本發(fā)明涉及太赫茲通信，具體為基于超表面的太赫茲濾波器數(shù)據(jù)傳輸管理方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、太赫茲通信技術(shù)以其超高帶寬、高速率、高安全性等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)通信技術(shù)的重要發(fā)展方向。超表面的太赫茲濾波器利用超表面結(jié)構(gòu)的諧振特性來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波功能，通過(guò)超表面結(jié)構(gòu)中的金屬單元與特定頻率的太赫茲波發(fā)生共振，產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收或反射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某些頻率的太赫茲波的濾波。

2、現(xiàn)階段，針對(duì)太赫茲通信方面，通常采用堆疊多層超表面結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊材料使得超表面結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度等外部激勵(lì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電磁波操控。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的頻譜調(diào)制方案，以提高抗干擾能力。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題。例如：1、太赫茲波在空氣和介質(zhì)中的傳播損耗較大，極其容易受到環(huán)境中的粉塵和煙霧影響從而造成傳輸質(zhì)量不佳，簡(jiǎn)單的降低信號(hào)頻率雖然可以提高對(duì)環(huán)境的抗干擾性，但仍然無(wú)法將對(duì)傳輸質(zhì)量的影響降至最低。2、環(huán)境中的粉塵作為由不同成分組成的混合物，其成分種類的不同導(dǎo)致顆粒度尺寸和分布濃度也存在差異，只是單純根據(jù)顆粒物尺寸或濃度進(jìn)行分類則無(wú)法分析不同成分對(duì)傳輸質(zhì)量的影響程度，影響通信過(guò)程中的傳輸性能。所以，現(xiàn)階段需要一種更加智能高效的太赫茲通信傳輸管理技術(shù)方案來(lái)解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于超表面的太赫茲濾波器數(shù)據(jù)傳輸管理方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于超表面的太赫茲濾波器數(shù)據(jù)傳輸管理方法，該方法包括以下步驟：

3、s100、采集太赫茲通信設(shè)備的歷史日志和待傳輸數(shù)據(jù)的通信要求指標(biāo)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)收集太赫茲通信設(shè)備周邊的環(huán)境信息。

4、s200、采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法在歷史日志中提取訓(xùn)練集，分析得到當(dāng)前環(huán)境對(duì)不同頻率信號(hào)的干擾指數(shù)，根據(jù)干擾指數(shù)劃分出信號(hào)的可選頻率集合。

5、s300、分析通信要求指標(biāo)和可選頻率集合并得到發(fā)射頻率，太赫茲通信設(shè)備發(fā)送端調(diào)整發(fā)射頻率，太赫茲通信設(shè)備接收端通過(guò)調(diào)整超表面的諧振頻率使發(fā)射頻率處于信號(hào)接收的頻率范圍內(nèi)后開(kāi)始傳輸。

6、s400、實(shí)時(shí)采集并分析傳輸過(guò)程中的環(huán)境信息和通信信息，當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)頻率，并將改變之前環(huán)境持續(xù)的時(shí)間段內(nèi)采集信息存入歷史日志中。

7、在s100中，歷史日志是指太赫茲通信設(shè)備的傳輸記錄，每條傳輸記錄包括傳輸過(guò)程中的環(huán)境信息和通信信息。環(huán)境信息是指空氣中粉塵的組成成分，每種成分包括標(biāo)識(shí)符和濃度值。通信信息是指?jìng)鬏斶^(guò)程中不同信號(hào)頻率下的丟包率、傳輸速率和通信延遲。通信要求指標(biāo)是指待傳輸數(shù)據(jù)對(duì)本次傳輸?shù)母黜?xiàng)通信要求標(biāo)準(zhǔn)，具體包括最高丟包率、最低傳輸速率和最高通信延遲中的任意h項(xiàng)。

