一种基于OFDMA的水下滑翔机网络介质访问控制方法与流程

本发明属于移动水声传感器网络通信技术领域，涉及一种介质访问控制方法。

背景技术：

水下滑翔机是一种低重量、低能耗、耐久性好、性价比高的水下无人航行器，包含水下滑翔机的水下传感器网络构成了移动水声传感器网络。由于水声通信具有长传播延时，窄带宽和高传输损耗的特点，因此设计一种适用于移动水声传感器网络的介质访问控制方法的任务十分艰巨。

目前应用于水声传感器网络的介质访问控制方法分为三类：随机访问、基于预约的和基于计划的介质访问控制协议，其中基于预约的slottedfama协议在负载较大的情况下具有更好的性能。然而，现有的介质访问控制方法很少考虑声学调制解调器硬件设计的特点。近年来，一种正交频分复用(ofdm)的多载波调制方案以其高带宽效率得到了广泛研究。基于ofdm的声学系统作为多载波调制的一种特殊情况，多个用户符号使用具有重叠正交频带的不同子载波同时传输。ofdm系统对频率选择性衰落和多径效应具有很好的鲁棒性，且具有很高的频谱效率，适用于水下通信。因此，一种基于ofdm的允许多用户同时访问不同子载波上的信道的正交频分多址(ofdma)接入方案，作为一种逻辑介质访问控制方法，应用在为节点配置ofdm声调制解调器的网络中。

技术实现要素：

为了提升水下滑翔机网络的通信性能，本发明提供了一种基于ofdma的水下滑翔机网络介质访问控制方法，通过应用纳什均衡分配传输子信道和调整功率，实现了数据的并发传输，节省了能耗，提升了水下滑翔机网络的有效吞吐量。技术方案如下：

一种基于ofdma的水下滑翔机网络介质访问控制方法，包括下列的步骤：

(1)建立信道模型：在一个子动态水声传感器网络中，子滑翔机的数量为n，信道模型建立在包括多普勒补偿、辅助信道估计和传输数据的m个子载波上；

(2)时间被分为时隙，数据包在每个时隙的开始进行传输。在第一时隙开始时，主滑翔机向子滑翔机发送携带信道信息的请求包；

(3)子滑翔机接收并解码请求包后，通过公式构造效用函数并求解un最大值，其中表示二进制指示器，hn表示用户n和主滑翔机之间的信道增益，表示用户n的第m个子载波上的传输功率级，n0表示噪声功率谱密度，b表示信道带宽，αi表示一个正的代价因子；将设置为0到1之间的连续值，通过公式求解该最优化问题，其中μn和ρm是非负拉格朗日乘子：通过公式对求偏导得到最优传输功率通过公式对求偏导得到进而得到最优子载波其中选择最大的用户作为最佳用户；通过在信道增益矩阵h的每一行中选择最佳用户，将行所表示的子载波m分配给最佳用户n；在第二个时隙开始时为发送数据包分配传输频率和功率级；

(4)主滑翔机从子滑翔机采集到数据后，在第三个时隙开始时发送一个ack包确认接收到的数据；如果主滑翔机未能从部分子滑翔机中收集到数据，它将启动另一轮请求。

本发明提出的一种基于ofdma的水下滑翔机网络介质访问控制方法，通过一种调整传输频率和功率级的资源分配算法，实现了数据的并发传输，在节省能耗的前提下提升了水下滑翔机网络的有效吞吐量。

附图说明

图1是动态水声传感器网络应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明提出的水下滑翔机网络介质访问控制方法，采用一种调整传输频率和功率级的资源分配算法，在减少能耗的前提下提升网络的有效吞吐量，提升了水下滑翔机网络的通信性能。

在一个由若干水下滑翔机组成的动态水声传感器网络通信场景中，每一个滑翔机都配备了ofdm声调制解调器。一个大型的动态水声传感器网络都可以分为几个子网，在每个子网中，一个滑翔机被选作为主滑翔机，剩余的滑翔机作为子滑翔机，主滑翔机和每一个子滑翔机之间的距离在声调制解调器的最大传输范围内。动态水声传感器网络应用场景如图1所示，具体操作流程针对一个子动态水声传感器网络。

本发明的具体操作流程如下：

1.建立信道模型：假设在一个子动态水声传感器网络中，子滑翔机的数量为n，信道模型通过公式m＝sn+sp+sd建立在被分成三组的m个子载波上，其中sn表示促进多普勒补偿的子载波，sp表示辅助信道估计的子载波，sd表示用于真正传输数据的子载波，其中sn和sp被所有子滑翔机(用户)共享，sd被分割用于服务不同的用户；

2.在该方法中，时间被分为时隙，数据包在每个时隙的开始进行传输。当子网中的主滑翔机需要从子滑翔机中检索数据时，在第一个时隙开始时向目标的所有邻居广播一个携带信道信息的请求包；

3.子滑翔机成功接收并解码请求包后，分布式运行联合信道分配和功率控制算法，在第二个时隙开始时为发送数据包分配传输频率和功率级，操作步骤如下：

(1)计算最优传输功率和最优子载波，步骤如下：

a.构造效用函数最大化网络效用(网络吞吐量和能耗)，第一项是效用部分，其中表示二进制指示器，表示子载波m被分配给用户n，hn表示用户n和主滑翔机之间的信道增益，表示用户n的第m个子载波上的传输功率级，n0表示噪声功率谱密度，b表示信道带宽；第二项是代价部分，αi表示一个正的代价因子；对于所有的n∈n，在满足约束条件和的前提下，求得效用函数un的最大值，其中pn(max)是每个用户的最大传输功率；

b.构造非合作博弈解决(1)中提出的效用函数最优化问题，通过条件(a)其中是每个用户传输的集合且是某个欧式空间的非空凸子集；(b)un是每个用户的效用函数且是独立变量的连续准凹函数，来判断该最优化问题是否存在纳什均衡；本问题中条件(a)很容易满足，条件(b)通过得到证明；

c.将设置为0到1之间的连续值，使用拉格朗日乘子法通过公式求解该最优化问题，其中μn和ρm是非负拉格朗日乘子；对求偏导，通过公式得到最优传输功率对求偏导，通过公式得到进而得到最优子载波其中由于一个用户只能占用一个子载波，因此选择最大的用户；

(2)用每个用户的请求包构造信道增益矩阵h，重构h使每一行的最大项大于下一行的最大项，其中行号和列号分别代表子载波和用户的id；

(3)根据信道增益矩阵h，对所有的用户n∈n，单独将每个潜在用户设定为利用(1)c.中的子载波分配方案公式计算μn^*，通过计算得到的μn^*辅助计算选择最佳用户；再单独为每个用户设定在考虑当前和之前的信道分配情况的前提下，为所有的用户重新计算μn^*；

(4)通过在h矩阵的每一行中选择最佳用户，将行所表示的子载波m分配给最佳用户n。

4.主滑翔机从子滑翔机采集到数据后，在第三个时隙开始时发送一个ack包确认接收到的数据；如果主滑翔机未能从部分子滑翔机中收集到数据，它将启动另一轮请求。