[發(fā)明專利]一種基于認(rèn)知聲技術(shù)的MAC協(xié)議通信方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710893383.3
• 申請(qǐng)日: 2017-09-27
• 公開（公告）號(hào): CN107864480B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋傳東;王海峰;劉真;李超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 棗莊學(xué)院
• 主分類號(hào): H04W16/14
• 分類號(hào): H04W16/14;H04L29/12;H04W72/04;H04W74/08;H04B13/02
• 代理公司: 濟(jì)南泉城專利商標(biāo)事務(wù)所 37218
• 代理人: 李桂存

1.一種基于認(rèn)知聲技術(shù)的MAC協(xié)議通信方法，所述協(xié)議通信方法基于以下網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)裝備一個(gè)調(diào)制解調(diào)器，每一個(gè)調(diào)制解調(diào)器的可用帶寬被平均劃分為M+1個(gè)子信道，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)子信道的數(shù)量相同并且每個(gè)子信道的帶寬也相同，其中包括一個(gè)僅傳輸控制包的控制子信道和僅傳輸數(shù)據(jù)包的M個(gè)數(shù)據(jù)子信道，M為大于1的正整數(shù)；其特征在于：所述協(xié)議通信方法包括：

(1)、設(shè)計(jì)多會(huì)話多信道鏈路調(diào)度算法，該算法基于4次握手機(jī)制，包括合作沖突檢測(cè)及延遲圖沖突避免、多會(huì)話調(diào)度兩部分；(2)設(shè)計(jì)基于認(rèn)知無線電技術(shù)的信道資源動(dòng)態(tài)分配算法，該算法利用水聲認(rèn)知技術(shù)在物理層調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合MAC層的鏈路調(diào)度算法通過跨層優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)物理層和MAC層的跨層優(yōu)化；4次握手機(jī)制為RTS/TONE/CTS/DATA，其中從發(fā)送者發(fā)送RTS到接收者回復(fù)CTS響應(yīng)的傳輸時(shí)間應(yīng)大于最大傳播延遲，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送TONE到發(fā)送CTS的時(shí)間應(yīng)大于TONE傳輸時(shí)間加上最大傳播延遲的兩倍，發(fā)送者在發(fā)送RTS后等待接收鄰居節(jié)點(diǎn)的CTS控制包的時(shí)間應(yīng)該大于RTS傳輸時(shí)間加上最大傳播延遲的兩倍；節(jié)點(diǎn)所有報(bào)文的傳輸和接收時(shí)間構(gòu)成延遲圖，延遲圖沖突避免是指每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以通過監(jiān)聽鄰居節(jié)點(diǎn)的報(bào)文，然后根據(jù)監(jiān)聽到的報(bào)文的類型和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲圖推斷出其所有鄰居節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間；根據(jù)節(jié)點(diǎn)目前的狀態(tài)和已知的鄰居延遲圖，一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以推測(cè)出它接收?qǐng)?bào)文的時(shí)間；當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)，它會(huì)計(jì)算所有報(bào)文的接收時(shí)間，并與鄰居節(jié)點(diǎn)和本地報(bào)文接收時(shí)間進(jìn)行比較，以檢測(cè)可能發(fā)生的沖突；如果預(yù)測(cè)不會(huì)發(fā)生沖突，節(jié)點(diǎn)開始它的傳輸，否則，進(jìn)入根據(jù)二進(jìn)制指數(shù)退避算法進(jìn)行退避等待；多會(huì)話調(diào)度是指：在發(fā)送節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建新的會(huì)話前，節(jié)點(diǎn)需確認(rèn)此會(huì)話產(chǎn)生的接收和發(fā)送調(diào)度不會(huì)與現(xiàn)存的調(diào)度產(chǎn)生沖突，如果根據(jù)沖突避免機(jī)制預(yù)見到?jīng)_突，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)二進(jìn)制指數(shù)退避算法隨機(jī)退避一段時(shí)間再重新發(fā)起此會(huì)話，否則，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送RTS報(bào)文建立新的會(huì)話；對(duì)于接收者，一旦收到RTS報(bào)文，即建立了接收節(jié)點(diǎn)會(huì)話，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)話建立之后，節(jié)點(diǎn)會(huì)把此會(huì)話帶來的發(fā)送和接收調(diào)度與現(xiàn)存的調(diào)度進(jìn)行比較，如果根據(jù)沖突避免機(jī)制預(yù)見到?jīng)_突，接收節(jié)點(diǎn)就不回復(fù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)CTS報(bào)文，否則，接收節(jié)點(diǎn)就回復(fù)CTS報(bào)文，并在既定的數(shù)據(jù)信道等待接收數(shù)據(jù)包；信道資源動(dòng)態(tài)分配算法將物理層和MAC層的跨層優(yōu)化問題建模成最大化信道資源利用率的最優(yōu)化問題，將信道資源利用率構(gòu)造成物理層參數(shù)發(fā)送功率、發(fā)送速率以及信道分配矩陣的函數(shù)，提出適用于水下傳感網(wǎng)資源動(dòng)態(tài)分配算法，進(jìn)一步把信道沖突避免機(jī)制和資源動(dòng)態(tài)分配算法結(jié)合起來，在避免信道沖突的前提下，最大化信道資源利用率；

