CN110581739B - 水下数据传输方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下数据传输方法及装置，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据信道容量最大化公式计算得到公式最终值最大时的
Figure DDA0002226949380000015
的组合，并将
Figure DDA0002226949380000011
的组合反馈给k个数据发送节点，其中，
Figure DDA0002226949380000012
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure DDA0002226949380000013
表示数据发送节点不发送数据信号；k个数据发送节点根据
Figure DDA0002226949380000014
的组合向数据接收节点发送数据信号。本发明通过MIMO信道模型解决了水下信道带宽的限制，使得水下发送/接收节点可以同时多路发送/接收数据，并通过公式优化数据发送节点的发送调度，使信道容量最大化，保证了水下数据传输的效率。

Description

水下数据传输方法及装置
技术领域
本发明涉及数据传输技术领域，具体为一种水下数据传输方法及装置。
背景技术
多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术在无线通信领域中发挥重要作用，是高速通讯的关键技术。MIMO技术在陆地应用广泛，而在海洋环境中的应用目前较少。水下环境的复杂性使得数据通信存在效率低，信道带宽限制以及传输延迟大等问题，且只能使用声波信号通信，因此现有的MIMO技术难以用于水下。若要利用MIMO技术的优势解决水下通信遇到的挑战，则需要优化MAC协议(Multiple Access Control Protocol)。
现有的水下数据传输使用的MAC协议Aloha、Slotted-FAMA、DOTs等都是为单输入单输出系统而设计的，在应用MIMO协议的水下数据传输系统中时无法发挥MIMO协议的特性，导致数据传输效率较低。
发明内容
本发明提供了一种水下数据传输方法及装置，可以解决现有技术中由于使用为单输入单输出系统而设计的，MAC协议进行数据传输，导致应用MIMO协议的水下数据传输系统时，数据传输效率较低的问题。
为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种水下数据传输方法，包括：
k个数据发送节点根据预先完成的多入多出MIMO信道模型向数据接收节点发送数据信号；
所述数据接收节点接收并解码所述数据信号，其中，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据公式：
Figure GDA0002929397630000011
计算得到公式最终值最大时的
Figure GDA0002929397630000021
的组合，并将所述
Figure GDA0002929397630000022
的组合反馈给所述k个数据发送节点，其中，
Figure GDA0002929397630000023
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure GDA0002929397630000024
表示数据发送节点不发送数据信号；
所述k个数据发送节点根据所述
Figure GDA0002929397630000025
的组合向数据接收节点发送数据信号。
可选的，所述多入多出MIMO信道模型的建立过程，包括：
计算k个数据发送节点向同一数据接收节点发送数据信号时，所述数据接收节点接收到的每一路输入信号强度，其中k为大于或等于1的正整数；
根据所述每一路输入信号强度，建立信号强度矩阵；
根据所述信号强度矩阵，建立多入多出MIMO信道模型。
可选的，所述数据接收节点接收并解码所述数据信号，包括：
根据所述信道矩阵H，对所述多入多出MIMO信道模型Y＝HΛX+N中的所有矩阵取逆矩阵，得到公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN；其中，H为信道矩阵，Λ为节点传输矩阵，X为数据信号在发送端的矩阵，N为k*L的高斯一致分布矩阵，k为大于或等于1的正整数，L为数据信号序列的长度；
根据所述公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN计算得到所述数据信号。
可选的，所述将所述
Figure GDA0002929397630000027
的组合反馈给所述k个数据发送节点，包括：
将所述
Figure GDA0002929397630000028
的组合放入CTS中回复给所述k个数据发送节点。
可选的，所述水下数据传输方法，还包括：
根据信号传输信道的状态变化，动态调整编码长度，得到最大化的MAC层净负荷。
一种水下数据传输装置，包括：
发送单元，用于通过k个数据发送节点根据预先完成的多入多出MIMO信道模型向数据接收节点发送数据信号；所述k个数据发送节点根据所述
Figure GDA0002929397630000029
