水下传感器网络中一种集中式的频谱分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水下传感器网络，涉及一种频谱分配方法。
【背景技术】
[0002] 陆地无线通信常使用电磁波作为传输介质，但电磁波在水下环境中衰减十分严 重，因此水下传感器网络普遍使用声波作为通信媒介。然而可用于数据传输的声波频谱十 分有限，仅集中在十几千赫兹至几百千赫兹的范围内。信道带宽限制了信号的传输速率，这 就导致水下传感器网络的数据传输速率较低。因此稀缺的频谱资源是限制水下传感器网络 发展的关键因素。
[0003] 存在多条信道的水下传感器网络中是解决频谱资源紧缺的有效方法。多对节点使 用频分复用技术同时传输数据，可以提高单位时间内网络中的数据量。但多对节点如何选 择各自使用的信道又给水下传感器网络提出了新的挑战。目前分布式的频谱选择方案较为 普遍。在这类方法中，各个节点独立地选择信道，并且每个节点需将各自的频谱选择信息发 送到其余全部节点处。这种方法需要在节点间进行大量的信道选择信息的交换，导致网络 的通信效率较低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种在不需要传输大量的信道分 配信息的情况下，能够实现多信道条件下各对通信节点间的无冲突通信的频谱分配方法。 技术方案如下：
[0005] 水下传感器网络中一种集中式的频谱分配方法，包括下列几个方面：
[0006] (1)水下传感器网络中存在着多条频率不同的信道，设定其中一条信道为公共控 制信道，用于节点间进行信道选择和协商，不用于数据传输，设可被节点用于收发传输的信 道数为M，各个收发节点对需从中选择一条信道进行通信；
[0007] (2)水下传感器网络中同时存在着多个传感器节点，其中有一个中心节点，用于决 策信道分配情况，该节点只和其他节点间进行信道分配信息的传输，并不进行普通数据的 接收和发送，网络中还存在N对普通传感器节点，每对节点由发送节点和接收节点组成，在 收发节点间会进行数据传输；
[0008] (3)为确保一条信道上只有一对收发节点对进行通信，节点对在开始发送数据前 需要进行信道选择和协商。这一过程主要由发送节点完成，发送节点向中心节点发送信道 选择信息，中心节点根据此信息判断有无冲突，并根据节点生成的随机数和信道转移概率 再次进行信道分配，直到获得无冲突的信道分配方案，并将结果广播发送至网络中的所有 节点；
[0009] (4)节点在水下传感器网络中通信时使用时隙结构，每个时隙长度相等，节点只能 在某个时隙的开始时刻发送报文，其余时刻禁止发送；
[0010] (5)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。
[0011]本发明提出的集中式的频谱分配方法，该方法在水下传感器网络中设置了中心节 点，用于收集各个节点的信道选择信息，并根据各个信道的转移概率进行信道分配。中心节 点的引入避免了网络中所有节点彼此频繁的数据交换，且易于对网络进行管理和控制，因 此可以提尚网络的性能，有利于建立尚效的水下传感器网络。
【附图说明】
[0012]图1.发明示例：四对收发节点接入五条信道的第一阶段 [0013]图2.发明示例：四对收发节点接入五条信道的第一阶段
[0014] 图3.中心节点进行信道分配的流程图
【具体实施方式】
[0015] 在存在多条信道的水下传感器网络中，各个收发节点对在发送数据前需要选择信 道并进行协商，以实现各个收发节点对之间无冲突地通信。这一过程可分为两个阶段。在第 一阶段，各个发送节点向中心节点发送各自的信道选择信息，如图1所示;在第二阶段，中心 节点根据信道选择信息判断是否出现冲突，并对出现冲突的节点重新进行信道分配，并将 最后无冲突的分配结果广播发送至所有的收发节点，图2所示。现对这两个阶段进行具体说 明。
[0016] 第一阶段:各对收发节点选择各自使用的信道，并向通知中心节点。这一工作主要 由每对收发节点对中的发送节点负责，发送节点选择出准备进行通信的信道，并将信道选 择信息（Choice ofChannel，C0F)发送至中心节点处。
[0017] C0F报文的发送采用TDMA技术。TDMA为时分复用的接入技术，指各个发送节点分别 在不同的时隙发送数据，以避免冲突。现将信道和时隙做一一对应，即选择一号信道的发送 节点在第一个时隙发送信道选择信息(C0F)，选择二号信道的发送节点在第二个时隙发送 信道选择信息(C0F)，并以此类推。因此在有Μ个信道的网络中，应有Μ个时隙用于传输信道 选择信息。
[0018] 第二阶段:在全部Ν个发送节点完成C0F报文的发送后，中心节点将根据接收到的 C0F报文判断冲突情况。若某一时隙只有一个发送节点发送C0F报文，即表明只有一个收发 节点对将使用该时隙对应的信道，因此不会发生冲突，该收发节点对可以使用这一信道;若 某一时隙有多个发送节点发送C0F报文，即表明有多对收发节点对想使用该时隙对应的信 道，在这种情况下，中心节点需要再次进行信道分配，将不同的收发节点对分配到不同的信 道上。中心节点在进行信道分配前，需保存各个未被分配信道的转移概率Pi，Pi可根据各个 信道的性能合理设置。具体的分配方法有五个步骤，流程如图3所示：
