[發明專利]一種水聲傳感器網絡的資源管理方法、系統、裝置及介質

在審

• 申請號: 202310017901.0
• 申請日: 2023-01-06
• 公開（公告）號: CN116170100A
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 勾毓;張桐;劉軍;宋姍姍;祝繼鋒;賈震東;崔軍紅
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H04B17/382
• 分類號: H04B17/382;H04B13/02;H04W72/044;H04W84/18;H04B17/391
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 王浩

本申請公開了一種水聲傳感器網絡的資源管理方法、系統、裝置及介質，應用于水下網絡資源管理領域。本申請需要判斷水聲傳感器網絡的拓撲結構是否改變，若改變，則根據水聲通信模型，計算發送功率，并且發送帶有發送功率的信息，若未改變，則判斷是否收到來自對應接收節點的反饋信息，若未收到，則返回根據水聲通信模型的步驟，若收到，則通過反饋信息與發送功率的對應關系，發送帶有發送功率的信息。本申請耦合了兩種功率控制方法，解決了水聲通信信道質量不穩定給水下資源管理帶來的挑戰，并且考慮實際水聲信道狀態、節點有限能量、以及水聲傳感器網絡應用需求的資源管理方法，合理利用水下節點有限的能量，滿足通信質量要求，延長網絡生存時間。

技術領域

本申請涉及水下網絡資源管理領域，特別是涉及一種水聲傳感器網絡的資源管理方法、系統、裝置及介質。

背景技術

隨著人類探索海洋、發展海洋需求的不斷增長，人們越來越迫切的需要獲得海洋觀測數據，用于分析海洋環境、海底地貌特征等。水聲傳感器網絡是推動海洋探索的重要手段之一。水聲傳感器網絡由具有感知和通信能力的傳感器節點組成，節點之間以海水為通信介質，通過聲波進行數據傳輸。與陸地無線通信環境不同，水聲信道具有長傳播時延、高時變、高衰減、強噪聲等特點。此外，受尺寸限制，節點攜帶的能量有限，并且部署后很難進行充電、更換電池等操作。因此合理利用有限的能量，延長網絡服務時間是十分必要的。

近年來，現有方法大多是集中式功率控制，也就是在水下網絡中部署一個具有較強計算能力和充足能量的中心控制節點，通常被稱為水下基站或者水下中控節點。這類節點收集網絡中所有節點的能量以及功率信息，根據網絡生存時間及通信質量需求為節點分配發送功率。這種集中式的控制方法能夠準確、高效利用節點寶貴的能量，但由于需要節點與中控節點之間頻繁進行信息交互，為網絡帶來通信負載，占用通信資源。并且，節點發送能量信息也會消耗額外的能量。而且在信道狀態惡化、反饋信息丟失時，僅基于反饋的功率控制方法失效。現有方法大多是基于通信反饋信息進行功率調整，給定網絡中一個發送節點和一個接收節點，這兩個節點構成一個收發對。發送節點向接收節點發送數據，接收節點向發送節點進行反饋，反饋內容包括本次通信是否成功以及本次通信在接收節點處的信號強度等。發送節點根據反饋調整發送功率。這種方法沒有充分考慮水聲信道的時變特性，忽略了水聲通信不穩定的本質。如果接收節點的反饋信息沒有被發送節點收到，那么將無法指導節點功率選擇。還有一些僅基于通信距離計算發送功率。這種方法最簡單，不基于任何反饋信息，但是誤差較大，因為未能將水聲信道的時變特性考慮在內。此外，水聲通信環境中還存在不可預知的環境噪聲以及來自其他聲學實體的通信干擾，始終根據傳播模型計算發送功率可能導致，當通信環境變差時通信失敗，這樣會浪費所有用于本次發送的能量，當通信環境變好時，所用發送功率過高，浪費寶貴能量資源的同時還會對其他可能存在的聲學實體的通信產生干擾。

在現有研究中，常采用基于路由信息的功率調整算法。在初始化階段，為每個節點分配最大層級，每個層級對應不同的發送功率。層級越大，表示距離匯聚節點(接收節點)越遠，所需要的發送功率也就越大。初始化階段完成后，匯聚節點使用最低的等級的發送功率向所有傳感器節點廣播信號包，信號包中指示了所屬層級編號，最低等級對應編號1。收到該信號包的節點比較信號中的層編號與自己信號的大小，選擇二者之中更小的一個作為自己的編號。隨后匯聚節點逐漸增加發送功率，并在信號包中攜帶相對應的層級。當匯聚節點使用所有功率等級發送信號包以后，完成層級分配。傳感器節點根據最終確定的層級，選擇相對應的發送功率。此方法首先，網絡在部署后需要額外的層級分配階段。一旦拓撲發生改變，或者網絡中加入了新節點，則需要重新進行層級分配，降低網絡效率，是不具有可擴展性的方法。并且依賴反饋信息自適應調整發送功率，但沒有考慮反饋信號丟失的情況，這在復雜的水聲通信環境中是常見的。反饋信息的丟失可能導致功率控制算法失效。并且沒有考慮到隨著網絡拓撲和網絡應用需求的不斷變化，節點的通信距離可能隨之改變，因而需要采用不同的工作頻率。由于本方法也是集中式，因此也具有集中式方法的優缺點。

鑒于上述技術，尋求一種水聲傳感器網絡的資源管理方法是本領域技術人員亟待解決的問題。

發明內容