[发明专利]水声通信网络OFDM链路物理层与MAC层跨层通信方法

说明书

本发明提供的是一种水声通信网络OFDM链路物理层与MAC层跨层通信方法。本发明以合理分配信道资源、提高网络吞吐量为目的，通过物理层和MAC层跨层数据交互的方法，对网络性能进行优化。物理层根据水声信道环境自适应调整调制阶数、编码速率和频率分集阶数，实现不同速率的数据传输，以适应快速时变的水声信道，MAC层采用改进的CSMA/CA协议，提高数据包重传成功概率，减小数据传输时延，通过物理层和MAC层之间的跨层设计，解决水声信道快速时变和长传输时延等因素引起的丢包率高和传输效率低的问题，从而提高水声通信网络吞吐量和系统的频谱效率。

技术领域

本发明涉及的是一种水声无线传感器网络，具体地说是一种水声通信网络OFDM链路物理层与MAC层跨层通信方法。

背景技术

地球70％的表面被海洋覆盖，浩瀚的海洋蕴藏着巨大的资源。在全球陆地资源日趋紧张和环境不断恶化的今天，世界各国纷纷将目光转向海洋，开发海洋资源、发展海洋经济成为各个海洋国家的重要规划方向。水声通信网络是获取海洋环境参数的有效手段，在海洋环境监测、海洋资源开发、自然灾害预警、港口及近岸的检测等方面都有十分重要的作用。对于某些水声网络，对网络的吞吐量、传输效率、传播时延等要求比较高，因此研究高效的水声无线传感器网络具有重要的研究意义。

然而，水声信道与陆上无线电信道相比，具有带宽有限、与数据帧长度可比拟的传播时延以及快速时变等特点，导致水声无线传感器网络丢包率高、传输时延长、能量消耗大、网络吞吐量低等问题。为了解决该问题，除了分别优化网络各层协议外，跨层协议设计为优化水声网络性能提供了一种有效的方法。

本发明主要研究基于物理层和MAC层的跨层协议设计，与本发明相关的公开报道包括：参考文献1(P.Xie and J.-H.Cui.R-MAC:An Energy-Efficient MAC Protocol forUnderwater Sensor Networks[C].International Conf.on Wireless Algorithm,Systems,and Applications(WASA 2007).Chicago,Illinois,USA,2007,pp:187-198.)提出了一种传输功率可控的RMAC协议(RMAC-PC)，通过MAC层和物理层的跨层设计来改善RMAC协议的能量效率。文献2(J.M.Jornet,M.Stojanovic,and M.Zorzi.On Joint Frequencyand Power Allocation in a Cross-Layer Protocol for Underwater AcousticNetworks[C].IEEE J.Oceanic.Engineering.2010,Vol.35,No.4,pp:936-947.)针对三维多跳网络，提出了一种联合优化物理层、MAC层和网络层的跨层协议设计方法来提高信道频带利用率，根据网络节点密度调整发射信号功率、中心频率和带宽，从而降低每比特的能量消耗。在上述文献中，没有考虑到水声信道快速时变对物理层和MAC层之间的影响以及二层之间的紧密联系。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够减小复杂的水声信道引起的高丢包率和长传输时延问题，提高网络吞吐量和系统频谱效率的水声通信网络OFDM链路物理层与MAC层跨层通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1：网络节点采用虚拟载波侦听的方式检测信道是否忙碌，通过侦听数据帧代替RTS/CTS握手过程避免碰撞，如果节点检测到数据帧，判断本节点是否是目的节点，如果本节点非目的节点，则根据数据帧帧头中的所传数据帧占用信道时间设置该节点的网络分配矢量即NAV，保持静默避免冲突，信道空闲后，节点随机退避；

步骤2：如果目的节点成功解调数据帧，则节点回复ACK信号，同时物理层估计信道信息有效信噪比即ESNR，并将ESNR通过ACK信号反馈给发送节点；