基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法、装置及介质

1.本技术涉及水声网络通信基于干扰对齐技术的提升网络吞吐量，特别是涉及基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法、装置及介质。


背景技术：

2.水声网络是以声音为传输信息的载体，在水下实现远距离数据传输的水下通信网络。水声网络中，需要传输的数据以声信号为载体，而含有需要传输的数据的声信号称作有用信号。由于声信号在水下传播的传播速度的平均值为1500m/s左右，因此有用信号在水下的传播速度也为1500m/s，导致信息发送与接收存在不可忽略的延时。在传播速度一定的情况下，数据传输延时的长短就取决于传输链路的距离。由于在水声网络中存在多个发送节点传输有用信号，网络不可避免的会出现干扰信号，将传播至非匹配目标接收节点的有用信号称作干扰信号。在进行数据传输的过程中，有用信号和干扰信号都通过相同的传输介质进行传播。
3.为了避免干扰信号对有用信号的干扰，目前利用水声传播速度低的特性，可以采用干扰对齐方法，通过调整有用信号的传输开始时间，将水声网络的全部干扰信号聚集在同一时隙，且同时保持多个有用信号处于不同时隙，保证有用信号与干扰信号没有任何冲突。但是，无论是有用信号还是干扰信号，它们的传播延时可以为任意值，且水声网络中节点以任意拓扑形态存在，这就导致了全部的干扰信号无法完美的叠加在同一时隙。例如：有两个干扰信号存在时，分别为第一干扰信号和第二干扰信号，为保持有用信号不受干扰，使得此时第一干扰信号与第二干扰信号重叠部分为80％，相较于完美100％重叠，干扰信号占用的传输时间增加了20％，这样就挤占了有用信号的传输时间，由此，在单位时间内，传输的有用信号减少，进而导致传输数据的吞吐量降低。
4.鉴于上述存在的问题，寻求一种传输数据的方法是本领域技术人员竭力解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法，用于在单位时间内，传输更多的有用信号，进而提高传输数据的吞吐量。
6.为解决上述技术问题，本技术提供一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法，包括：
7.确定冲突参数，以控制干扰信号与有用信号在水声网络的水下传输链路中的冲突程度，其中，有用信号为含有传输数据的声信号；
8.根据冲突参数确定传输开始时间；
9.将有用信号从作为传输链路起始点的传送机传输至作为传输链路终止点的接收机。
10.优选地，在确定冲突参数之前，还包括：
11.确定有用信号和干扰信号的传输链路，其中，有用信号和干扰信号处于同一个水声网络的不同传输链路中；
12.获取传输距离，传输距离为传送机与接收机之间的传输链路的距离；
13.根据水声传播速度和传输距离计算传输延时。
14.优选地，在根据水声传播速度和传输距离计算传输延时之后，在确定冲突参数之前，还包括：
15.根据水声传播模型计算传输链路的能量衰减增益。
16.优选地，根据冲突参数确定传输开始时间包括：
17.以冲突参数为条件，以缩小水声网络传输总时间为目标，利用线性规划获取有用信号在传输链路的可行传输开始时间；
18.确定传输开始时间的邻域参数，邻域参数为控制最终传输开始时间的可行域范围；
19.确定传输链路的传输功率约束；
20.根据邻域参数和可行传输开始时间确定传输开始时间约束；
21.以可行传输开始时间为条件，建立联合优化传输功率与最终传输开始时间的优化问题；
22.根据优化问题，增大传输链路的信道容量，并获取传输功率和传输开始时间。
23.优选地，在根据优化问题，增大传输链路的信道容量，并获取传输功率和传输开始时间之后，还包括：
24.通过随机梯度法根据传输功率约束和传输开始时间约束，获取实际传输开始时间和实际传输功率，实际传输功率在传输功率约束范围内。
25.为解决上述技术问题，本技术还提供了一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的装置，包括：
26.第一确定模块，用于确定冲突参数，以控制干扰信号与有用信号在水声网络的水下传输链路中的冲突程度，其中，有用信号为含有传输数据的声信号；
27.第二确定模块，用于根据冲突参数确定传输开始时间；
28.传输模块，用于将有用信号从作为传输链路起始点的传送机传输至作为传输链路终止点的接收机。
29.为解决上述技术问题，本技术还提供了一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的设备，包括：
30.存储器，用于存储计算机程序；
31.处理器，用于执行计算机程序时实现如上述提及的一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法的步骤。
32.为解决上述技术问题，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述提及的一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法的步骤。
33.本技术所提供的基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法，包括：确定冲突参数，以控制干扰信号与有用信号在水声网络的水下传输链路中的冲突程度，其中，有用信号为含有传输数据的声信号；根据冲突参数确定传输开始时间；将有用信号从作为传输链路
起始点的传送机传输至作为传输链路终止点的接收机。通过冲突参数确定干扰信号与有用信号能够互相进行冲突的程度，并根据冲突参数确定传输开始时间。此时，将干扰信号与有用信号进行部分冲突，使得传输干扰信号时，减小了干扰信号占用网络传输的整体时间。同时能够实现在单位时间内，传输更多的有用信号，进而提高传输数据的吞吐量。