[0019] ⑴判断各个发送节点的冲突情况:若每个发送节点均选择了不同的时隙（即不同 的信道），则中心节点结束分配过程;否则进行如下步骤；
[0020] (2)更新频谱池:在所有可用的信道中除去已被成功分配的信道，下一步的分配过 程仅在未被分配的信道中进行；
[0021] (3)中心节点为每个产生冲突的发送节点生成一个随机数u;
[0022] (4)将存在冲突的发送节点的随机数和最初选择信道的转移概率比较，若u小于p， 则节点不更换信道，继续选择原信道;若u大于p，则节点更换信道，随机更换到频谱池中的 任意一条信道上；
[0023] (5)返回步骤（1)，再次判断有无冲突，若仍存在冲突则继续循环步骤(2)至步骤 (4)，直至各个节点选择不同的信道，达到无冲突的信道分配。
[0024] 现以四对收发节点在五条信道上进行信道分配为例，说明具体的分配方法。四对 收发节点分别为4-&4-13，(：-(3,0-(1，其中大写字母表示发送节点，小写字母表示接收节点。 设该网络中所有信道的转移概率P = 〇.5。各个发送节点独立选择的信道情况如表1所示。
[0025] 表1.各个节点独自选择的时隙(信道)情况
[0027] 在第一轮分配中，中心节点检测到在第一个时隙只有发送节点A发送的信道选择 信息，因此只有收发节点对A-a将在信道1上通信；同理只有收发节点对D-d将在信道4上通 信。收发节点对Β-b和C-c均在第二个时隙发送的信道选择信息C0F，因此两点节点均选择在 信道2上通信。中心节点检测到了收发节点对B-b和C-c间的冲突后，更新频谱池，如表2所 示。与此同时中心节点分别为产生冲突的发送节点B和发送节点C生成随机数，设发送节点B 的随机数UB = 0.7，发送节点C的随机数UC = 0.84。由于UB和UC均大于信道2的转移概率0.5， 因此两个节点均放弃信道2,随机选择其他信道。设发送节点B随机选择信道3,发送节点C随 机选择信道5。
[0028] 在第二轮分配中，中心节点再次检测冲突情况。发送节点B选择信道3,发送节点C 随机选择信道5，各个节点间未出现冲突，分配结束。
[0029] 表2.中心节点第一轮信道分配时的频谱池
[0032] 中心节点综合信道分配的结果，得到最终无冲突的分配方案，如表3所示。在通知 报文(Inform，INF)中，中心节点将表3中的信息广播发送至全部收发节点。各个收发节点根 据此表转移到不同的信道上，开始通信。
[0033] 表3.经过中心节点分配后，各个节点选择信道情况
【主权项】
1.水下传感器网络中一种集中式的频谱分配方法，包括下列几个方面： (1) 水下传感器网络中存在着多条频率不同的信道，设定其中一条信道为公共控制信 道，用于节点间进行信道选择和协商，不用于数据传输，设可被节点用于收发传输的信道数 为M，各个收发节点对需从中选择一条信道进行通信； (2) 水下传感器网络中同时存在着多个传感器节点，其中有一个中心节点，用于决策信 道分配情况，该节点只和其他节点间进行信道分配信息的传输，并不进行普通数据的接收 和发送，网络中还存在N对普通传感器节点，每对节点由发送节点和接收节点组成，在收发 节点间会进行数据传输； (3) 为确保一条信道上只有一对收发节点对进行通信，节点对在开始发送数据前需要 进行信道选择和协商。这一过程主要由发送节点完成，发送节点向中心节点发送信道选择 信息，中心节点根据此信息判断有无冲突，并根据节点生成的随机数和信道转移概率再次 进行信道分配，直到获得无冲突的信道分配方案，并将结果广播发送至网络中的所有节点； (4) 节点在水下传感器网络中通信时使用时隙结构，每个时隙长度相等，节点只能在某 个时隙的开始时刻发送报文，其余时刻禁止发送； (5) 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。
【专利摘要】本发明涉及水下传感器网络中一种集中式的频谱分配方法，包括：设定一条信道为公共控制信道，用于节点间进行信道选择和协商；中心节点用于决策信道分配情况，只和其他节点间进行信道分配信息的传输；为确保一条信道上只有一对收发节点对进行通信，节点对在开始发送数据前需要进行信道选择和协商；节点在水下传感器网络中通信时使用时隙结构，每个时隙长度相等，节点只能在某个时隙的开始时刻发送报文，其余时刻禁止发送；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。本发明在不需要传输大量的信道分配信息的情况下，能够实现多信道条件下各对通信节点间的无冲突通信的频谱分配方法。
【IPC分类】H04W72/08
【公开号】CN105451351
【申请号】CN201510882982
【发明人】李雅婧, 金志刚, 苏毅珊
【申请人】天津大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月3日