一種基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法

2023-05-11 03:09:26 2

專利名稱：一種基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法
技術領域：
本發明涉及水下通信技術領域，特別涉及一種基於頻譜感知及預測的水下多路通 信方法。
背景技術：
隨著現代信息技術的飛速發展，通信已經成為一個陸海空三維一體的需求網絡， 特別是以海洋為代表的水下通信網絡已經成為各國國防、通訊、監視、探測等活動中不可或 缺的一部分。迄今為止，在人們所熟知的各種輻射信號中以聲波在水中的傳播性能為最佳，因 此聲通信是目前水下無線通信的主要手段。由於吸收、散射、反射、幾何擴展等因素的影響， 高頻聲信號在水中的傳播衰減非常大，使得水聲通信的可利用頻帶非常有限，因此在多用 戶的水聲通信系統中，如何有效地分配和利用有限的頻譜資源是一個技術難題。現有的水 下頻譜共享技術主要有時分多址(TDMA)、載波偵聽多路訪問(CSMA)、頻分多址(FDMA)等 幾種，但這些技術應用到水聲通信時存在著較大的局限性，例如TDMA技術要求精確的定 時和同步條件，在水下通信的大傳播延時環境下很難實現，同時，為避免相鄰時隙信息的幹 擾，往往需要在數據傳輸過程中插入長度至少為最大傳播時延的保護間隔，明顯降低通信 的效率；CSMA技術中大的傳播延時，會導致節點間多次衝突，從而造成節點能量的多次消 耗，互相交換控制信息則需要大量時間，同樣降低通信效率；FDMA技術雖然不受大傳播時 延的影響，但目前靜態的FDMA方案在多路通信的情況下，會造成某些頻道擁擠而部分頻道 空閒的情況，頻譜利用率不高。認知無線電(Cognitive radio)技術是近年來陸上無線通信研究中提出的一種智 能通信新技術，它的基本思想是讓無線終端通過感知周圍無線環境的歷史和當前狀況來調 整自己的傳輸參數，使用最合適的無線資源(包括頻率、調製方式、發射功率等)來完成無 線傳輸，主要涉及頻譜感知技術和頻譜分析、決定、分配及移動等頻譜資源管理等技術。由 於認知無線電的思想能讓無線終端高效地利用頻譜資源、適應多變的無線環境，因此在頻 帶有限、環境複雜的水下通信，特別是多用戶、高速率的水下通信中具有很大的發展潛力。 但由於聲波在水中的傳播速度遠小於電磁波在空氣中的傳播速度(聲波在水中的傳播速 度約為1500米/秒，僅為電磁波在空氣中傳播速度的二十萬分之一)，使得水下頻譜感知與 陸上頻譜感知相比具有非實時和異步的特點一方面，由於水下通信網絡中的節點通常分 布比較稀疏，距離較遠，因此傳播時延非常大，節點獲得的頻譜感知信息並非實時的待測頻 道的使用狀態信息；另一方面，當被感知節點與認知終端的距離差別較大時，它們發出的聲 信號到達認知終端時會有明顯的時間差，即在水聲通信中，認知終端感知到的環境信息常 常是異步的。這些都顯著地增加了後續的頻譜分配處理的難度。在陸上無線通信中，現有的認知無線電信道狀態感知和預測方法可以利用信道的 統計信息計算出信道的狀態轉移概率矩陣，進而可以根據信道初始時刻處於各狀態的概率 來預測以後其任一時刻各狀態的概率，可以有效地減少數據碰撞、提高頻譜利用率，但由於電磁波在空氣中的傳播速度很快，因此通常都假設感知的頻譜信息是實時和同步的，不能 有效地處理水下頻譜感知的非實時和異步信息，目前的水下通信技術中也尚無有效的解決 方法。

發明內容
本發明的目的是克服了現有技術的不足，提供了一種能有效地處理水下頻譜感知 中的非實時和異步信息，提高頻譜利用率，減少節點傳輸的數據碰撞概率和接入時延的基 於頻譜感知及預測的水下多路通信方法。