一种水下传感器网络中获得最大通信容量的信道分配方法组成比例

本发明专利技术提供一种水下传感器网络中获得最大通信容量的信道分配方法，包括：在水下传感器网络设置两类节点：数据收发节点和中心控制节点；将水下传感器网络的信道分为两类，第一类为收发节点对进行数据传输的普通信道；第二类为控制信道，控制信道只用于传输信道概率向量和信道分配结果，不传输收发节点间的数据；各对收发节点在开始通信前需协商各自使用的信道，协商过程采用时分复用的通信方式，每对收发节点中的发送节点依次向中心控制节点发送信道概率向量，中心控制节点在接收信道概率向量后，进行信道分配，并广播发送信道分配结果。本发明专利技术的信道分配方法可以获得最大通信容量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下声通信
，涉及一种信道分配方法。
技术介绍
水下传感器网络网络是近些年来的研究热点。为了避免可用频谱有限，信道条件复杂多变等因素对水声通信产生的不利影响，认知水下声通信的概念应运而生。认知技术最先来源于陆地无线通信，认知无线电CR已在移动通信等领域得到了实际应用。具体来说认知技术是指网络中的设备可以根据周围的信号情况合理调整自身的工作参数，以更好地适应环境，获得更佳的通信性能。设备的工作频率，发送功率，调制方式等参数均可随周围环境进行调整。认知技术是提高无线网络性能的有效方法。引入认知技术的水声网络构成了认知水下声系统。在认知水下声系统中，存在着主用户和认知用户。其中主用户主要为使用声信号进行通信的水下生物。主用户有优先使用声谱的特权；认知用户指水声网络中的传感器节点，包括发送节点和接收节点。只有当主用户不使用频谱时，认知用户中的收发节点才能利用这些频谱资源进行通信。但如何将频谱资源对应的多条信道分配给各对节点是水下认知声通信的难题。本专利技术设计一种新的信道分配方法。
技术实现思路
本专利技术以网络整体的通信容量最大为信道分配的目标，提供一种水下传感器网络中信道分配方法。技术方案如下：一种水下传感器网络中获得最大通信容量的信道分配方法，包括：(1)在水下传感器网络设置两类节点，第一类为数据收发节点，在收发节点之间会传输数据，设网络中共有M对收发节点；第二类为中心控制节点，网络中只有一个中心控制节点，该节点收集各对收发节点的信道概率向量，并计算最终的信道分配结果；(2)将水下传感器网络的信道分为两类，第一类为收发节点对进行数据传输的普通信道，设网络中共有N条普通信道，各条信道的带宽分别为Bi，各对收发节点使用频分复用的方式进行数据传输，即一对收发节点使用一条独立的信道；第二类为控制信道，控制信道只用于传输信道概率向量和信道分配结果，不传输收发节点间的数据；(3)各对收发节点在开始通信前需协商各自使用的信道，协商过程采用时分复用的通信方式，每对收发节点中的发送节点依次向中心控制节点发送信道概率向量，中心控制节点在接收信道概率向量后，进行信道分配，并广播发送信道分配结果，信道分配结果需保证每对收发节点可接入一条信道，且每条信道上只有一对收发节点，同时该结果需使网络获得最大的通信容量，中心控制节点使用匈牙利算法实现这一目标；(4)所有发送节点和接收节点须有相同的时钟，他们保持全网同步。其中的(3)的具体步骤可以如下：1)设第i对收发节点的发送节点向中心控制节点发送的信道概率向量为Wi，Wi为行向量，共有N个元素，每个元素是节点感知到对应信道可能空闲的概率，如式(1)所示：Wi＝[pi1,pi2,pi3,…piN](1)其中，pij是第i个收发节点对认为第j条信道可能空闲的概率，pij≤1；2)中心控制节点将M个行向量Wi排列成矩阵W，其中每对收发节点的行向量Wi为矩阵的一行,如式(2)所示：W=W1W2...WM=p11p12...p1Np21p22...p2N............pM1pM2...pMN---(2)]]>3)将W的每一列元素与相应信道的带宽相乘，得到信道分配矩阵S,如式(3)所示，S中的每个元素为sij：S=p11B1p12B2...p1NBNp21B1p22B2...p2NBN............pM1B1pM2B2...pMNBN---(3)]]>4)若收发节点对的数目M与信道数N不等，则信道分配矩阵S不是方阵，需要进行矩阵变换，具体操作为增加虚节点或虚信道。在信道分配矩阵S中，虚节点和虚信道对应位置的元素均为0；5)获得经过变化的信道分配矩阵S后，中心控制节点进行信道分配，信道分配结果要保证每对收发节点可接入一条信道，且每条信道上只有一对收发节点，信道分配结果用矩阵X表示，X为M×N的矩阵，其中每个元素xij的取值只有0和1两种情况，表示第i对收发节点是否接入信道j，具体为：6)定义网络通信容量C由各对收发节点所使用信道的带宽Bi和该信道空闲概率pij的乘积之和表示，信道分配的结果需使网络获得最大的通信容量C，信道分配的目标函数为采用匈牙利算法求解信道分配结果。本专利技术在水声网络中设计了中心控制节点。中心控制节点收集其他收发节点对的信道概率向量，并将多个信道概率向量组合成矩阵，并与各条信道的带宽相乘，构成信道分配矩阵。