的组合向数据接收节点发送数据信号；
接收单元，用于所述数据接收节点接收并解码所述数据信号，其中，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据公式：
Figure GDA0002929397630000026
计算得到公式最终值最大时的
Figure GDA0002929397630000031
的组合，并将所述
Figure GDA0002929397630000032
的组合反馈给所述k个数据发送节点，其中，
Figure GDA0002929397630000033
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure GDA0002929397630000034
表示数据发送节点不发送数据信号。
可选的，所述水下数据传输装置，还包括：
第一计算单元，用于计算k个数据发送节点向同一数据接收节点发送数据信号时，所述数据接收节点接收到的每一路输入信号强度，其中k为大于或等于1的正整数；
第一建立单元，用于根据所述每一路输入信号强度，建立信号强度矩阵；
第二建立单元，用于根据所述信号强度矩阵，建立多入多出MIMO信道模型。
可选的，所述接收单元，包括：
获取单元，用于根据所述信道矩阵H，对所述多入多出MIMO信道模型Y＝HΛX+N中的所有矩阵取逆矩阵，得到公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN；其中，H为信道矩阵，Λ为节点传输矩阵，X为数据信号在发送端的矩阵，N为k*L的高斯一致分布矩阵，k为大于或等于1的正整数，L为数据信号序列的长度；
第二计算单元，用于根据所述公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN计算得到所述数据信号。
可选的，所述接收单元用于将所述
Figure GDA0002929397630000035
的组合放入CTS中回复给所述k个数据发送节点。
可选的，所述水下数据传输装置，还包括：
调整单元，用于根据信号传输信道的状态变化，动态调整编码长度，得到最大化的MAC层净负荷。
经由上述技术方案可知，本发明公开了一种水下数据传输方法及装置，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据信道容量最大化公式计算得到公式最终值最大时的
Figure GDA0002929397630000036
的组合，并将
Figure GDA0002929397630000037
的组合反馈给k个数据发送节点，其中，
Figure GDA0002929397630000038
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure GDA0002929397630000039
表示数据发送节点不发送数据信号；k个数据发送节点根据
Figure GDA00029293976300000310
的组合向数据接收节点发送数据信号。本发明通过MIMO信道模型解决了水下信道带宽的限制，使得水下发送/接收节点可以同时多路发送/接收数据，并通过公式优化数据发送节点的发送调度，使信道容量最大化，保证了水下数据传输的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种水下数据传输方法的流程图；
图2为本发明实施例公开的多入多出MIMO信道模型的建立过程的流程图；
图3为本发明实施例公开的MIMO信道模型结构示意图；
图4为本发明实施例公开的一种水下数据传输装置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
由背景技术可知，现有的水下数据传输使用的MAC协议Aloha、Slotted-FAMA、DOTs等都是为单输入单输出系统而设计的，在应用MIMO协议的水下数据传输系统中时，无法发挥MIMO协议的特性，导致数据传输效率较低。
有鉴于此，本发明提供了一种水下数据传输方法及装置，可以解决现有技术中由于使用为单输入单输出系统而设计的，MAC协议进行数据传输，导致应用MIMO协议的水下数据传输系统时，数据传输效率较低的问题。
如图1所示，本发明实施例公开了一种水下数据传输方法，包括以下步骤：
S101、k个数据发送节点根据预先完成的多入多出MIMO信道模型向数据接收节点发送数据信号。
可选的，如图2所示，为多入多出MIMO信道模型的建立过程的流程图，包括：
S201、计算k个数据发送节点向同一数据接收节点发送数据信号时，所述数据接收节点接收到的每一路输入信号强度，其中M和k为大于或等于1的正整数。
S202、根据所述每一路输入信号强度，建立信号强度矩阵。
S203、根据所述信号强度矩阵，建立多入多出MIMO信道模型。
需要说明的是，装置中的每个节点均可作为数据接收节点和数据发送节点，其中，假设每个节点的接收天线数量和发送天线数据量均为M，k个不同节点N1…NK作为数据发送节点要向同一数据接收节点N0发送数据信号，由于数据发送节点位置不同，Ni节点发送的数据信号传输到数据接收节点N0的增益为(h1i，h2i,…,hMi)，某时刻各数据发送节点发送的数据信号表示为x＝(x1,x2,…xk)T，其中，M和k均为大于或等于1的正整数。