為解決上述技術問題，本發明的技術方案是一種基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法，包括下列步驟步驟1 網絡中各節點按預定的感知時間間隔周期性地對各頻道感知，獲取頻道 的使用狀態的統計信息，計算各頻道的統計佔用概率及狀態轉移概率矩陣，並對各個頻道 的使用狀態建立預測模型；步驟2 當網絡中某節點需要傳輸數據時，該節點對各頻道進行頻譜感知，若某頻 道正在被佔用，則該節點接收並解調正在各頻道中傳輸的數據，如果某頻道的數據可以被 解調且能提取時間信息，則根據提取的時間信息估計該頻道數據傳輸時延；如果某頻道的 數據不能被解調或無法從解調的數據中提取時間信息，則將該頻道的時延信息標註為缺 失；若該節點感知到某頻道該時刻空閒，則將該頻道的時延信息標註為缺失；步驟3:將步驟2中感知到的各頻道使用狀態作為初始狀態，當某頻道的數據傳輸 時延能估計出來時，利用步驟1中得到的各頻道使用狀態的預測模型對當前該頻道的使用 狀態進行預測，計算當前該頻道被佔用的概率；當某頻道的時延信息缺失時，將各頻道的統 計佔用概率作為當前該頻道被佔用的概率；步驟4 該節點根據步驟3計算得到各頻道被佔用概率與規定門限值比較，比較結 果分為A、若計算的頻道佔用概率均大於門限值，則該頻道當前不可用，該節點當前時刻 沒有合適頻道可以接入；B、若計算的頻道佔用概率小於門限值且該頻道的數據傳輸時延小於等於步驟1 所述的預定的感知時間間隔，則當前時刻該頻道可用，該節點直接接入；C、若計算的頻道佔用概率小於門限值且該頻道的數據傳輸時延大於步驟1所述 的預定的感知時間間隔，則當前時刻該頻道可用，但該節點不能直接接入。步驟5 節點根據步驟2中感知到的各頻道使用狀態及時延信息，更新各頻道的統 計佔用概率和預測模型。所述的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法中，步驟1所述預測模型為馬爾 科夫鏈預測模型A(n) = A(O)Pn，其中A(O)表示初始時刻各個頻道的狀態概率矩陣，P為 狀態轉移概率矩陣，A(n)為η時刻各個頻道的狀態概率矩陣。所述的水下多路通信方法中，步驟2所述各頻道中傳輸的數據是定時、間隔地在 傳輸的數據包上加入時間標籤。所述的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法中，步驟4中A項各頻道被佔用 概率均大於規定門限值時，則該節點1經步驟5返回步驟2，直至找到可用的合適頻道。
所述的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法中，步驟4中C項所述節點再次 感知該所述頻道，感知次數為該頻道數據傳輸時延長度與步驟1所述的預定的感知時間間 隔的比值，直至每次感知、預測結果均表示該所述頻道可用，該節點才接入。所述的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法中，步驟5是採用雙端隊列方 式，即每加入一個新的感知信息，則去除最前的一個統計信息來更新各頻道的統計信息。
本發明相對於現有技術的有益效果是1.針對水下通信大傳播時延造成的非實時性及異步性問題，本發明通過對各個頻 道的使用狀態信息建立預測模型，利用佔用頻道的節點的時延信息來預測頻道當前的使用 狀態，減少了多路通信的數據碰撞概率，提高了數據傳輸速率和頻譜利用率。2.本發明提供的頻譜預測機制，使得節點可以快速接入空閒頻道，減少了接入時 延，提高了通信效率。3.本發明提供的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法，可以有效的解決水下 可用頻帶窄的問題，減少節點傳輸的數據碰撞概率，節省節點能量，延長網絡生命周期。


圖1為本發明實施例的水下多路通信網絡結構圖；圖2為本發明實施例的水下多路通信網絡節點裝置結構圖；圖3為本發明實施例的工作流程圖；圖4為本發明實施例的水下頻道馬爾科夫鏈狀態轉移圖；圖5為本發明實施例的圖論著色模型圖。