8、傳輸記錄只會(huì)在太赫茲通信設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中自動(dòng)生成，每條傳輸記錄中只存在一條環(huán)境信息和多條通信信息。當(dāng)環(huán)境信息發(fā)生改變時(shí)自動(dòng)生成新的傳輸記錄，當(dāng)環(huán)境信息不發(fā)生改變時(shí)信號(hào)頻率改變，則自動(dòng)在原傳輸記錄中添加新的通信信息，每條通信信息中信號(hào)頻率相同。

9、通信要求指標(biāo)為待傳輸數(shù)據(jù)對(duì)通信質(zhì)量的要求，要求包括：丟包率小于最高丟包率，傳輸速率大于最低傳輸速率，通信延遲小于最高通信延遲中的一項(xiàng)或多項(xiàng)，具體由管理人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。

10、在s200中，具體步驟如下:

11、s201、建立成分集合，分析當(dāng)前采集的環(huán)境信息中包含的所有成分并標(biāo)記，將標(biāo)記成分對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符和濃度值放入成分集合中。獲取歷史日志中每條傳輸記錄的環(huán)境信息，將環(huán)境信息內(nèi)包含與成分集合中存在相同標(biāo)識(shí)符的傳輸記錄進(jìn)行標(biāo)記。

12、s202、獲取標(biāo)記成分cpu的濃度值cctu，將所有標(biāo)記傳輸記錄中標(biāo)記成分cpu的濃度值求和后計(jì)算平均濃度值cctave。分別將每個(gè)標(biāo)記成分的濃度值和平均濃度值代入公式中，計(jì)算得到各標(biāo)記成分的權(quán)重系數(shù)，公式如下：

13、

14、式中，qx為權(quán)重系數(shù)，α為常數(shù)，j為成分集合內(nèi)所有元素?cái)?shù)量，ccti為i個(gè)標(biāo)記成分的濃度值。

15、權(quán)重系數(shù)表示標(biāo)記成分的重要程度，當(dāng)標(biāo)記成分的權(quán)重系數(shù)越大表明該成分與其他時(shí)間下濃度值差異越大或者在當(dāng)前環(huán)境下相比于其他成分的濃度占比過(guò)高。

16、s203、分析每條標(biāo)記傳輸記錄內(nèi)環(huán)境信息中各種成分的濃度值，將所有成分的濃度值求和后得到總濃度值cctsum，與標(biāo)記成分的權(quán)重系數(shù)一起代入公式中計(jì)算標(biāo)記傳輸記錄的重要指數(shù)。根據(jù)重要指數(shù)對(duì)標(biāo)記傳輸記錄進(jìn)行篩選從而建立影響訓(xùn)練集，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法根據(jù)影響訓(xùn)練集進(jìn)行擬合分析，得到當(dāng)前環(huán)境下信號(hào)的可選頻率集合。其中，重要指數(shù)計(jì)算公式如下：

17、

18、式中，zz為標(biāo)記傳輸記錄的重要指數(shù)，m為標(biāo)記傳輸記錄內(nèi)環(huán)境信息中所包含標(biāo)記成分的數(shù)量，qxs為第s個(gè)標(biāo)記成分的權(quán)重系數(shù)，ccts為標(biāo)記傳輸記錄內(nèi)環(huán)境信息中第s個(gè)標(biāo)記成分的濃度值。

19、在s203中，可選頻率集合的具體分析步驟如下：

20、s2031、設(shè)置重要指數(shù)閾值z(mì)zts，篩選出重要指數(shù)大于zzts的標(biāo)記傳輸記錄并獲取其中環(huán)境信息和通信信息，將環(huán)境信息中所有成分的濃度值共同作為第一自變量，通信信息中每個(gè)信號(hào)頻率分別作為第二自變量，相同信號(hào)頻率下的丟包率、傳輸速率和通信延遲分別作為因變量。同一個(gè)標(biāo)記傳輸記錄中第一自變量、第二自變量以及對(duì)應(yīng)信號(hào)頻率下的因變量生成一個(gè)樣本，每個(gè)標(biāo)記傳輸記錄的因變量數(shù)量乘以第二自變量的數(shù)量等于其生成的樣本數(shù)量，所有標(biāo)記傳輸記錄生成的樣本打包為影響訓(xùn)練集。