某一时刻接收节点N0的第j路输入信号强度根据公式：
Figure GDA0002929397630000051
进行计算。
式中，nj是高斯噪声，
Figure GDA0002929397630000052
时表示发送节点传输数据信号，
Figure GDA0002929397630000053
时表示发送节点不传输数据信号，xm表示数据发送节点发送的数据信号。
数据接收节点N0接收到的各路信号强度矩阵为：
y＝HΛx+n
其中，其中H为信道矩阵：
Figure GDA0002929397630000054
x＝(x1,x2,…xk)T因此，数据接收节点N0各接收天线接收到的数据信号可表示为Y＝(y1,y2,…yM)T。
假设各数据发送节点发送的数据信号序列的长度相同为L，如图3所示，为MIMO信道模型结构示意图，具体为：
Y＝HΛX+N
其中，H为信道矩阵：
Figure GDA0002929397630000055
表示每个数据发送节点和数据接收节点之间的信道增益；Λ为节点传输矩阵：
Figure GDA0002929397630000056
X为信号在发送端的矩阵表示：
Figure GDA0002929397630000061
N为K*L的高斯一致分布矩阵。
S102、所述数据接收节点接收并解码所述数据信号，其中，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据公式：
Figure GDA0002929397630000062
计算得到公式最终值最大时的
Figure GDA0002929397630000063
的组合，并将所述
Figure GDA0002929397630000064
的组合反馈给所述k个数据发送节点。
可选的，所述数据接收节点接收并解码所述数据信号，包括：
根据所述信道矩阵H，对所述多入多出MIMO信道模型Y＝HΛX+N中的所有矩阵取逆矩阵，得到公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN；其中，H为信道矩阵，Λ为节点传输矩阵，X为数据信号在发送端的矩阵，N为k*L的高斯一致分布矩阵，k为大于或等于1的正整数，L为数据信号序列的长度。
根据所述公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN计算得到所述数据信号。
需要说明的是，MIMO信道最大容量在以下条件获得：
Figure GDA0002929397630000065
其中qi为数据发送节点Ni在某一时刻发送信号的协方差；N为高斯一致分布矩阵；
Figure GDA0002929397630000066
表示Ni可以或不可以发送数据信号；H为信道矩阵，表示发送端到接收端的信道增益。
为了最大化媒体接入性能，需使数据接收节点N0在接收数据信号数据包的时间段内，信道容量最大化：
Figure GDA0002929397630000067
其中，每个数据发送节点发出的数据信号长度为L，数据接收节点接收L长度信号的时间段内，在1～L中选择Csum最小的一个时段，由相差最大的比特差错决定信道容量。通过上述公式计算得出合理的
Figure GDA0002929397630000068
的组合(即选择各数据发送节点是否发送数据)，使数据接收节点信道容量最大化。
可选的，所述将所述
Figure GDA0002929397630000069
的组合反馈给所述k个数据发送节点，包括：
将所述
Figure GDA00029293976300000610
的组合放入CTS中回复给所述k个数据发送节点。
具体的，可以把变量
Figure GDA0002929397630000071
的值放入CTS中回复给数据发送节点Ni。
S103、所述k个数据发送节点根据所述
Figure GDA0002929397630000072
的组合向数据接收节点发送数据信号。
具体的，数据发送节点Ni接收到CTS后若提取的
Figure GDA0002929397630000073
则不发送数据，等待下一轮RTS请求发送。若
Figure GDA0002929397630000074
则立即发送数据。
可选的，所述水下数据传输方法，还包括：
根据信号传输信道的状态变化，动态调整编码长度，得到最大化的MAC层净负荷。
需要说明的是，最大化净负荷目标函数为：fMAC＝Lp/((Lp+Lh+Lc)Rtx)
其中，Lp是数据包净负荷长度，Lh是数据包头部长度，Lc是数据包纠错编码长度，Rtx是重传次数。某一时刻，为了最大化此目标函数，可减少Lc长度，即减弱纠错编码，但此方式会导致更多的重传，因此fMAC未必会增加；另一方面，增加纠错编码Lc的长度，则重传次数减少，因此fMAC未必减少。基于此，依据具体应用对损耗即延迟的要求，动态调整编码长度，使目标函数最大化。
通过动态调整编码长度以最大化MAC层的有效荷载，能够进一步提高了数据传输效率。
本实施例公开的水下数据传输方法，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据信道容量最大化公式计算得到公式最终值最大时的
Figure GDA0002929397630000075