具體實施例方式下面結合附圖通過具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明，但本發明的實施 和保護範圍不限於此。參見圖1、圖2，本發明實施例為一個主要由6個獨立的水下節點組成的水下多路 通信網絡，每個節點支持3個頻道，網絡結構圖如圖1所示。其中每一個節點包括水聲換能 器(接收換能器和發射換能器)、A/D和D/A轉換器、數位訊號處理器；水聲換能器用於聲信 號和電信號的相互轉換；A/D和D/A轉換器用於模擬信號和數位訊號的轉換；數位訊號處理 器用於對接收/發射信號的處理，包括解調/加入時間標籤、對各頻道建模並計算各頻道被 佔用概率。接收換能器、A/D轉換器、數位訊號處理器和D/A轉換器、發射換能器依次信號 連接。節點的裝置結構圖如圖2所示。本發明實施例主要工作流程圖如圖3所示，主要包括如下步驟步驟1 網絡中各節點按預定的感知時間間隔周期性地對各頻道感知，獲取頻道 的使用狀態的統計信息，計算各頻道的統計佔用概率及狀態轉移概率矩陣，並對各個頻道 的使用狀態建立預測模型。每個頻道分為佔用、空閒兩種狀態，分別用「0」、「1」表示。約定無節點利用該頻道 傳輸數據時，認為是空閒；反之，則為佔用。頻道的馬爾科夫鏈狀態轉移圖如圖4所示。備節點選取一定長度時間、周期性地選擇待測頻道等間隔感知其狀態信息，接收 換能器接收感知信息。感知時間長度取決於節點所處的通信環境，時間越長，節點獲取的頻道狀態統計信息越充分，頻譜預測的結果也就更精確。各節點獲得各頻道狀態統計信息後，經模/數轉換，啟動數位訊號處理器，利用馬 爾科夫鏈預測模型對各頻道狀態信息進行建模，計算得出各頻道的狀態轉移概率矩陣及統 計佔用概率。馬爾可夫過程是較普遍隨機過程的一種，該過程考慮了當前事件對後來事件的影 響，即從一種狀態轉移到另一種狀態，隨時間變化所作的狀態轉移，且狀態轉移具有概率性 質。時間離散、狀態離散的馬爾可夫過程稱為馬爾可夫鏈。對一重(一階)平穩的馬爾可 夫鏈，系統每次轉移，僅依賴於前一次的狀態i與更前一次的狀態i_l無關，且這個概率與 幾次轉移無關。馬爾科夫鏈預測模型為A(n) = A(O)Pn，其中A(O)表示初始時刻各個頻道的狀態 概率矩陣，A(n)為η時刻各個頻道的狀態概率矩陣，P為狀態轉移概率矩陣，結合本實例，P 可用下式表示 其中，Ptltl表示從狀態「0」 一步轉移到狀態「0」的概率；Ptll表示從狀態「0」 一步轉 移到狀態「 1，，的概率；Pltl表示從狀態「 1，，一步轉移到狀態「0」的概率；P11表示從狀態「 1，， 一步轉移到狀態「1」的概率。t到t+Ι時刻，狀態從Si轉移為S」的頻數與總頻數η之 比，則為狀態Si轉移為Sj的轉移概率Pij = nij/n。步驟2 當網絡中某節點需要傳輸數據時，該節點對各頻道進行頻譜感知，若某頻 道正在被佔用，則該節點接收並解調正在各頻道中傳輸的數據，如果某頻道的數據可以被 解調且能提取時間信息，則根據提取的時間信息估計該頻道數據傳輸時延；如果某頻道的 數據不能被解調或無法從解調的數據中提取時間信息，則將該頻道的時延信息標註為缺 失；若該節點感知到某頻道該時刻空閒，則將該頻道的時延信息標註為缺失；為解決水下大傳播延時造成的獲取信息的非實時性和異步性問題，本發明實施例 規定利用頻道進行數據傳輸的每個節點定時、間隔的在傳輸的數據包上加入時間標籤，感 知節點通過解調感知信息獲得的時間標籤來估計該頻道數據傳輸的時延。本實例中，假設t時刻，節點1和節點4需要傳輸數據，則以節點1為例，首先選擇 頻道a進行感知，接收換能器收到感知信息後，經過模/數轉換，送到數位訊號處理器進行 解調。如果節點1能夠解調並提取出時間信息t-i，則可據此估計出該頻道數據傳輸的時延 為1，且t時刻感知到的頻道狀態實際上是t-Ι時刻的頻道使用狀態，即t-Ι時刻頻道a被 佔用。同理，節點1依次選擇頻道b、頻道c分別進行感知，分別得到頻道b和頻道c的時 延信息和狀態信息；如果距離太遠，衰減過大，節點1不能解調某頻道的數據或無法從解調 的數據中提取時間信息，如節點1與頻道c相距較遠，無法解調感知信息或不能提取時間標 籤，則節點1將頻道c的時延信息標註為缺失；若節點1該時刻感知到某頻道如頻道b為空 閒，無法提取時間信息，估計出時延，則同樣將頻道b的時延信息標註為缺失。同理，節點4依次對頻道a、頻道b、頻道c進行感知，獲取各頻道的使用狀態信息 和時延信息。