳感器網絡的應用也變得日益廣泛，在環境監測、預警系統、分布式戰術監視和偵察、輔助導航、海上勘探、海洋數據采樣和寶貴的水下礦物勘探等方面發揮著重大作用。但由于水聲信道是一個極其復雜的隨機時-空-頻變信道，因此，在復雜的水聲信道中實現通信，要面對信道通帶窄、多途干擾強、傳播時延長、信號衰減大以及多普勒頻移等主要問題。所以，構建一個抗干擾能力強、保密性好、高吞吐量和低時延的水聲傳感器網絡協議很有必要。CDMA對頻率選擇性衰落有較強的穩定性、能有效克服多徑干擾、允許接收器區分由多個發射器同時傳輸的信號。所以，對于水聲傳感器網絡，碼分多址(CDMA)是最有前途的物理層和多址接入技術。將CDMA與競爭類協議結合，形成一種改進型的MAC協議，可以有效提高網絡吞吐量、降低信道時延。例如，在文獻《H.X.TanandW.K.G.Seah,”Distributedcdma-basedmacprotocolforunderwatersensornetworks”,LCN,pp.26-36,2007》中所提出的PLAN協議，它是將CDMA與MACA協議結合，在變化的通信負載和節點數量下，實現了良好的吞吐量性能。又如文獻《D.Pompili,T.Melodia,andI.F.Akyildiz,”ACDMA-BasedMediumAccessControlforUnderwaterAcousticSensorNetworks”toappear,IEEETrans.WirelessCommun》中提出的UW-MAC協議，將CDMA與可重傳的ALOHA協議結合，在深水區通信中實現了高網絡吞吐量、低時延以及低能量損耗等優良特性。在無線通信系統中，傳輸信號的強度隨著傳輸距離變大而成指數衰減，假定不同的發送端具有相同的發送功率，則接收端收到來自距離它較近的用戶的信號比來自較遠處用戶的信號要強。這種情況下，遠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，這種現象稱為“遠近效應”。在水聲傳感器網絡，隨著傳感器節點數量的增加，CDMA伴隨的“遠近效應”會嚴重降低通信質量。為了克服這種“遠近效應”，有必要對傳感器節點發送功率水平進行控制。綜上所述，對于水聲傳感器網絡，有必要考慮一種基于CDMA的分布式功率控制的MAC協議。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，提供一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議。本專利技術的目的可以通過采取如下技術方案達到：一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議，用于水底存在多個待發送數據包的傳感器節點和一個匯聚節點構成星形匯聚網絡拓撲結構，所述MAC協議包括：S1、傳感器節點隨機訪問信道；S2、在信道空閑時所述匯聚節點測量出背景噪聲，然后根據水底全部傳感器節點的個數以及初始發射功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計算出傳感器節點的最優接收功率；S3、所述匯聚節點根據各個傳感器節點距離所述匯聚節點的距離，通過Urick路徑損耗公式計算各傳感器節點的最優發送功率；S4、所述匯聚節點將各個傳感器節點最優發送功率的信息以廣播的形式告知各個傳感器節點，各個傳感器節點設置最優發送功率，在發送數據包前未能收到最優發送功率信號的傳感器節點以原有初始功率發送數據包。進一步地，所述步驟S2中在信道空閑時所述匯聚節點測量出背景噪聲具體為：仿真時假設信道引入均值為0，方差為σ2的高斯白噪聲，然后根據水底全部傳感器節點的個數以及初始發送功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計算出傳感器節點的最優接收功率，計算公式如下：其中，Pi(m)表示傳感器節點i經過m步迭代后所得的功率值，Star是目標信干噪比，Si(m)是經過m步迭代后實際的信干噪比。進一步地，所述步驟S2中迭代方法的實現流程如下：S21、傳感器節點的初始發射功率矢量其中Pi∈[Pmin,Pmax]是傳感器節點i可以選擇的功率空間，這里Pmin、Pmax分別取5w、10w，傳感器節點i在最小最大可選功率之間隨機選取一個作為初始發射功率；S22、利用Urick路徑損耗公式計算各個傳感器節點的初始接收功率，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，計算進一步迭代后各個傳感器節點所得到的功率；S24、如果對所有的i，Pi(m+1)＝Pi(m)，則迭代結束，否則重復步驟S23。因為該算法的收斂性與系統內的傳感器節點總數量、目標信干噪比以及系統的擴頻增益大小等因素都有關，故，在利用該算法時需尤其注意其收斂性。進一步地，所述Urick路徑損耗公式為：TL(d,f)＝χ·log(d)+α(f)·d+Aα(f)＝5f1.4×10-5其中，TL(d,f)表示傳播損失，d是發送節點距離接收端的距離，f是帶寬中心頻率，χ是幾何傳播系數，隨水深變化，α(f)是介質吸收系數，A表示傳輸異常。