的组合，并将
Figure GDA0002929397630000076
的组合反馈给k个数据发送节点，其中，
Figure GDA0002929397630000077
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure GDA0002929397630000078
表示数据发送节点不发送数据信号；k个数据发送节点根据
Figure GDA0002929397630000079
的组合向数据接收节点发送数据信号。本发明通过MIMO信道模型解决了水下信道带宽的限制，使得水下发送/接收节点可以同时多路发送/接收数据，并通过公式优化数据发送节点的发送调度，使信道容量最大化，保证了水下数据传输的效率。
基于上述本发明实施例公开的水下数据传输方法，图4具体公开了应用该水下数据传输方法的水下数据传输装置。
如图4所示，本发明另一实施例公开了一种水下数据传输装置，该装置包括：
发送单元401，用于通过k个数据发送节点根据预先完成的多入多出MIMO信道模型向数据接收节点发送数据信号；所述k个数据发送节点根据所述
Figure GDA0002929397630000082
的组合向数据接收节点发送数据信号。
接收单元402，用于所述数据接收节点接收并解码所述数据信号，其中，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据公式：
Figure GDA0002929397630000081
计算得到公式最终值最大时的
Figure GDA0002929397630000083
的组合，并将所述
Figure GDA0002929397630000084
的组合反馈给所述k个数据发送节点，其中，
Figure GDA0002929397630000085
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure GDA0002929397630000086
表示数据发送节点不发送数据信号。
可选的，所述水下数据传输装置，还包括：
第一计算单元，用于计算k个数据发送节点向同一数据接收节点发送数据信号时，所述数据接收节点接收到的每一路输入信号强度，其中k为大于或等于1的正整数；
第一建立单元，用于根据所述每一路输入信号强度，建立信号强度矩阵；
第二建立单元，用于根据所述信号强度矩阵，建立多入多出MIMO信道模型。
可选的，所述接收单元，包括：
获取单元，用于根据所述信道矩阵H，对所述多入多出MIMO信道模型Y＝HΛX+N中的所有矩阵取逆矩阵，得到公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN；其中，H为信道矩阵，Λ为节点传输矩阵，X为数据信号在发送端的矩阵，N为k*L的高斯一致分布矩阵，k为大于或等于1的正整数，L为数据信号序列的长度。
第二计算单元，用于根据所述公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN计算得到所述数据信号。
可选的，所述接收单元用于将所述
Figure GDA0002929397630000087
的组合放入CTS中回复给所述k个数据发送节点。
可选的，所述水下数据传输装置，还包括：
调整单元，用于根据信号传输信道的状态变化，动态调整编码长度，得到最大化的MAC层净负荷。
以上本发明实施例公开的水下数据传输装置中的发送单元401和接收单元402的具体工作过程，可参见本发明上述实施例公开的水下数据传输方法中的对应内容，这里不再进行赘述。
本实施例公开的水下数据传输装置，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据信道容量最大化公式计算得到公式最终值最大时的
Figure GDA0002929397630000091
的组合，并将
Figure GDA0002929397630000092
的组合反馈给k个数据发送节点，其中，
Figure GDA0002929397630000093
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure GDA0002929397630000094
表示数据发送节点不发送数据信号；k个数据发送节点根据
Figure GDA0002929397630000095
的组合向数据接收节点发送数据信号。本发明通过MIMO信道模型解决了水下信道带宽的限制，使得水下发送/接收节点可以同时多路发送/接收数据，并通过公式优化数据发送节点的发送调度，使信道容量最大化，保证了水下数据传输的效率。
还需要说明的是，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、商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、商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，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种水下数据传输方法，其特征在于，包括：