34.本技术还提供了一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的装置、一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的设备和计算机可读存储介质，效果同上。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本技术实施例所提供的第一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法流程图；
37.图2为本技术实施例所提供的第二种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法流程图；
38.图3为本技术实施例所提供的一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的装置结构图；
39.图4为本技术实施例所提供的一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的设备结构图。
具体实施方式
40.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护范围。
41.本技术的核心是提供一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法、装置及介质，其能够在单位时间内，传输较多的有用信号，进而提高传输数据的吞吐量。
42.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。
43.本技术提供了一种用于水声(uwa)网络的联合功率分配和传输调度算法，通过利用水中的低声速来提高吞吐量。考虑到基于轮的单播uwa网络在每一轮的数据传输过程中传输链路主动并发的发送多个信号块。为了减轻干扰，提出了一种准干扰对齐方法，其中为了使得干扰信号尽可能对齐，同时允许有用信号和干扰信号之间存在低水平冲突。具体而言，联合优化传输开始时间和传输功率，以最大化网络总传输容量。相比于传统的干扰对齐方法(interference alignment，ia)有很大不同，该机制旨在通过允许有用信号的轻微冲突以减少总接收时间，同时调整功率分配以补偿冲突损失，从而增加传输自由度，提升网络吞吐量。为了以可实现且快速的方式求解优化问题，在本技术中将问题分解为两个较小的子问题，以在较小的可行域内优化传输调度和功率分配。
44.许多现有的工作通常都是通过mac层设计和传输调度来减少大传播延迟的负面影
响；此外，还有一些工作为缓解的水声大传输延时，就要ia方法利用水声传输延时来最大化uwa网络的吞吐量。具体来说，此类方法多采用时分多址(time division multiple access，tdma)的最大化吞吐量的调度算法，利用时域干扰对齐调整传输开始时间，以重叠干扰信号，同时保持有用信号不受干扰信号的影响。
45.理想的干扰对齐方法将接收到的干扰信号在可干扰区域内完全重叠，使得有用信号和干扰信号在时隙上完美分离，并且在时域中没有任何间隙。然而，由于传输延时的任意性和数据块长度的有限选择，理想的干扰对齐方法在实践中通常无法实现。此时，在理想干扰对齐方法的基础上，存在实际干扰对齐方法，其中干扰信号不能彼此完美重叠，与理想的干扰对齐方法相比，在实践中干扰对齐方法需要更大的总接收持续时间。此外，由于声音在水中的传输损耗较大，一些干扰信号通常具有较低的接收功率。
46.因此，本技术提供了一种基于准干扰对齐方法的传输机制，该机制通过允许收到的干扰信号和有用信号间发生轻微冲突来尽可能在较少的时间内上聚集更多的干扰信号，以此来减少信号的总接收时间。具体来说，该方法减轻了传统干扰对齐方法的约束，允许接收到的有用信号存在冲突，以减少总接收时间。为了补偿有用信号冲突带来的负面影响，联合传输开始时间和传输功率调等传输参数以最大化网络传输容量。通过跨层设计，减少总接收时间并增加传输自由度，从而提高网络吞吐量。本技术所提供的技术方案与现有的技术方案不同之处在于：允许接收到的有用信号可能与其他信号发生冲突；联合优化传输功率和传输开始时间。
47.图1为本技术实施例所提供的第一种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法流程图。如图1所示，该基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法包括：
48.s10：确定冲突参数。
49.利用冲突参数控制干扰信号与有用信号在水声网络的水下传输链路中的冲突程度，其中，有用信号为含有传输数据的声信号。
50.s11：根据冲突参数确定传输开始时间。
51.s12：将有用信号从作为传输链路起始点的传送机传输至作为传输链路终止点的接收机。
52.需要说明的是，在本实施例中，考虑到水声网络为基于轮的单播uwa网络。在每一轮的数据传输过程中，存在多个传输链路同时被激活，且这些传输链路是基于系统需求(如：数据流量和服务质量(quality of service，qos)以及其他需求指标)预先确定的。需要说明的是，在此处对于系统需求不作限定，且需求指标也不限于上述提及的数据流量和服务质量，还可以根据具体实施方式确定其需求指标的数量以及内容，用户可对于需求指标进行自定义设置。在传输数据的过程中，将传送机同时激活，每个传送机的发送节点同时向相应的接收机的接收节点发送固定数量(nb1)的信号块。需要说明的是，在对于传送机的型号、种类、传输数据的速率均不作限定，可根据实施场景确定其实施例。作为一种优选的实施例，该传送机可以是有源发射机。
