生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法
【专利摘要】本发明涉及一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法，包括：UCANs中的主用户为海洋哺乳动物，传感器节点为次级用户，以海洋哺乳动物的发声占用的频段为授权频段，将授权频段分为两部分，对于使用频率高的频段海洋哺乳动物有优先使用权；认知用户接收到认知中心的同意通信信息后，对信道进行频谱感知，发送功率需要低于对海洋哺乳动物的听力阈值；认知用户根据认知中心的分配信息进行通信，在通信过程中仍然需要进行频谱感知。本发明能够避免传感器节点通信对海洋哺乳动物间通信的干扰，同时合理利用与分配水下频谱资源，基于认知技术，实现频谱资源的高效利用。
【专利说明】
生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法
技术领域
[0001] 本发明涉及水下认知声学通信技术领域，具体的讲是一种生物友好的高效利用频 谱资源的认知水声网络通信方法。
【背景技术】
[0002] 水声传感器网络（Underwater Acoustic Sensor Networks，UASNs)中的传感器节 点与海洋哺乳动物共存于水下环境且均采用声波通信，但是，目前大部分的研究主要着眼 于单一的网络情景，较少考虑UASNs通信对海洋哺乳动物正常生活的影响。随着水声传感器 网络技术的广泛应用，人工声信号对海洋哺乳动物造成的影响也在逐渐增加，为了减少对 它们的影响，实现生物友好的水声网络通信，UASNs的设计面临严峻的挑战。
[0003] 水下网络环境中频谱资源稀缺，而且稀缺的频谱资源没有得到充分地利用。借鉴 陆地无线电提高频谱利用率的方法，将认知技术引入水下通信环境中。认知无线电技术在 陆地通信中的应用已经非常广泛，它可以感知周围环境，并根据检测结果实时调整工作参 数。因此，以传统陆地无线认知网络为基础，提出了水下认知声网络（Underwater Cognitive Acoustic Networks，UCANs)的概念，UCANs中通过感知UASNs周围环境，并调整 通信信道、发送功率或者其他操作运行参数，达到了合理分配水下频谱资源，提高频谱利用 率的目的。在UASNs中，传感器节点可以选择未被占用的频段进行通信，提高了水声通信的 频谱利用率，在一定程度上解决了水声通信带宽窄的问题。UCANs中包括两项关键技术，分 别是功率控制和信道分配。在解决UASNs海洋哺乳动物与传感器节点共存的认知水声网络 通信过程中，功率控制技术起到了关键性的作用，控制认知用户传输数据时发送功率的大 小，避免对海洋哺乳动物通信造成干扰的同时，达到频带利用率提高的目的。
【发明内容】
[0004] 为了避免传感器节点对海洋哺乳动物造成的影响，同时解决频谱利用率低的问 题，本发明提出了一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法。该方法中， 应用认知水声技术，将海洋哺乳动物作为主用户，传感器节点作为次级用户，即认知用户。 采用集中式的通信方式，通过频谱感知，认知用户将信道占用信息发送给认知中心，认知中 心通过信道分配算法结合功率控制算法为认知用户分配发送功率与发送信道。实现频谱资 源的高效利用。本发明技术方案如下：
[0005] -种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法，包括下列步骤：
[0006] 步骤一 :UCANs中的主用户为海洋哺乳动物，传感器节点为次级用户，以海洋哺乳 动物的发声占用的频段为授权频段，将授权频段分为两部分，对于使用频率高的频段海洋 哺乳动物有优先使用权，传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信;对于授权频 段中的其他频段，传感器节点作为次级用户，通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱 共享;当传感器节点有数据需要发送时，首先向认知中心发送通信请求，认知中心在收到请 求后，需要向认知用户反馈是否同意通信信号；