21、重要指數(shù)表示標(biāo)記傳輸記錄與當(dāng)前環(huán)境下粉塵組成成分和濃度值的相似程度，重要指數(shù)越高則表示兩者環(huán)境的相似程度越高。

22、重要指數(shù)閾值由管理人員進(jìn)行設(shè)定，具體取值參考?xì)v史日志中傳輸記錄的數(shù)量以及當(dāng)前環(huán)境信息。傳輸記錄的數(shù)量過(guò)少則需要考慮篩選后的傳輸記錄數(shù)量是否足夠建立訓(xùn)練集，傳輸記錄的數(shù)量過(guò)多則需要考慮篩選后的傳輸記錄數(shù)量是否存在大量低效數(shù)據(jù)占用處理時(shí)間。

23、每條傳輸記錄中第一自變量的數(shù)量與環(huán)境信息中成分種類數(shù)量相同，第二自變量的數(shù)量與通信信息中信號(hào)頻率數(shù)量相同，因變量只存在三個(gè)：丟包率、傳輸速率和通信延遲。同一個(gè)樣本內(nèi)因變量為該樣本第二自變量的信號(hào)頻率下的結(jié)果，同一個(gè)標(biāo)記傳輸記錄生成的所有樣本中第一自變量完全相同，第二自變量不一定相同。

24、s2032、將影響訓(xùn)練集輸入至多元線性回歸模型中進(jìn)行訓(xùn)練，得到通信影響預(yù)測(cè)模型；具體包括：將影響訓(xùn)練集中每個(gè)樣本的所有自變量作為多元線性回歸模型的輸入值，計(jì)算輸出結(jié)果與對(duì)應(yīng)樣本的因變量之間的差值，設(shè)置誤差閾值，當(dāng)差值小于誤差閾值時(shí)則標(biāo)記對(duì)應(yīng)樣本并計(jì)算下一個(gè)樣本。其他情況則調(diào)整回歸系數(shù)的參數(shù)，得到新的多元線性回歸模型，將未標(biāo)記的樣本重新輸入至新的多元線性回歸模型中進(jìn)行計(jì)算，直到所有樣本被標(biāo)記則將當(dāng)前的多元線性回歸模型作為預(yù)測(cè)模型。其中，多元線性回歸模型q的表達(dá)式為：

25、q＝r0+r1nd1+r2nd2+...+rende

26、式中，re為第e個(gè)回歸系數(shù)，nde為第e個(gè)自變量；將成分集合中各標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)成分的濃度值共同作為第一自變量，信號(hào)頻率調(diào)節(jié)集合中各信號(hào)頻率分別作為第二自變量依次輸入至通信影響預(yù)測(cè)模型中，得到通信影響預(yù)測(cè)模型輸出的結(jié)果集，結(jié)果集中保存在當(dāng)前環(huán)境中不同信號(hào)頻率下的預(yù)測(cè)丟包率、預(yù)測(cè)傳輸速率以及預(yù)測(cè)通信延遲。

27、s2033、獲取結(jié)果集中各信號(hào)頻率下的預(yù)測(cè)丟包率、預(yù)測(cè)傳輸速率和預(yù)測(cè)通信延遲，代入公式中計(jì)算每個(gè)信號(hào)頻率的干擾指數(shù)，將結(jié)果集中所有信號(hào)頻率的干擾指數(shù)求和后計(jì)算平均指數(shù)gzave。建立可選頻率集合，將干擾指數(shù)小于gzave的信號(hào)頻率放入可選頻率集合中。其中，干擾指數(shù)計(jì)算公式如下：