53.在使用基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法时，显而易见的会使用到控制器，在此处，作为一种最优的实施例，该控制器可以为中心网络调度器。中心网络调度器用于确定传输参数，其中，传输参数包括所有处于工作状态的全部传输链路的传输功率、传输开始时间、可行传输开始时间、传输距离、水声传播速度、传输延时、能量衰减增益、水声网
络传输总时间、邻域参数、可行域范围、传输功率约束、传输开始时间约束、信道容量、传输开始时间、实际传输开始时间、实际传输功率等中的一种或多种。中心网络调度器也被称为中心调度器，它可以是水声网络网关，还可以是网络中的主节点。在每轮传输数据开始时，通过控制信道将传输参数分配给每个发送节点。此时，假设时间在整个网络中完全同步，所有节点都安装在固定位置，不存在任何漂移。可以理解的是基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法还可以应用于多播uwa网络和多跳uwa网络中进行信息调度。
54.图2为本技术实施例所提供的第二种基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法流程图。在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，如图2所示，在确定冲突参数之前，还包括：
55.s200：确定有用信号和干扰信号的传输链路。
56.其中，有用信号和干扰信号处于同一个水声网络的不同传输链路中。
57.s201：获取传输距离。
58.传输距离为传送机与接收机之间的传输链路的距离。
59.s202：根据水声传播速度和传输距离计算传输延时。
60.将n和r分别表示为每一轮数据传输过程中处于工作状态的发送节点和接收节点。在确定传输调度之前，假设n和r是根据外界传输需求应用预先设置的。其中，ri∈r表示传输过程中的第i个接收节点。将l(ri)和i(ri)分别以接收节点ri作为目的以及对ri产生干扰的发送节点集合。将nj∈l(ri)表示向ri发送消息的第j个发送节点。mk∈i(ri)表示对ri产生干扰的第k个发送节点。表示节点nj的第l个信号块的传输开始时间。表示节点nj和节点ri之间的传输延时。表示从节点nj到节点ri的第l个信号块的到达时间(toa)。在接收节点ri处的节点nj和节点mk处的第l个信号块和第lm个干扰块的到达时间(toa)为：
[0061][0062][0063]
两个信号块的到达时间差为：
[0064]
其中，t
b1
表示数据块持续时间，表示时间阈接收模式。例如，表示在接收节点ri端，节点nj的第l个信号块被节点mk的第lm个信号块干扰；反之，表示来自于节点nj和节点mk的两个信号块相互分离。
[0065]
在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，在根据水声传播速度和传输距离计算传输延时之后，在确定冲突参数之前，还包括：
[0066]
s203：根据水声传播模型计算传输链路的能量衰减增益。
[0067]
在本实施例中，表示节点nj的第l个信号块的传输功率；表示在接收节点ri端处对来自发送节点nj的第l个信号块的接收功率，可按如下公式进行计算：
[0068][0069]
其中，p
loss
(fc,d
nj
,ri)表示由传输中心频率fc和信号传输距离计算的传输损
耗。
[0070]
表示接收节点ri处来自发送节点nj的第l个信号块的信号干扰噪声比(sinr)，其中nj∈l(ri)。考虑到单信息块处理和ofdm系统，可以计算出第l块的sinr为：
[0071][0072]
其中，n0为噪声功率，b表示传输信号带宽，并且第l个信号块的干扰信号由所有未配对发送节点所有信号组成。
[0073]
在接收节点ri处每一轮数据传输的理论传输能力为：
[0074][0075]
对于每一轮数据传输的所有接收节点，以比特/秒为单位的总传输容量可表示为：
[0076][0077]
t
total
表示每一轮数据传输中所有传输链路的总接收持续时间，并且t
total
是的函数，其中nj∈n和1≤l≤n
b1
；它还依赖于所有传输链路的信号传播时间。此外。需要说明的是，总传输容量r取决于传输开始时间以及传输功率。
[0078]
在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，根据冲突参数确定传输开始时间包括：
[0079]
以冲突参数为条件，以缩小水声网络传输总时间为目标，利用线性规划获取有用信号在传输链路的可行传输开始时间。
[0080]
在本实施例中，为了提高网络的吞吐量，对于传输开始时间是有要求的，可按如下方式进行优化：
[0081][0082][0083][0084]
其中，p
min
和p
max
分别为最小传输功率和最大传输功率。由于目标函数的高度非线性，且可行域较大，一般较难求解。值得注意的是，在不考虑功率分配的情况下，从链路层的角度来看传统的干扰对齐机制是一种解决这样的问题的较好的一种方法。
[0085]
确定传输开始时间的邻域参数；
[0086]
邻域参数为控制最终传输开始时间的可行域范围；
[0087]
确定传输链路的传输功率约束；
[0088]
根据邻域参数和可行传输开始时间确定传输开始时间约束；
[0089]
以可行传输开始时间为条件，建立联合优化传输功率与最终传输开始时间的优化问题；
[0090]
根据优化问题，增大传输链路的信道容量，并获取传输功率和传输开始时间。
[0091]
在传统的ia中，由于第l个有用的信号块被完全分离，sinr便退化为(snr)，其形式为：
[0092][0093]
可以看出，不再依赖于传输开始时间，而是完全由每个信号块的发射功率决定。因此，为了使总传输容量r最大，让所有发送节点在最大传输功率p
max
下发送信号，同时通过调节发射节点nj的第l个信号块的发射开始时间使总接收时间t
max
最小。综合传统干扰对齐机制，优化问题可以表示为：