步驟3 將步驟2中感知到的各頻道使用狀態作為初始狀態，當某頻道的數據傳輸 時延能估計出來時，利用步驟1中得到的各頻道使用狀態的預測模型對當前該頻道的使用狀態進行預測，計算當前該頻道被佔用的概率；當某頻道的時延信息缺失時，將各頻道的統 計佔用概率作為當前該頻道被佔用的概率；本實例中，t時刻節點1在步驟2中分別得到了頻道a、頻道b、頻道c的使用狀態 信息，對於頻道a，得到其數據傳輸時延為1，且t-Ι時刻頻道a被佔用。相應的，馬爾科夫 鏈預測模型中頻道a初始時刻的狀態概率矩陣為Aa(t-1) = (pa(l pal) = (0 1)，帶入預測模 型A(n) =A(O)Pn(其中狀態轉移概率矩陣P在步驟1中已得到)，就可以計算出t時刻頻 道a的狀態概率矩陣；對於頻道b和頻道c，由於其時延信息均為缺失，則根據步驟1中求 得的統計佔用概率作為當前該頻道被佔用的概率。同理，節點4與節點1採用相同的處理方法預測出當前各頻道的佔用概率。步驟4 節點根據步驟3計算得到各頻道被佔用概率，選擇接入的頻道；結合本實例，節點1啟動數位訊號處理器把步驟3中計算出的3個頻道的佔用概 率相比較，選取佔用概率最小的頻道，並將其佔用概率值與規定的門限值作比較，比較結果 有以下幾種情況 (1)若佔用概率值小於門限值，並且如果該頻道的數據傳輸時延為小於等於預定 的感知時間間隔，則當前時刻該頻道可用，節點1可以直接接入；(2)若佔用概率值小於門限值，並且如果該頻道的數據傳輸時延大於預定的感知 時間間隔，則規定當前時刻該頻道雖可用，但節點1不能直接接入，需要再次感知該頻道， 感知次數為該頻道數據傳輸的時延長度與周期性感知時間間隔的比值，直至每次感知、預 測結果均表示該頻道可用，節點1才接入；(3)若佔用概率值大於門限值，則表示當前時刻該頻道不可用，其他兩個佔用概率 大的頻道更不可用，節點1在當前時刻沒有合適頻道可以接入，此時，節點1經步驟5返回 步驟2，重新感知頻道狀態，進行新一輪的預測工作，直至找到可用的合適頻道。節點4預測結果的處理方法同節點1。該處理方法可以有效減少由於同一頻道感 知信息到達兩個節點的異步性且兩個節點預測結果為同一個頻道而造成的數據碰撞概率， 例如，若節點1和節點4同時預測頻道a可用，但節點1對頻道a的數據傳輸時延小於等於 預定的感知時間間隔，而節點4的時延為大於預定感知時間間隔，則節點1可根據預測結果 直接選擇頻道a進行接入，而節點4在對頻道a進行第二次感知時獲知頻道a已經被佔用， 則放棄頻道a，重新選擇可用頻道，這樣可有效避免兩個節點在頻道a的數據碰撞。本發明實施例應用圖論著色模型對各節點感知及預測到的可用頻道進行頻譜分 配，模型圖如圖5所示。首先將感知節點組成的網絡拓撲結構抽象成圖，圖中的每一個頂 點代表感知節點，每一條邊表示一對頂點間的衝突或者幹擾，即如果圖中的某兩個頂點由 一條邊連接，則這兩個節點不能同時使用相同的頻譜；然後，將每一個頂點與一個集合相關 聯，這個集合代表該頂點所在區域位置可以使用的頻譜資源(由頻譜感知及預測得到)，由 於每個頂點地理位置的不同，因而不同頂點所關聯的資源集合是不同的，同時規定當兩個 不同頂點間存在m色邊(頻道m)的時候，這兩個頂點不能同時著m色；最後，應用圖論著色 理論對基於頻譜感知及預測的感知節點進行頻譜分配。此外，本發明實施例還可以應用目 前常見的其他頻譜分配算法如基於幹擾溫度模型、博弈論模型、拍賣競價模型等的頻譜分 配算法對各節點感知及預測到的可用頻道進行分配。步驟5 根據步驟2中感知到的各頻道使用狀態及時延信息，更新各頻道的統計佔用概率和預測模型；為避免節點存儲統計信息太長造成嚴重負荷，本發明中規定節點感知各個頻道的 統計信息採用雙端隊列方式進行存儲，每加入一個新的感知信息，則去除最前的一個統計 信息，這樣保證各頻道的統計佔用概率不斷的更新，保證頻道預測的準 確性。結合本實例，節點1和節點4對各頻道每進行一次頻譜感知和預測，則將新的感知 信息加入到存儲的該頻道的統計信息中，同時，從雙端隊列中去除最前的一個統計信息，保 證各個頻道統計概率模型不斷的更新，從而提高頻道預測的準確性。
權利要求