進一步地，所述傳感器節點的最優發送功率為：其中，是計算出的傳感器節點i的最優接收功率，TL(di,f)是傳感器節點i的寬帶傳播損失。進一步地，所述步驟S2中仿真時匯聚節點通過將接收信號的信干噪比與目標信干噪比比較來判斷是否數據包能夠被成功接收，所述接收信號的信干噪比的計算公式如下：Paim表示目標信號的接收功率，σ2是噪聲方差，G為擴頻增益，I為總干擾功率，即所有干擾信號的干擾功率求和，Pj為某一干擾信號的功率，Loverlap為該干擾信號與目標信號的重疊部分所占時隙數，Lj為該干擾信號所占時隙數，若接收信號的信干噪比大于目標信干噪比，則數據包被成功接收，反之，則接收失敗。進一步地，所述步驟S4中每個傳感器節點發送數據包前均用基于發送器的直接序列擴頻方式擴頻，且都采用無重傳的ALOHA協議發送數據包。本專利技術相對于現有技術具有如下的優點及效果：1、本專利技術可以允許接收端同時接收多個由不同傳感器節點發送的數據包，并通過控制發送功率克服“遠近效應”，使得信道資源能夠被充分利用。2、本專利技術在傳感器節點較多的場景下，相對其它協議具有更高的網絡吞吐量以及更高的發送成功率。附圖說明圖1為本專利技術公開的一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議的星形網絡拓撲圖；圖2為本專利技術公開的一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議的仿真步驟流程圖；圖3為本專利技術公開的一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議的接收端干擾信號示意圖；圖4為本專利技術公開的一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議在不同節點數量下與其它協議的吞吐量仿真結果比較。具體實施方式為使本專利技術實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議，用于水底存在多個待發送數據包的傳感器節點和一個匯聚節點構成星形匯聚網絡拓撲結構，其特征在于，所述MAC協議包括：S1、傳感器節點隨機訪問信道；S2、在信道空閑時所述匯聚節點測量出背景噪聲，然后根據水底全部傳感器節點的個數以及初始發射功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計算出傳感器節點的最優接收功率；S3、所述匯聚節點根據各個傳感器節點距離所述匯聚節點的距離，通過Urick路徑損耗公式計算各傳感器節點的最優發送功率；S4、所述匯聚節點將各個傳感器節點最優發送功率的信息以廣播的形式告知各個傳感器節點，各個傳感器節點設置最優發送功率，在發送數據包前未能收到最優發送功率信號的傳感器節點以原有初始功率發送數據包。

【技術特征摘要】
1.一種適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議，用于水底存在多個待發送數據包的傳感器節點和一個匯聚節點構成星形匯聚網絡拓撲結構，其特征在于，所述MAC協議包括：S1、傳感器節點隨機訪問信道；S2、在信道空閑時所述匯聚節點測量出背景噪聲，然后根據水底全部傳感器節點的個數以及初始發射功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計算出傳感器節點的最優接收功率；S3、所述匯聚節點根據各個傳感器節點距離所述匯聚節點的距離，通過Urick路徑損耗公式計算各傳感器節點的最優發送功率；S4、所述匯聚節點將各個傳感器節點最優發送功率的信息以廣播的形式告知各個傳感器節點，各個傳感器節點設置最優發送功率，在發送數據包前未能收到最優發送功率信號的傳感器節點以原有初始功率發送數據包。2.根據權利要求1所述的適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議，其特征在于，所述步驟S2中在信道空閑時所述匯聚節點測量出背景噪聲具體為：仿真時假設信道引入均值為0，方差為σ2的高斯白噪聲，然后根據水底全部傳感器節點的個數以及初始發送功率，利用分布式基于信干噪比平衡的功率控制算法，并采用迭代方法計算出傳感器節點的最優接收功率，計算公式如下：其中，Pi(m)表示傳感器節點i經過m步迭代后所得的功率值，Star是目標信干噪比，Si(m)是經過m步迭代后實際的信干噪比。3.根據權利要求1所述的適用于水聲傳感器網絡的基于CDMA功率控制的MAC協議，其特征在于，所述步驟S2中迭代方法的實現流程如下：S21、傳感器節點的初始發射功率矢量其中Pi∈[Pmin,Pmax]是傳感器節點i可以選擇的功率空間，傳感器節點i在最小最大可選功率之間隨機選取一個作為初始發射功率；S22、利用Urick路徑損耗公式計算各個傳感器節點的初始接收功率，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...

【專利技術屬性】
技術研發人員：季飛，宋玲娜，陳芳炯，余華，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44