一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法技术

本发明专利技术提供一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法，包括以下步骤：S1网络拓扑结构表示，本发明专利技术采用分时隙的模型，将整个消息传输过程划为若干个长度为τ的时隙，节点之间的传输延迟指消息在两个节点间传输所需的时间，本发明专利技术用传输延迟矩阵表示网络拓扑结构，矩阵中的元素表示节点间传输消息所需时隙个数；S2传输调度初始化，用三维矩阵存储节点的状态，确定节点的传输时隙，选择的传输信道以及目的节点；S3最优传输决策搜索，寻找最优调度问题可看作一个序贯决策问题，使用动态规划可解决此问题。在多信道网络模型中，多个节点可在一个时隙内同时传输消息，减少了数据冲突，增加了网络吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法
本专利技术涉及水声通信网络
，具体为一种基于时域干扰对齐的多信道水声网络传输调度方法。
技术介绍
水声网络是一种利用水声信道进行通信的无线传感器网络，被广泛的应用在民用，军事和工业领域，如海洋环境研究，军事情报的监听和收集以及海洋资源的开采与探测等。由于水声信道中信号的传播速度慢，大传输延迟成为水声网络区别于陆地传感器网络的一大特点。传统的无线传感器网络MAC算法并没有考虑大传播延迟，直接将无线传感器网络MAC算法用于水声网络，会影响网络吞吐量，因此此类MAC算法不适用于水声网络，基于水声网络大传播延迟的特点设计调度算法成为必要。大多数水声网络MAC算法致力于消除大传播延迟的负面影响，和上述研究不同，本专利技术利用大传播延迟实现时域干扰对齐。时域干扰对齐指尽可能的将干扰在确定时域内在非预期节点处对齐，而保持接收消息时无干扰。水声网络中的大传播延迟恰好为实现时域干扰对齐提供了有利条件。利用大传播延迟,多个节点可以在同一个时隙内同时工作而没有冲突，有利于吞吐量的提高。水下高速OFDM技术为水声网络多信道通信提供了技术上的支持。多信道可以更好地利用水声信道带宽资源，通过将总带宽划分为若干个子信道，使得多个数据可以在子信道上并行传输。相对于单信道通信机制，多信道机制能够获得更高的吞吐量以及信道利用率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术针对现有技术的不足，其主要目的是提供了一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法，其用于多信道水声网络中消息传输调度，以提高网络吞吐量。为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种基于时域干扰对齐的多信道水声网络传输调度方法，包括以下步骤：S1网络拓扑结构表示：节点间的传播延迟指信号在给定介质中从源节点传输到目的节点所需的时间，本专利技术用传输调度矩阵T表示网络拓扑结构，矩阵中的元素为节点对之间传播所需的时隙个数；S2传输调度矩阵初始化：传输调度S指定了节点在每一个时隙内的传输情况。根据调度矩阵节点高效传输和接收消息，以尽可能地提高吞吐量。网络初始阶段，传输调度矩阵为空，然后不断更新各个时隙的传输调度矩阵；S3最优传输决策搜索：寻找最优调度问题可看作一个序贯决策问题最优化，使用动态规划可解决此问题。利用时域干扰对齐思想和网络多信道传输条件进行合格决策判定，然后确定价值函数以在合格决策中找到最优传输决策。S4传输调度更新模式：最优决策加入当前调度中一个传输调度更新完成，再次对所有可能的传输进行决策判定和最优传输决策搜索直到没有合格决策为止，一个时隙的调度更新完成，进行下一个时隙的更新。调度更新过程即循环的重复S3和S4步骤。进一步地，所述步骤S1中对一个包含N节点网络，网络拓扑结构用N*N的矩阵T表示，矩阵中的元素Tij表示一个节点对(i,j)之间消息传播所需的时隙个数，如式(1)所示，其中，τ为一个时隙的长度，dij为节点对(i,j)之间的传播延迟，传播延迟指一个信号在给定介质中从源节点传输到目的节点所需的时间，如式(2)所示，Dij为节点i和节点j之间的距离，v为信号的传播速度，水声网络中使用水声信号承载信息，其传播速度约为1500m/s。进一步地，所述步骤S2中传输调度决定了节点在各个时隙内的传输状态。三维矩阵S＝{Si，c，t}表示传输调度模型。