一種基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法，其特徵在於包括下列步驟步驟1網絡中各節點按預定的感知時間間隔周期性地對各頻道感知，獲取頻道的使用狀態的統計信息，計算各頻道的統計佔用概率及狀態轉移概率矩陣，並對各個頻道的使用狀態建立預測模型；步驟2當網絡中某節點需要傳輸數據時，該節點對各頻道進行頻譜感知，若某頻道正在被佔用，則該節點接收並解調正在各頻道中傳輸的數據，如果某頻道的數據可以被解調且能提取時間信息，則根據提取的時間信息估計該頻道數據傳輸時延；如果某頻道的數據不能被解調或無法從解調的數據中提取時間信息，則將該頻道的時延信息標註為缺失；若該節點感知到某頻道該時刻空閒，則將該頻道的時延信息標註為缺失；步驟3將步驟2中感知到的各頻道使用狀態作為初始狀態，當某頻道的數據傳輸時延能估計出來時，利用步驟1中得到的各頻道使用狀態的預測模型對當前該頻道的使用狀態進行預測，計算當前該頻道被佔用的概率；當某頻道的時延信息缺失時，將各頻道的統計佔用概率作為當前該頻道被佔用的概率；步驟4該節點根據步驟3計算得到各頻道被佔用概率與規定門限值比較，比較結果分為A、若計算的頻道佔用概率均大於門限值，則該頻道當前不可用，該節點當前時刻沒有合適頻道可以接入；B、若計算的頻道佔用概率小於門限值且該頻道的數據傳輸時延小於等於步驟1所述的預定的感知時間間隔，則當前時刻該頻道可用，該節點直接接入；C、若計算的頻道佔用概率小於門限值且該頻道的數據傳輸時延大於步驟1所述的預定的感知時間間隔，則當前時刻該頻道可用，但該節點不能直接接入。步驟5節點根據步驟2中感知到的各頻道使用狀態及時延信息，更新各頻道的統計佔用概率和預測模型。
2.根據權利要求1所述的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法，其特徵在於步 驟1所述預測模型為馬爾科夫鏈預測模型A(n) = A(O)Pn，其中A(O)表示初始時刻各個頻 道的狀態概率矩陣，P為狀態轉移概率矩陣，A(η)為η時刻各個頻道的狀態概率矩陣。
3.根據權利要求1所述的水下多路通信方法，其特徵在於步驟2所述各頻道中傳輸 的數據是定時、間隔地在傳輸的數據包上加入時間標籤。
4.根據權利要求1所述的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法，其特徵在於步 驟4中A項各頻道被佔用概率均大於規定門限值時，則該節點1經步驟5返回步驟2，直至 找到可用的合適頻道。
5.根據權利要求1所述的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法，其特徵在於步 驟4中C項所述節點再次感知該所述頻道，感知次數為該頻道數據傳輸時延長度與步驟1 所述的預定的感知時間間隔的比值，直至每次感知、預測結果均表示該所述頻道可用，該節 點才接入。
6.根據權利要求1所述的基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法，其特徵在於步 驟5是採用雙端隊列方式，即每加入一個新的感知信息，則去除最前的一個統計信息來更 新各頻道的統計信息。
全文摘要
本發明涉及水下通信技術領域，目的是提供一種基於頻譜感知及預測的水下多路通信方法。本發明首先對各個頻道的使用狀態信息建立預測模型，然後利用佔用頻道的節點的時延信息來預測頻道當前的使用狀態，並在此基礎上選擇合適的頻道進行通信，本發明提供的頻譜預測機制，使得節點可以快速接入空閒頻道，減少了接入時延，提高了通信效率。本發明通過對各個頻道的使用狀態信息建立預測模型，利用佔用頻道的節點的時延信息來預測頻道當前的使用狀態，減少了多路通信的數據碰撞概率，提高了數據傳輸速率和頻譜利用率，節省節點能量，延長網絡生命周期。
文檔編號H04B17/00GK101867420SQ20101020468
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月18日 優先權日2010年6月18日
發明者寧更新, 張軍, 張豔莉, 韋崗 申請人:華南理工大學