[0007] 步骤二:认知用户接收到认知中心的同意通信信息后，对信道进行频谱感知，感知 各个子信道所处的状态，即忙碌还是空闲，以及各主用户与认知用户的发送功率发送信道 信息，并将频谱感知结果发送给认知中心。
[0008] 步骤三:认知中心需要根据感知结果为认知用户分配发送功率与传输信道，认知 节点的发送功率需要低于对海洋晡乳动物的听力阈值Pth:
[0009]
[0010] 其中，k是路径损耗系数，反映信号传播的几何形状:k=l用于圆柱形传播，k=2用 于球形传播，d是距离当前接入的认知用户最近的海洋哺乳动物与当前认知用户的距离，f n 是第η个信道的中心频率，s是海洋哺乳动物的行为影响阈值，单位为dByPa，听力阈值是一 个功率上限，当海洋哺乳动物感知到的声音信号功率低于该值时，将不会对这个声音信号 做出任何反应;同时将认知用户的发送功率与发送信道分配结果发送给认知用户。
[0011] 步骤四：认知用户根据认知中心的分配信息进行通信，在通信过程中仍然需要进 行频谱感知，监听其周围主用户对信道的使用情况，如果需要更换信道，则需再次向认知中 心发出请求，进行新一轮的功率分配与信道分配。
[0012] 本发明将认知技术与水声通信相结合，采用集中式的水下通信策略。将海洋哺乳 动物作为主用户，传感器节点作为次级用户，因此海洋哺乳动物发声占用的频段为授权频 段，该方法的核心是对于授权频段中的部分频段，海洋哺乳动物有优先使用权，传感器节点 与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信。对于授权频段中的其他频段，传感器节点作为次 级用户，可通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱共享。在UASNs中，该方法能够避免 传感器节点通信对海洋哺乳动物间通信的干扰，同时合理利用与分配水下频谱资源，基于 认知技术，实现频谱资源的高效利用。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明生物友好的认知水声网络通信流程图
【具体实施方式】
[0014] 为了避免传感器节点对海洋哺乳动物造成的影响，同时解决频谱利用率低的问 题，本发明提出了一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法。该方法中， 应用认知水声技术，将海洋哺乳动物作为主用户，传感器节点作为次级用户，即认知用户。 采用集中式的通信方式，通过频谱感知，认知用户将信道占用信息发送给认知中心，认知中 心通过信道分配算法结合功率控制算法为认知用户分配发送功率与发送信道。实现频谱资 源的高效利用。本发明具体的实现步骤是：
[0015] 步骤一 :UCANs中的主用户为海洋哺乳动物，传感器节点为次级用户，以海洋哺乳 动物的发声占用的频段为授权频段，为了频谱资源的高效利用，将授权频段分为两部分，对 于使用频率高的频段海洋哺乳动物有优先使用权，传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在 该频段通信。对于授权频段中的其他频段，传感器节点作为次级用户，可通过功率控制实现 主用户与次级用户的频谱共享。当传感器节点有数据需要发送时，首先向认知中心发送通 信请求，认知中心在收到请求后，需要向认知用户反馈是否同意通信信号。
[0016] 步骤二:认知用户接收到如果收到认知中心的同意通信信息，则对信道进行频谱 感知，感知各个子信道所处的状态，即忙碌还是空闲，以及各主用户与认知用户的发送功率 发送信道等信息，并将频谱感知结果发送给认知中心。
[0017] 步骤三:认知中心需要根据感知结果为认知用户分配发送功率与传输信道。为了 避免对海洋哺乳动物的干扰，认知节点的发送功率需要低于对海洋哺乳动物的听力阈值 Pth。阈俥i+笪公忒为；
[0018]