若Si，c，t＝j＞0,则表示t时隙节点i使用c信道向节点j传输消息；若Si，c，t＝-j＜0,则表示t时隙节点i使用c信道接收来自节点j的消息；若Si，c，t＝0,则表示t时隙节点i处于空闲状态。进一步地，所述步骤S3中包括：S31,建模序贯决策问题；S32,利用时域干扰对齐思想和网络多信道传输条件进行合格决策判定；S33,确定价值函数，使用动态规划算法解决序贯决策问题，找到最优传输决策。进一步地，所述步骤S4中包括：S41,为最优传输决策分配信道；S42,将最优传输决策加入当前调度S{t}中，形成新的调度S{t，1}；S43,进行步骤S32继续寻找新的最优调度，进行步骤S41，直到没有合格的传输决策为止；S44,t时隙的调度更新结束，进行t+1时隙的更新。进一步地，所述步骤S31中将每一次传输调度看作一个决策，表示为x{t，h}，决策问题的状态由S{t}表示，包含了到t时隙为止所做的所有传输。一个新的决策和当前状态共同决定了一个新的状态，且t时隙的所有决策和t时隙的状态决定了t+1时隙的状态，如式(3)所示，S{t+1，1}＝Π(S{t},x{t})#(3)其中x{t}是t时隙内所有传输的集合,Π()是状态转移函数。进一步地，所述步骤S32中满足时域干扰对齐和多信道网络传输条件的传输才被看作为合格决策。对于一个t时隙的部分调度S{t}，在t′时隙合格传输决策需要满足以下限制条件(t′＝t+δ)：条件1：节点不可自传输，即j≠k；条件2：源节点j需要在t′时隙保持空闲状态，且节点在一个时隙内只能使用一个信道传输消息，所以在调度S{t}中t＇时隙源节点j在任意信道内均需处于空闲状态，即条件3：由于节点的半双工和单包接收限制，在调度S{t}中t′+Tjk时隙目的节点k在任意信道处于空闲状态，即条件4：节点在一个时隙内只能接收一个消息，所有需要确保目的节点k在t′+Tjk接收来自节点j的消息时没有其它消息到达，意味着任一节点i在t′+Tjk-Tik时隙不能向k传输消息，即条件5：网络中的节点是单包接收模型，当两个或两个以上的消息同时到达一个节点时，所有消息均无法被接收。为了保证从节点j传输到节点k的消息不会对正在进行的传输(m,n)造成影响，应避免来自节点j的消息和来自节点m的消息同时到达节点n，即当传输满足上述限制条件，则指示函数表示对于调度S{t}传输为合格传输；否则当传输不满足上述限制条件时，指示函数进一步地，所述步骤S33中动态规划算法解决序贯决策问题需要确定价值函数，用来寻找最优决策。不同的新决策加入当前调度S{t}会形成不同的新调度通过判断新调度中合格决策的个数可评价新决策，因此价值函数可表示为：最优决策可使价值函数最大，这里由于每加入一个新决策都会加入新的干扰，最优决策可确保带来的干扰和之前的干扰尽可能的重叠，减少对调度传输潜力的影响。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：基于时域干扰对齐的多信道水声网络传输调度方法考虑了水声网络多信道传输模型中的消息调度问题，并且利用时域干扰对齐思想设计调度算法以提高网络的吞吐量。多信道网络传输模型可以容纳更多的用户，减少数据冲突，但一个用户在一个时刻只能使用一个信道传输消息，因此设计合理的调度算法可更好的利用信道，提高吞吐量。时域干扰对齐可使干扰在非目的节点处对齐，在目的节点接收消息时免干扰，减少数据冲突，与此同时，在已造成干扰的时隙内可利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法，其特征在于：/n包括以下步骤：/nS1、网络拓扑结构表示：节点间的传播延迟指信号在给定介质中从源节点传输到目的节点所需的时间，用传输调度矩阵T表示网络拓扑结构，矩阵中的元素为节点对之间传播消息所需的时隙个数；/nS2、传输调度矩阵初始化：传输调度S指定了节点在各个时隙内的传输情况，根据调度矩阵节点高效传输和接收消息，以减少数据冲突，尽可能地提高吞吐量，网络初始阶段，传输调度矩阵为空，然后不断更新各个时隙的传输调度矩阵；/nS3、最优传输决策搜索：寻找最优调度问题可看作一个序贯决策问题，使用动态规划解决此问题，利用时域干扰对齐思想和网络多信道传输条件进行合格决策判定，然后确定价值函数以在合格决策中找到最优传输决策；/nS4、传输调度更新模式：最优决策加入当前调度中一次传输调度更新完成，再次对所有可能的传输进行决策判定和最优传输决策搜索直到没有合格决策为止，一个时隙的调度更新完成，进行下一个时隙的更新；调度更新过程即循环的重复S3和S4步骤。/n

【技术特征摘要】
1.一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法，其特征在于：
包括以下步骤：
S1、网络拓扑结构表示：节点间的传播延迟指信号在给定介质中从源节点传输到目的节点所需的时间，用传输调度矩阵T表示网络拓扑结构，矩阵中的元素为节点对之间传播消息所需的时隙个数；
S2、传输调度矩阵初始化：传输调度S指定了节点在各个时隙内的传输情况，根据调度矩阵节点高效传输和接收消息，以减少数据冲突，尽可能地提高吞吐量，网络初始阶段，传输调度矩阵为空，然后不断更新各个时隙的传输调度矩阵；
S3、最优传输决策搜索：寻找最优调度问题可看作一个序贯决策问题，使用动态规划解决此问题，利用时域干扰对齐思想和网络多信道传输条件进行合格决策判定，然后确定价值函数以在合格决策中找到最优传输决策；
S4、传输调度更新模式：最优决策加入当前调度中一次传输调度更新完成，再次对所有可能的传输进行决策判定和最优传输决策搜索直到没有合格决策为止，一个时隙的调度更新完成，进行下一个时隙的更新；调度更新过程即循环的重复S3和S4步骤。


2.根据权利要求1所述的一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法，其特征在于：所述步骤S1中对一个包含N节点的网络，网络拓扑结构用N*N的传播延迟矩阵T表示，矩阵中的元素Tij表示一个节点对(i，j)之间消息传播所需的时隙个数，如式(1)所示，



其中，τ为一个时隙的长度，dij为节点对(i，j)之间的传播延迟，传播延迟指一个信号在给定介质中从源节点传输到目的节点所需的时间，如式(2)所示，



Dij为节点i和节点j之间的距离，v为信号的传播速度，水声网络中使用水声信号承载信息。


3.根据权利要求1所述的一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法，其特征在于：所述步骤S2中传输调度决定了节点在各个时隙内的传输状态，节点根据传输调度传输消息，三维矩阵S＝{Si，c，t}表示传输调度模型，若Si，c，t＝j＞0，则表示t时隙节点i使用c信道向节点j传输消息；若Si，c，t＝-j＜0，则表示t时隙节点i使用c信道接收来自节点j的消息；若Si，c，t＝0，则表示t时隙节点i处于空闲状态。


4.根据权利要求1所述的一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法，其特征在于，所述步骤S3中包括：
S31、建模序贯决策问题；
S32、利用时域干扰对齐思想和网络多信道传输条件进行合格决策判定；
S33、确定价值函数，使用动态规划算法解决序贯决策问题，找到最优传输决策。


5.根据权利要求1所述的一种水声网络中基于时域干扰对齐的多信道传输调度方法，其特征在于，所述步骤S4中包括：
S41、为最优传输决策分配信道；
S42、将最优传输决策加入当前调...

【专利技术属性】
技术研发人员：高振国，赵楠，姚念民，卢志茂，张忆文，陈永红，胡凌岳，李弼程，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35