k个数据发送节点根据预先完成的多入多出MIMO信道模型向数据接收节点发送数据信号；所述多入多出MIMO信道模型的建立过程包括：计算k个数据发送节点向同一数据接收节点发送数据信号时，所述数据接收节点接收到的每一路输入信号强度，其中k为大于或等于1的正整数；根据所述每一路输入信号强度，建立信号强度矩阵Y；根据所述信号强度矩阵Y，建立多入多出MIMO信道模型Y＝HΛX+N；
根据信道矩阵H，对多入多出MIMO信道模型Y＝HΛX+N中的所有矩阵取逆矩阵，得到公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN；其中，Λ为节点传输矩阵，X为数据信号在发送端的矩阵，N为k*L的高斯一致分布矩阵，L为数据信号序列的长度，HH为信道矩阵H的逆矩阵，ΛH为Λ的逆矩阵；
根据所述公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN计算得到所述数据信号，其中，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据公式：
Figure FDA0002961451970000018
计算得到公式最终值最大时的
Figure FDA0002961451970000011
的组合，并将所述
Figure FDA0002961451970000012
的组合反馈给所述k个数据发送节点，其中，
Figure FDA0002961451970000013
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure FDA0002961451970000014
表示数据发送节点不发送数据信号；Csum表示MIMO信道最大容量；qi为数据发送节点在某一时刻发送信号的协方差；t用于表示数据信号的时间段，取值范围为1～L；i为下标变量，取值范围为1至k的正整数；NH为N的逆矩阵；
所述k个数据发送节点根据所述
Figure FDA0002961451970000015
的组合向数据接收节点发送数据信号。
2.根据权利要求1所述的水下数据传输方法，其特征在于，所述将所述
Figure FDA0002961451970000016
的组合反馈给所述k个数据发送节点，包括：
将所述
Figure FDA0002961451970000017
的组合放入CTS中回复给所述k个数据发送节点。
3.根据权利要求1所述的水下数据传输方法，其特征在于，还包括：
根据信号传输信道的状态变化，动态调整编码长度，得到最大化的MAC层净负荷。
4.一种水下数据传输装置，其特征在于，包括：
发送单元，用于通过k个数据发送节点根据预先完成的多入多出MIMO信道模型向数据接收节点发送数据信号；
第一计算单元，用于计算k个数据发送节点向同一数据接收节点发送数据信号时，所述数据接收节点接收到的每一路输入信号强度，其中k为大于或等于1的正整数；
第一建立单元，用于根据所述每一路输入信号强度，建立信号强度矩阵Y；
第二建立单元，用于根据所述信号强度矩阵Y，建立多入多出MIMO信道模型Y＝HΛX+N；
接收单元，包括获取单元和第二计算单元；所述获取单元，用于根据信道矩阵H，对多入多出MIMO信道模型Y＝HΛX+N中的所有矩阵取逆矩阵，得到公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN；其中，Λ为节点传输矩阵，X为数据信号在发送端的矩阵，N为k*L的高斯一致分布矩阵，L为数据信号序列的长度，HH为信道矩阵H的逆矩阵，ΛH为Λ的逆矩阵；
所述第二计算单元，用于根据所述公式X＝ΛHHHY-ΛHHHN计算得到所述数据信号，其中，在数据接收节点接收数据信号的时间段内，根据公式：
Figure FDA0002961451970000028
计算得到公式最终值最大时的
Figure FDA0002961451970000021
的组合，并将所述
Figure FDA0002961451970000022
的组合反馈给所述k个数据发送节点，所述k个数据发送节点根据所述
Figure FDA0002961451970000023
的组合向数据接收节点发送数据信号；其中，
Figure FDA0002961451970000024
表示数据发送节点发送数据信号，
Figure FDA0002961451970000025
表示数据发送节点不发送数据信号；Csum表示MIMO信道最大容量；qi为数据发送节点在某一时刻发送信号的协方差；t用于表示数据信号的时间段，取值范围为1～L；i为下标变量，取值范围为1至k的正整数；NH为N的逆矩阵，使得所述k个数据发送节点根据所述
Figure FDA0002961451970000026
的组合向数据接收节点发送数据信号。
5.根据权利要求4所述的水下数据传输装置，其特征在于，所述接收单元用于将所述
Figure FDA0002961451970000027
的组合放入CTS中回复给所述k个数据发送节点。
6.根据权利要求4所述的水下数据传输装置，其特征在于，还包括：
调整单元，用于根据信号传输信道的状态变化，动态调整编码长度，得到最大化的MAC层净负荷。
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