[0019]其中，k是路径损耗系数，反映了信号传播的几何形状:k=l用于圆柱形传播，k = 2 用于球形传播，这里选用1^ = 2。(1是距离当前接入的认知用户最近的海洋哺乳动物与当前认 知用户的距离，fn是第η个信道的中心频率，δ是海洋哺乳动物的行为影响阈值，单位为dBy Pa，听力阈值是一个功率上限，当海洋哺乳动物感知到的声音信号功率低于该值时，它将不 会对这个声音信号做出任何反应，但是，如果感知到的声音信号功率高于听力阈值，海洋哺 乳动物的身体或行为就会受到一定的影响。
[0020] 同时将认知用户的发送功率与发送信道分配结果发送给认知用户。
[0021] 步骤四：认知用户根据认知中心的分配信息进行通信，在通信过程中仍然需要进 行频谱感知，监听其周围主用户对信道的使用情况，如果需要更换信道，则需再次向认知中 心发出请求，进行新一轮的功率分配与信道分配。
[0022] 图1中，展示了生物友好的认知水声网络通信流程图。首先需要对水下环境中特定 的海洋哺乳动物，即主用户，进行频段划分，对于使用频率高的频段海洋哺乳动物有优先使 用权，传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信。对于授权频段中的其他频段，传 感器节点作为次级用户，可通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱共享。当传感器节 点，即认知用户，有数据包发送请求时，需要向认知中心发送数据请求，认知中心收到认知 用户的通信请求后，需要向认知用户反馈是否同意通信信号。认知用户如果收到认知中心 的同意通信信息，则对信道进行频谱感知，得到各个子信道的使用状态信息以及各主用户 和认知用户发送功率等信息，并将频谱感知的结果发送给认知中心。认知中心收集到次级 用户的感知信息后，需要决策认知用户的发送功率及信道分配，并将该信息发送给次级用 户。次级用户根据认知中心的分配信息进行通信，在通信过程中仍然需要进行频谱感知，监 听其周围主用户对信道的使用情况，如果需要更换信道，则需再次向认知中心发出请求，进 行新一轮的功率分配与信道分配。
【主权项】
1. 一种生物友好的高效利用频谱资源的认知水声网络通信方法，包括下列步骤： 步骤一 = UCANs中的主用户为海洋哺乳动物，传感器节点为次级用户，以海洋哺乳动物 的发声占用的频段为授权频段，将授权频段分为两部分，对于使用频率高的频段海洋哺乳 动物有优先使用权，传感器节点与海洋哺乳动物不能同时在该频段通信;对于授权频段中 的其他频段，传感器节点作为次级用户，通过功率控制实现主用户与次级用户的频谱共享； 当传感器节点有数据需要发送时，首先向认知中心发送通信请求，认知中心在收到请求后， 需要向认知用户反馈是否同意通信信号； 步骤二:认知用户接收到认知中心的同意通信信息后，对信道进行频谱感知，感知各个 子信道所处的状态，即忙碌还是空闲，以及各主用户与认知用户的发送功率发送信道信息， 并将频谱感知结果发送给认知中心。 步骤三:认知中心需要根据感知结果为认知用户分配发送功率与传输信道，认知节点的发送功率需要低于对也、、遂n击翊斗編的估D.… 其中，k是路径损耗亦:双，汉卩大1曰UwJ 71^4Λ: K- i用丁IBK土形传播，k= 2用于球 形传播，d是距离当前接入的认知用户最近的海洋哺乳动物与当前认知用户的距离，fn是第 η个信道的中心频率，δ是海洋哺乳动物的行为影响阈值，单位为dByPa，听力阈值是一个功 率上限，当海洋哺乳动物感知到的声音信号功率低于该值时，将不会对这个声音信号做出 任何反应;同时将认知用户的发送功率与发送信道分配结果发送给认知用户。 步骤四：认知用户根据认知中心的分配信息进行通信，在通信过程中仍然需要进行频 谱感知，监听其周围主用户对信道的使用情况，如果需要更换信道，则需再次向认知中心发 出请求，进行新一轮的功率分配与信道分配。
【文档编号】H04B13/02GK105898760SQ201610408745
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】金志刚, 王健, 苏毅珊
【申请人】天津大学