本专利技术提出的方案采用匈牙利算法计算信道分配结果，以保证节点间不发生冲突，并使整个网络获得最大的通信容量。附图说明图1.本专利技术涉及的通信模型(四对收发节点，一个中心节点)图2.各个发送节点发送信道分配请求CAR图3.中心控制节点进行信道分配的流程图具体实施方式本专利技术设计的信道分配方案以获得最大的网络通信容量为目标。该信道分配方法可分为两个阶段。第一阶段主要由各个收发节点对中的发送节点完成；第二阶段主要由中心控制节点完成。现分别对这两个阶段进行说明。第一阶段：各个发送节点对中的发送节点向中心控制节点发送信道分配请求报文(ChannelAllocationRequest，CAR),CAR报文中包括该对节点的信道概率向量Wi。每对节点的信道概率向量Wi为行向量。Wi共有N个元素，每个元素是节点感知到对应信道可能空闲的概率。第i个收发节点对中的发送节点将发送的信道概率向量如式(1)所示。Wi＝[pi1,pi2,pi3,…piN](1)其中pij是第i个收发节点对认为第j条信道可能空闲的概率，pij≤1。第二阶段：网络中的中心控制节点在接收到M个发送节点的信道概率向量Wi后，需进行如下操作，流程如图2所示。7)中心控制节点将M个行向量Wi排列成矩阵W，其中每对收发节点的行向量Wi为矩阵的一行,如式(2)所示。W=W1W2...WM=p11p12...p1Np21p22...p2N............pM1pM2...pMN---(2)]]>8)中心控制节点将W的每一列元素与相应信道的带宽相乘，得到信道分配矩阵S,如式(3)所示。S中的每个元素为sij。S=p11B1p12B2...p1NBNp21B1p22B2...p2NBN............pM1B1pM2B2...pMNBN---(3)]]>9)若收发节点对的数目M与信道数N不等，则信道分配矩阵S不是方阵，因此需要进行矩阵变换。具体操作为增加虚节点或虚信道。在信道分配矩阵S中，虚节点和虚信道对应位置的元素均为0。10)获得经过变化的信道分配矩阵S后，中心控制节点即可进行信道分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下传感器网络中获得最大通信容量的信道分配方法，包括：(1)在水下传感器网络设置两类节点，第一类为数据收发节点，在收发节点之间会传输数据，设网络中共有M对收发节点；第二类为中心控制节点，网络中只有一个中心控制节点，该节点收集各对收发节点的信道概率向量，并计算最终的信道分配结果；(2)将水下传感器网络的信道分为两类，第一类为收发节点对进行数据传输的普通信道，设网络中共有N条普通信道，各条信道的带宽分别为Bi，各对收发节点使用频分复用的方式进行数据传输，即一对收发节点使用一条独立的信道；第二类为控制信道，控制信道只用于传输信道概率向量和信道分配结果，不传输收发节点间的数据；(3)各对收发节点在开始通信前需协商各自使用的信道，协商过程采用时分复用的通信方式，每对收发节点中的发送节点依次向中心控制节点发送信道概率向量，中心控制节点在接收信道概率向量后，进行信道分配，并广播发送信道分配结果，信道分配结果需保证每对收发节点可接入一条信道，且每条信道上只有一对收发节点，同时该结果需使网络获得最大的通信容量，中心控制节点使用匈牙利算法实现这一目标；(4)所有发送节点和接收节点须有相同的时钟，他们保持全网同步。...

【技术特征摘要】
1.一种水下传感器网络中获得最大通信容量的信道分配方法，包括：
(1)在水下传感器网络设置两类节点，第一类为数据收发节点，在收发节点之间会传输数据，
设网络中共有M对收发节点；第二类为中心控制节点，网络中只有一个中心控制节点，该节点收集
各对收发节点的信道概率向量，并计算最终的信道分配结果；
(2)将水下传感器网络的信道分为两类，第一类为收发节点对进行数据传输的普通信道，设
网络中共有N条普通信道，各条信道的带宽分别为Bi，各对收发节点使用频分复用的方式进行数据
传输，即一对收发节点使用一条独立的信道；第二类为控制信道，控制信道只用于传输信道概率向
量和信道分配结果，不传输收发节点间的数据；
(3)各对收发节点在开始通信前需协商各自使用的信道，协商过程采用时分复用的通信方
式，每对收发节点中的发送节点依次向中心控制节点发送信道概率向量，中心控制节点在接收信道
概率向量后，进行信道分配，并广播发送信道分配结果，信道分配结果需保证每对收发节点可接入
一条信道，且每条信道上只有一对收发节点，同时该结果需使网络获得最大的通信容量，中心控制
节点使用匈牙利算法实现这一目标；
(4)所有发送节点和接收节点须有相同的时钟，他们保持全网同步。
2.根据权利要求1所述的信道分配方法，其特征在于，(3)的具体步骤如下：
1)设第i对收发节点的发送节点向中心控制节点发送的信道概率向量为Wi，Wi为行向量，共有N
个元素，每个元素是节点感知到对应信道可能空闲的概率，如式(1)所示：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雅婧，金志刚，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12