[0094][0095][0096][0097]
其中约束函数限制了接收节点上的任何有用信号不能与其他信号块冲突。一旦一轮的总接收时间最小，所有发送节点都应以最大发射功率水平发出信号，以使总传输容量最大。
[0098]
优化问题可以通过线性化重新表述为一个线性规划问题。具体来说，目标函数包含最大化操作，约束函数包含绝对值操作。通过添加辅助变量可以很容易地将这些非线性操作线性化。因此，通过线性规划求解问题，可以快速并准确地得到最优传输启动时间。
[0099]
在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，在根据优化问题，增大传输链路的信道容量，并获取传输功率和传输开始时间之后，还包括：
[0100]
s204：通过随机梯度法根据传输功率约束和传输开始时间约束，获取实际传输开始时间和实际传输功率，实际传输功率在传输功率约束范围内。
[0101]
对于准干扰对齐机制，有用信号允许被干扰信号污染到一定程度。为了得到所有发送节点的最优发射启动时间和发射功率，可将优化问题表示为：
[0102][0103][0104][0105][0106]
其中η为冲突因子，即一个预定义参数，用于控制时域有用信号的冲突等级。η值越
大，对应的冲突等级就越高，而η＝0则对应于传统干扰对齐机制。
[0107]
与优化问题不同，联合优化了每个信号块的分配功率和发射开始时间，以使总传输容量最大化。其目标函数包含复杂的难以求解的非线性运算。
[0108]
为了以一种易于处理的方式求解问题我们将问题分解为两个可行域较小的优化问题，依次求解。
[0109]
受启发，第一个子问题应最小化准干扰对准机制的总接收时间，其形式为：
[0110][0111][0112][0113]
可重构为线性规划问题，快速获得最优调度。使用表示最优调度。
[0114]
为了减小信号发生微小冲突的负面影响，通过求解第二个子问题，同时调整传输功率与传输调度：
[0115][0116][0117][0118][0119][0120]
其中，对应传输功率约束，对应传输启动只能在ε值较小的邻域内进行调节的约束。
[0121]
这样一来，与相比，优化可行域显著减小，同时为了快速收敛，采用基于的随机次梯度法求解。
[0122]
与此同时该算法可以如下所示：
[0123]
输入发送节点集n，接收节点集r，所有发送节点到所有接收节点的距离噪声功率n0，传输中心频率fc，发射带宽b，信号块持续时间t
b1
，最小发射功率p
min
和最大发射功率p
max
，水中声速c。
array，pla)中的至少一种硬件形式来实现。处理器41也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称中央处理器(central processing unit，cpu)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器41可以在集成有图像处理器(graphics processing unit，gpu)，gpu用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器41还可以包括人工智能(artificial intelligence，ai)处理器，该ai处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
[0142]
存储器40可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器40还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器40至少用于存储以下计算机程序，其中，该计算机程序被处理器41加载并执行之后，能够实现前述任意一个实施例公开的基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法的相关步骤。另外，存储器40所存储的资源还可以包括操作系统和数据等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统可以包括windows、unix、linux等。
[0143]
在一些实施例中，基于准干扰对齐的水声网络传输数据的装置还可包括有显示屏、输入输出接口、通信接口、电源以及通信总线。
[0144]
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构并不构成对基于准干扰对齐的水声网络传输数据的装置的限定，可以包括比图示更多或更少的组件。
[0145]
本技术实施例提供的基于准干扰对齐的水声网络传输数据的装置，包括存储器40和处理器41，处理器41在执行存储器40存储的程序时，能够实现基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法。
[0146]
最后，本技术还提供一种计算机可读存储介质对应的实施例。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述方法实施例中记载的步骤。
[0147]
可以理解的是，如果上述实施例中的方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0148]
以上对本技术所提供的基于准干扰对齐的水声网络传输数据的方法、装置及介质进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。
[0149]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将
一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。