本發(fā)明屬于無(wú)線通信，具體涉及一種擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化傳輸方法,可用于節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源和時(shí)隙資源受限下無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的信息可靠傳輸。

背景技術(shù)：

1、無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種由多個(gè)具備無(wú)線收發(fā)功能的節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線通信技術(shù)建立的分布式網(wǎng)絡(luò)，它不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施支持，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織和自適應(yīng)的機(jī)制來(lái)形成和維護(hù)多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需中央化的管理。與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)具有一些突出的特點(diǎn)，如無(wú)中心、自組織、多跳、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑴R時(shí)性等，這些特點(diǎn)使其突破了傳統(tǒng)無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的地理局限性，能夠更加快速、便捷、高效地部署，因此適用于應(yīng)急救援等緊急場(chǎng)合的通信需要。

2、無(wú)線自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用傳感器、無(wú)人器等，計(jì)算能力弱，使用時(shí)間短，通信資源如碼字、頻段、信道等都是有限的，無(wú)線信道本身的物理特性決定了其能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬比有線信道要少很多，由于競(jìng)爭(zhēng)共享無(wú)線信道產(chǎn)生的碰撞、信號(hào)衰落、噪聲干擾及信道間干擾等因素使得其實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值。由于這些因素的存在，無(wú)線自組網(wǎng)中需要用有限的資源進(jìn)行復(fù)雜的編解碼、信道估計(jì)和信道均衡等操作，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和通信資源提出了挑戰(zhàn)。因此如何利用有限的資源進(jìn)行可靠傳輸是無(wú)線自組網(wǎng)亟待解決的問(wèn)題。

3、無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)由于其在實(shí)際應(yīng)用中的重要性，備受研究者關(guān)注。無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)有很大不同，需要為其設(shè)計(jì)專門的技術(shù)來(lái)提供通信保障。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何提高無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線傳輸?shù)挠行院涂煽啃宰隽嗽S多改進(jìn)的研究。

4、盧玲等作者在其發(fā)表的文獻(xiàn)“一種基于分簇的新型組播網(wǎng)絡(luò)”中針對(duì)阻繼網(wǎng)絡(luò)需要多次構(gòu)建有效路由，開(kāi)銷和延遲大，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率不高的問(wèn)題，將分簇算法引入到阻繼網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種基于節(jié)點(diǎn)分簇的brn傳輸機(jī)制，c-brn。該傳輸機(jī)制將傳統(tǒng)manet中的完全依賴拓?fù)渥兓畔⒌穆酚伤惴ê蚥rn中不依賴于拓?fù)湫畔⒆兓奶攸c(diǎn)進(jìn)行融合，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分層化，重復(fù)多次使用簇首之間建立的cbr傳遞信息，有效避免了單純brn傳輸機(jī)制中cbr的重構(gòu)帶來(lái)的延遲和開(kāi)銷，提高了網(wǎng)絡(luò)的路由效率，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在物理層需要進(jìn)行大量的編解碼、信道估計(jì)和均衡操作，對(duì)計(jì)算資源需求大，在無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)資源受限時(shí)，無(wú)法提高信息傳輸效率。

5、黃辰等作者在其發(fā)表的文獻(xiàn)“基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制”中認(rèn)為無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)臺(tái)能量有限，需要減少中間節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)包交換次數(shù)，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制crnc，其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼將信源信息揉合在一起，減少信宿對(duì)單份數(shù)據(jù)的依賴，降低對(duì)中間節(jié)點(diǎn)的緩存要求。該機(jī)制同基于泛洪的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制相比，在大幅度減少傳輸次數(shù)的同時(shí)，只增加了少量時(shí)延，但卻增加了接收節(jié)點(diǎn)的計(jì)算復(fù)雜度，對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力提出了挑戰(zhàn)，在單個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力不足時(shí)，容易造成信息傳輸效率低下。