28、

29、式中，gz為干擾指數(shù)，p為大于1的常數(shù)，dbfc為預(yù)測(cè)丟包率，t為常數(shù)，ycfc為預(yù)測(cè)通信延遲，csfc為預(yù)測(cè)傳輸速率，cspre為標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率。

30、在s300中，獲取通信要求指標(biāo)中h項(xiàng)最高丟包率、最低傳輸速率或最高通信延遲，在可選頻率集合中按照通信要求指標(biāo)篩出所有不滿足要求的信號(hào)頻率，全部篩出完畢后，選擇可選頻率集合中剩余信號(hào)頻率中干擾指數(shù)最小的信號(hào)頻率作為發(fā)射頻率，自動(dòng)控制太赫茲通信設(shè)備發(fā)送端將信號(hào)調(diào)整至發(fā)射頻率，太赫茲通信設(shè)備接收端采用可重構(gòu)超表面技術(shù)，通過(guò)調(diào)整超表面的諧振頻率使信號(hào)接收頻率范圍包括發(fā)射頻率，調(diào)整完成后，太赫茲通信設(shè)備開(kāi)始傳輸。

31、不滿足要求的信號(hào)頻率是指可選頻率集合中信號(hào)頻率的預(yù)測(cè)丟包率、預(yù)測(cè)傳輸速率以及預(yù)測(cè)通信延遲無(wú)法滿足待傳輸數(shù)據(jù)的全部通信要求指標(biāo)。

32、在s400中，太赫茲通信設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息和通信信息，當(dāng)信號(hào)頻率發(fā)生人為改動(dòng)時(shí)，自動(dòng)獲取改動(dòng)之前的信號(hào)頻率持續(xù)時(shí)間段內(nèi)丟包率、傳輸速率和通信延遲計(jì)算平均值并進(jìn)行記錄。當(dāng)環(huán)境信息發(fā)生被動(dòng)改變時(shí)，自動(dòng)重新計(jì)算發(fā)射頻率并主動(dòng)同步調(diào)整太赫茲通信設(shè)備發(fā)送端和接收端的信號(hào)頻率，將改變之前的環(huán)境持續(xù)時(shí)間段內(nèi)通信信息和環(huán)境信息作為傳輸記錄存入歷史日志中。

33、基于超表面的太赫茲濾波器數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、頻率規(guī)劃模塊、傳輸分析模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可視化模塊。

34、數(shù)據(jù)采集模塊用于采集太赫茲通信設(shè)備的歷史日志和待傳輸數(shù)據(jù)的通信要求指標(biāo)，以及周邊的環(huán)境信息。頻率規(guī)劃模塊用于通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在歷史日志中提取訓(xùn)練集，并分析得到當(dāng)前環(huán)境對(duì)不同頻率信號(hào)的干擾指數(shù)，根據(jù)干擾指數(shù)劃分出信號(hào)的可選頻率集合；傳輸分析模塊用于分析通信要求指標(biāo)和可選頻率集合并得到發(fā)射頻率，控制太赫茲通信設(shè)備發(fā)送端調(diào)整發(fā)射頻率，以及太赫茲通信設(shè)備接收端調(diào)整信號(hào)接收頻率范圍使其包括發(fā)射頻率，根據(jù)傳輸過(guò)程中的環(huán)境信息和通信信息動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)頻率。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可視化模塊實(shí)時(shí)展示采集信息并將其存入歷史日志。

35、頻率規(guī)劃模塊包括干擾分析單元和頻率篩選單元。

36、干擾分析單元用于分析當(dāng)前環(huán)境對(duì)不同頻率信號(hào)的干擾程度。

37、首先，標(biāo)記當(dāng)前的環(huán)境信息中包含的所有成分，以及標(biāo)記環(huán)境信息內(nèi)包含與標(biāo)記成分相同標(biāo)識(shí)符的傳輸記錄，計(jì)算各標(biāo)記成分的權(quán)重系數(shù)。其次，分別計(jì)算每條標(biāo)記傳輸記錄中環(huán)境信息內(nèi)各種成分的濃度總值，與其中標(biāo)記成分的權(quán)重系數(shù)共同計(jì)算標(biāo)記傳輸記錄的重要指數(shù)。最后，根據(jù)重要指數(shù)對(duì)標(biāo)記傳輸記錄進(jìn)行篩選從而建立影響訓(xùn)練集，采用多元線性回歸模型根據(jù)影響訓(xùn)練集進(jìn)行擬合分析，得到當(dāng)前環(huán)境不同信號(hào)頻率下的預(yù)測(cè)丟包率、預(yù)測(cè)傳輸速率以及預(yù)測(cè)通信延遲，從而計(jì)算每個(gè)信號(hào)頻率的干擾指數(shù)。

38、頻率篩選單元根據(jù)干擾指數(shù)劃分出信號(hào)的可選頻率集合。先將所有信號(hào)頻率的干擾指數(shù)求和后計(jì)算平均指數(shù)，再建立可選頻率集合，將干擾指數(shù)小于平均指數(shù)的信號(hào)頻率放入可選頻率集合中。

39、傳輸分析模塊包括通信設(shè)置單元和頻率調(diào)整單元。

40、通信設(shè)置單元用于設(shè)定發(fā)射頻率。先在可選頻率集合中按照通信要求指標(biāo)篩出所有不滿足要求的信號(hào)頻率，再選擇可選頻率集合中剩余信號(hào)頻率中干擾指數(shù)最小的信號(hào)頻率作為發(fā)射頻率。自動(dòng)控制太赫茲通信設(shè)備發(fā)送端將信號(hào)調(diào)整至發(fā)射頻率，太赫茲通信設(shè)備接收端通過(guò)調(diào)整信號(hào)接收頻率范圍使其包括發(fā)射頻率，調(diào)整完成后，太赫茲通信設(shè)備開(kāi)始傳輸。

41、頻率調(diào)整單元用于在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集傳輸過(guò)程中的環(huán)境信息和通信信息。當(dāng)環(huán)境信息發(fā)生被動(dòng)改變時(shí)，自動(dòng)重新計(jì)算發(fā)射頻率并主動(dòng)同步調(diào)整太赫茲通信設(shè)備發(fā)送端和接收端的信號(hào)頻率。

42、一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括處理器以及存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)所述處理器的可執(zhí)行指令；其中，所述處理器配置為經(jīng)由執(zhí)行所述可執(zhí)行指令來(lái)實(shí)現(xiàn)方法或系統(tǒng)。

43、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)方法或系統(tǒng)。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：

45、精準(zhǔn)的權(quán)重分析：本技術(shù)中通過(guò)對(duì)當(dāng)前環(huán)境中粉塵的組成成分和濃度進(jìn)行分析，計(jì)算各種成分的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)權(quán)重系數(shù)篩選出具有一定關(guān)聯(lián)性的傳輸記錄，將這些傳輸記錄作為訓(xùn)練集，有針對(duì)性的建立預(yù)測(cè)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可選信號(hào)頻率的分析，相比于現(xiàn)有技術(shù)更加精準(zhǔn)。

46、高效的頻率決策：本技術(shù)中針對(duì)每次信號(hào)頻率的改變和環(huán)境的改變自動(dòng)記錄通信信息以及生成傳輸記錄，根據(jù)太赫茲通信設(shè)備的實(shí)際采集信息進(jìn)行信息分析與決策，在環(huán)境發(fā)生改變時(shí)自動(dòng)調(diào)試信號(hào)頻率以達(dá)到最佳傳輸質(zhì)量，相比于現(xiàn)有技術(shù)更加智能高效。

47、綜上所述，本發(fā)明相比于傳統(tǒng)技術(shù)具有精準(zhǔn)的權(quán)重分析和高效的頻率決策等優(yōu)勢(shì)，能夠提高太赫茲通信傳輸效率。