一種水下傳感器網絡中獲得最大通信容量的信道分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水下聲通信技術領域，設及一種信道分配方法。
【背景技術】
[0002] 水下傳感器網絡網絡是近些年來的研究熱點。為了避免可用頻譜有限，信道條件 復雜多變等因素對水聲通信產生的不利影響，認知水下聲通信的概念應運而生。認知技術 最先來源于陸地無線通信，認知無線電CR已在移動通信等領域得到了實際應用。具體來說 認知技術是指網絡中的設備可W根據周圍的信號情況合理調整自身的工作參數，W更好地 適應環境，獲得更佳的通信性能。設備的工作頻率，發送功率，調制方式等參數均可隨周圍 環境進行調整。認知技術是提高無線網絡性能的有效方法。
[0003] 引入認知技術的水聲網絡構成了認知水下聲系統。在認知水下聲系統中，存在著 主用戶和認知用戶。其中主用戶主要為使用聲信號進行通信的水下生物。主用戶有優先使 用聲譜的特權;認知用戶指水聲網絡中的傳感器節點，包括發送節點和接收節點。只有當主 用戶不使用頻譜時，認知用戶中的收發節點才能利用運些頻譜資源進行通信。但如何將頻 譜資源對應的多條信道分配給各對節點是水下認知聲通信的難題。本發明設計一種新的信 道分配方法。
【發明內容】
[0004] 本發明W網絡整體的通信容量最大為信道分配的目標，提供一種水下傳感器網絡 中信道分配方法。技術方案如下：
[0005] -種水下傳感器網絡中獲得最大通信容量的信道分配方法，包括：
[0006] (1)在水下傳感器網絡設置兩類節點，第一類為數據收發節點，在收發節點之間會 傳輸數據，設網絡中共有Μ對收發節點；第二類為中屯、控制節點，網絡中只有一個中屯、控制 節點，該節點收集各對收發節點的信道概率向量，并計算最終的信道分配結果；
[0007] (2)將水下傳感器網絡的信道分為兩類，第一類為收發節點對進行數據傳輸的普 通信道，設網絡中共有Ν條普通信道，各條信道的帶寬分別為Bi，各對收發節點使用頻分復 用的方式進行數據傳輸，即一對收發節點使用一條獨立的信道;第二類為控制信道，控制信 道只用于傳輸信道概率向量和信道分配結果，不傳輸收發節點間的數據；
[000引（3)各對收發節點在開始通信前需協商各自使用的信道，協商過程采用時分復用 的通信方式，每對收發節點中的發送節點依次向中屯、控制節點發送信道概率向量，中屯、控 制節點在接收信道概率向量后，進行信道分配，并廣播發送信道分配結果，信道分配結果需 保證每對收發節點可接入一條信道，且每條信道上只有一對收發節點，同時該結果需使網 絡獲得最大的通信容量，中屯、控制節點使用匈牙利算法實現運一目標；
[0009] (4)所有發送節點和接收節點須有相同的時鐘，他們保持全網同步。
[0010] 其中的（3)的具體步驟可W如下：
[OOW 1)設第i對收發節點的發送節點向中屯、控制節點發送的信道概率向量為Wi，Wi為行 向量，共有N個元素，每個元素是節點感知到對應信道可能空閑的概率，如式(1)所示：
[0012] Wi=[Pil,Pi2，Pi3，...PiN] (1)
[oou]其中，Pi堤第i個收發節點對認為第j條信道可能空閑的概率，PU。；
[0014] 2)中屯、控制節點將Μ個行向量Wi排列成矩陣W，其中每對收發節點的行向量Wi為矩 陣的一行，如式(2)所示：
[0015]
(2：>
[0016] 3)將W的每一列元素與相應信道的帶寬相乘，得到信道分配矩陣S，如式(3)所示，S 中的每個元素為Sij:
[0017]
餅
[0018] 4)若收發節點對的數目Μ與信道數N不等，則信道分配矩陣S不是方陣，需要進行矩 陣變換，具體操作為增加虛節點或虛信道。在信道分配矩陣S中，虛節點和虛信道對應位置 的元素均為0;
[0019] 5)獲得經過變化的信道分配矩陣S后，中屯、控制節點進行信道分配，信道分配結果 要保證每對收發節點可接入一條信道，且每條信道上只有一對收發節點，信道分配結果用 矩陣X表示，X為ΜΧΝ的矩陣，其中每個元素 XU的取值只有0和1兩種情況，表示第i對收發節 點是否接入信道j，具體為：
[0020]
(.4)
[0021] 6)定義網絡通信容量C由各對收發節點所使用信道的帶寬Bi和該信道空閑概率pij 的乘積之和表示，信道分配的結果需使網絡獲得最大的通信容量C，信道分配的目標函數為
采用匈牙利算法求解信道分配結果。
[0022] 本發明在水聲網絡中設計了中屯、控制節點。中屯、控制節點收集其他收發節點對的 信道概率向量，并將多個信道概率向量組合成矩陣，并與各條信道的帶寬相乘，構成信道分 配矩陣。本發明提出的方案采用匈牙利算法計算信道分配結果，W保證節點間不發生沖突， 并使整個網絡獲得最大的通信容量。
【附圖說明】
[0023] 圖1.本發明設及的通信模型（四對收發節點，一個中屯、節點）
[0024] 圖2.各個發送節點發送信道分配請求CAR
[0025] 圖3.中屯、控制節點進行信道分配的流程圖
【具體實施方式】
[0026] 本發明設計的信道分配方案W獲得最大的網絡通信容量為目標。該信道分配方法 可分為兩個階段。第一階段主要由各個收發節點對中的發送節點完成;第二階段主要由中 屯、控制節點完成。現分別對運兩個階段進行說明。
[0027] 第一階段:各個發送節點對中的發送節點向中屯、控制節點發送信道分配請求報文 (Qiannel Allocation Request,CAR),CAR報文中包括該對節點的信道概率向量Wi。每對節 點的信道概率向量Wi為行向量。Wi共有N個元素，每個元素是節點感知到對應信道可能空閑 的概率。第i個收發節點對中的發送節點將發送的信道概率向量如式(1)所示。
[002引 Wi=[Pil,Pi2，Pi3，...PiN] (1)
[0029] 其中PU是第i個收發節點對認為第j條信道可能空閑的概率，PU。。
[0030] 第二階段：網絡中的中屯、控制節點在接收到Μ個發送節點的信道概率向量Wi后，需 進行如下操作，流程如圖2所示。
[0031] 7)中屯、控制節點將Μ個行向量Wi排列成矩陣W，其中每對收發節點的行向量Wi為矩 陣的一行，如式(2)所示。
[0032]
[0033] 8)中屯、控制節點將W的每一列元素與相應信道的帶寬相乘，得到信道分配矩陣S，