6、耿佳博作者在其發(fā)表的論文“自組織網(wǎng)絡(luò)中基于噴泉碼的端到端的傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”中針對(duì)移動(dòng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)丟包率高的問(wèn)題，提出了基于反饋的階段式噴泉碼傳輸方案，發(fā)送端分為原始分組發(fā)送和魯棒性孤波分布發(fā)送兩個(gè)階段進(jìn)行發(fā)送，原始分組發(fā)送階段僅發(fā)送原始分組，無(wú)需編譯碼，接收端接收原始分組后反饋?zhàn)g出的原始分組序號(hào)；魯棒性孤波分布發(fā)送階段，發(fā)送端按照魯棒性孤波分布發(fā)送噴泉碼分組，利用反饋信息加快了噴泉碼分組的傳輸，并且降低了接收端譯碼開(kāi)銷。但是該方案無(wú)法避免噴泉碼傳輸時(shí)延大，對(duì)實(shí)時(shí)性需求不敏感，在傳輸時(shí)隙緊張時(shí)會(huì)降低信息傳輸速率，并且要求接收節(jié)點(diǎn)具備較高的計(jì)算能力，增加了節(jié)點(diǎn)部署難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于空中計(jì)算的擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化傳輸方法，以降低自組織網(wǎng)絡(luò)端到端信號(hào)傳輸過(guò)程中資源開(kāi)銷和誤碼率，減輕節(jié)點(diǎn)的計(jì)算壓力，提高信息傳輸速率。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是：使用通用軟件無(wú)線電外設(shè)平臺(tái)usrp搭建基于空中計(jì)算的擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化傳輸平臺(tái)，通過(guò)訓(xùn)練符號(hào)的前向傳輸和誤差梯度的反向傳播兩個(gè)過(guò)程來(lái)訓(xùn)練擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理權(quán)重參數(shù)，使其適配未知信道特性，以在單個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)需復(fù)雜編解碼操作、無(wú)需進(jìn)行信道估計(jì)和信道均衡操作、只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性計(jì)算的前提下，進(jìn)行信息可靠傳輸。通過(guò)空中計(jì)算技術(shù)將無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信號(hào)融合轉(zhuǎn)移至無(wú)線傳輸過(guò)程中執(zhí)行，以減輕節(jié)點(diǎn)的計(jì)算壓力，減少節(jié)點(diǎn)信息融合步驟，提高信息傳輸速率，降低無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)端到端信號(hào)傳輸過(guò)程中資源開(kāi)銷和誤碼率。

3、根據(jù)上述思路，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：

4、(1)使用通用軟件無(wú)線電外設(shè)usrp及上位機(jī)搭建一個(gè)包括源節(jié)點(diǎn)s、n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)r、目的節(jié)點(diǎn)d的空中計(jì)算擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化傳輸平臺(tái)，并通過(guò)時(shí)鐘同步器同步各個(gè)usrp的時(shí)間；

5、(2)構(gòu)建擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、空中計(jì)算模塊和usrp控制模塊：

6、2a)建立包括源信號(hào)處理子模塊、中繼信號(hào)處理子模塊、目的信號(hào)處理子模塊、源參數(shù)更新子模塊、中繼參數(shù)更新子模塊和目的參數(shù)更新子模塊的擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)控和對(duì)處理權(quán)重參數(shù)進(jìn)行更新；

7、2b)建立包括空中疊加預(yù)處理子模塊和空中疊加后處理子模塊的空中計(jì)算模塊，用于將多路信號(hào)進(jìn)行融合的位置從接收端轉(zhuǎn)移至空中信道；

8、2c)建立包括發(fā)送子模塊、接收子模塊和同步子模塊的usrp控制模塊，用于在規(guī)定時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)送和接收；

9、(3)將擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、空中計(jì)算模塊和usrp控制模塊中的所有子模塊部署到每個(gè)上位機(jī)中；

10、(4)初始化各節(jié)點(diǎn)的擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括源節(jié)點(diǎn)處理權(quán)重參數(shù)u、第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處理權(quán)重參數(shù)vi、目的節(jié)點(diǎn)處理權(quán)重參數(shù)w、學(xué)習(xí)率lr、誤差閾值λ、訓(xùn)練輪次e＝0，并在同一時(shí)間初始化usrp時(shí)間戳為0，設(shè)置時(shí)隙長(zhǎng)度t，隨機(jī)數(shù)生成器種子seed,i＝1,…,n；