基于認(rèn)知無線電技術(shù)的信道資源動(dòng)態(tài)分配算法的具體步驟為：

(21)、假定M代表數(shù)據(jù)子信道的數(shù)目，N代表節(jié)點(diǎn)W的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，t代表網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間，在t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)n的信道分配矩陣為其中每個(gè)元素為如果信道m(xù)被分配給用戶n，那么否則代表用戶n的發(fā)送功率，p_n代表用戶n的最大發(fā)送功率，是發(fā)送者n在信道m(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送速率，代表用戶n的最大可用帶寬，則：其中是發(fā)送者n與其接收者在信道m(xù)上的瞬時(shí)信道增益，B_m是信道帶寬，N₀是信道的噪聲頻譜密度；

(22)、由于水聲信號(hào)的長(zhǎng)延遲和水聲信道高動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，使得很難獲得，因此引入中斷概率來計(jì)算信道的容量，根據(jù)QoS需求，發(fā)送者n與其接收者在信道m(xù)上的丟包率應(yīng)該小于等于預(yù)先設(shè)定的中斷概率即

(23)、假定的概率密度函數(shù)，其符合瑞利分布，那么符合均值為λ_mn的指數(shù)分布，將公式( 1) 帶入公式( 2) 中，可以得到

(24)、把信道沖突避免機(jī)制和資源動(dòng)態(tài)分配算法結(jié)合起來，在避免信道沖突的前提下，最大化信道資源利用率，假定Q為發(fā)送者在T_s時(shí)間內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)的位數(shù)，其定義如下：

是發(fā)送者n在信道m(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送速率，是一個(gè)發(fā)送功率、發(fā)送速率和信道分配矩陣的函數(shù)，我們將最大化信道資源利用率的問題建模成下步驟的最優(yōu)化問題；

在公式( 5) 中，C1是在同一時(shí)刻只能一個(gè)用戶使用信道的信道分配限制，C2是節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率不大于最大發(fā)送功率的功率限制條件，C3是信道沖突避免限制，這三個(gè)限制將MAC層的沖突避免機(jī)制和物理層的節(jié)點(diǎn)功率和發(fā)送速率緊密的連接在一起，實(shí)現(xiàn)了物理層和MAC層的跨層優(yōu)化；

(25)、首先考慮C1和C2限制，設(shè)定為[0,1]的實(shí)數(shù)，將最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)拉格朗日問題，如果發(fā)送者的最大，那么信道m(xù)被分配給發(fā)送者在信道分配矩陣中，

其中,

分配給在t時(shí)刻發(fā)送者的最優(yōu)發(fā)送功率如下：

假定為在t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)n的信道分配矩陣，將公式( 9) 帶入公式( 5) 中的C2，可以得到，

最后，我們將公式( 10) 帶入公式( 9) 就可以得到最優(yōu)發(fā)送功率

(26)、在公式( 5) 中條件C3的限制下，使用基于迭代過程的信道資源動(dòng)態(tài)分配算法來計(jì)算和