11、(5)利用訓(xùn)練符號(hào)前向傳輸和誤差梯度反向傳播更新各節(jié)點(diǎn)的處理權(quán)重參數(shù)：

12、(5a)對(duì)源節(jié)點(diǎn)生成的訓(xùn)練符號(hào)p進(jìn)行處理，得到源節(jié)點(diǎn)的基帶信號(hào)y并發(fā)送；

13、(5b)第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收經(jīng)過(guò)無(wú)線信道的源節(jié)點(diǎn)基帶信號(hào)y，得到中繼信號(hào)ri并進(jìn)行處理，得到中繼節(jié)點(diǎn)的基帶信號(hào)ci并發(fā)送；

14、(5c)目的節(jié)點(diǎn)接收經(jīng)過(guò)無(wú)線信道疊加的中繼節(jié)點(diǎn)基帶信號(hào)ci，得到融合信號(hào)d，并對(duì)其進(jìn)行處理得到預(yù)測(cè)符號(hào)x；

15、(5d)計(jì)算預(yù)測(cè)符號(hào)x與訓(xùn)練符號(hào)p之間的誤差j，將其廣播至源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)，并將誤差信號(hào)j與設(shè)定的誤差閾值λ進(jìn)行比較：

16、若j＞λ，則執(zhí)行步驟(5e)，

17、否則，執(zhí)行步驟(6)；

18、(5e)更新目的節(jié)點(diǎn)處理權(quán)重參數(shù)w，計(jì)算并發(fā)送目的信號(hào)z的誤差梯度

19、(5f)第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收目的信號(hào)誤差梯度，得到目的梯度信號(hào)利用目的梯度信號(hào)更新第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處理權(quán)重參數(shù)vi，并將中繼信號(hào)ri的誤差梯度進(jìn)行發(fā)送；

20、(5g)源節(jié)點(diǎn)接收中繼信號(hào)誤差梯度，得到中繼梯度信號(hào)φ，利用中繼梯度信號(hào)φ更新源節(jié)點(diǎn)處理權(quán)重參數(shù)u，更新訓(xùn)練輪次e＝e+1，返回步驟(5a)；

21、(6)源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)停止反向傳播過(guò)程；

22、(7)根據(jù)當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)的處理權(quán)重參數(shù)，源節(jié)點(diǎn)對(duì)待傳信息進(jìn)行發(fā)送，中繼節(jié)點(diǎn)接收并轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)接收并恢復(fù)待傳信息。

23、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

24、其一，本發(fā)明由于通過(guò)在中繼協(xié)同通信的無(wú)線自組網(wǎng)中搭建擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只利用各個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理權(quán)重參數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，并進(jìn)行非線性處理便可進(jìn)行信號(hào)傳輸，節(jié)點(diǎn)不需要進(jìn)行復(fù)雜的編解碼、信道估計(jì)操作，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力要求低，能夠降低資源開(kāi)銷。

25、其二，本發(fā)明由于引入空中計(jì)算，將擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中多路信號(hào)進(jìn)行融合的位置從接收端轉(zhuǎn)移至空中信道，因此能夠進(jìn)一步減輕節(jié)點(diǎn)運(yùn)算壓力，降低節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算資源的依賴，并且省去了接收端進(jìn)行信號(hào)融合的時(shí)間，提高了信息傳輸速率。

26、其三，本發(fā)明由于利用usrp搭建基于空中計(jì)算的擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化傳輸平臺(tái)，有效驗(yàn)證了本發(fā)明在實(shí)際環(huán)境中的實(shí)用性、靈活性和擴(kuò)展性，人們可以根據(jù)不同場(chǎng)景快速部署和配置通信節(jié)點(diǎn)，為無(wú)線自組網(wǎng)中信息可靠傳輸提供了新的可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑。