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

背景技術(shù)：

1、無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種由多個具備無線收發(fā)功能的節(jié)點利用無線通信技術(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)點通過自組織和自適應(yīng)的機制來形成和維護多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，而無需中央化的管理。與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有一些突出的特點，如無中心、自組織、多跳、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲、臨時性等，這些特點使其突破了傳統(tǒng)無線蜂窩網(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)急救援等緊急場合的通信需要。

2、無線自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般采用傳感器、無人器等，計算能力弱，使用時間短，通信資源如碼字、頻段、信道等都是有限的，無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，由于競爭共享無線信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰落、噪聲干擾及信道間干擾等因素使得其實際帶寬遠遠小于理論值。由于這些因素的存在，無線自組網(wǎng)中需要用有限的資源進行復雜的編解碼、信道估計和信道均衡等操作，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計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行可靠傳輸是無線自組網(wǎng)亟待解決的問題。

3、無線自組織網(wǎng)絡(luò)由于其在實際應(yīng)用中的重要性，備受研究者關(guān)注。無線自組織網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)有很大不同，需要為其設(shè)計專門的技術(shù)來提供通信保障。國內(nèi)外學者對如何提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)中無線傳輸?shù)挠行院涂煽啃宰隽嗽S多改進的研究。

4、盧玲等作者在其發(fā)表的文獻“一種基于分簇的新型組播網(wǎng)絡(luò)”中針對阻繼網(wǎng)絡(luò)需要多次構(gòu)建有效路由，開銷和延遲大，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率不高的問題，將分簇算法引入到阻繼網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種基于節(jié)點分簇的brn傳輸機制，c-brn。該傳輸機制將傳統(tǒng)manet中的完全依賴拓撲變化信息的路由算法和brn中不依賴于拓撲信息變化的特點進行融合，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)分層化，重復多次使用簇首之間建立的cbr傳遞信息，有效避免了單純brn傳輸機制中cbr的重構(gòu)帶來的延遲和開銷，提高了網(wǎng)絡(luò)的路由效率，但是每個節(jié)點在物理層需要進行大量的編解碼、信道估計和均衡操作，對計算資源需求大，在無線自組織網(wǎng)絡(luò)資源受限時，無法提高信息傳輸效率。

5、黃辰等作者在其發(fā)表的文獻“基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無線自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)機制”中認為無線自組織網(wǎng)絡(luò)中移動臺能量有限，需要減少中間節(jié)點之間的數(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)機制crnc，其通過網(wǎng)絡(luò)編碼將信源信息揉合在一起，減少信宿對單份數(shù)據(jù)的依賴，降低對中間節(jié)點的緩存要求。該機制同基于泛洪的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)機制相比，在大幅度減少傳輸次數(shù)的同時，只增加了少量時延，但卻增加了接收節(jié)點的計算復雜度，對單個節(jié)點的計算能力提出了挑戰(zhàn)，在單個節(jié)點計算能力不足時，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)計與實現(xiàn)”中針對移動移動自組織網(wǎng)絡(luò)丟包率高的問題，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)送兩個階段進行發(fā)送，原始分組發(fā)送階段僅發(fā)送原始分組，無需編譯碼，接收端接收原始分組后反饋譯出的原始分組序號；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銷。但是該方案無法避免噴泉碼傳輸時延大，對實時性需求不敏感，在傳輸時隙緊張時會降低信息傳輸速率，并且要求接收節(jié)點具備較高的計算能力，增加了節(jié)點部署難度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

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

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是：使用通用軟件無線電外設(shè)平臺usrp搭建基于空中計算的擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化傳輸平臺，通過訓練符號的前向傳輸和誤差梯度的反向傳播兩個過程來訓練擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理權(quán)重參數(shù)，使其適配未知信道特性，以在單個節(jié)點無需復雜編解碼操作、無需進行信道估計和信道均衡操作、只需進行簡單的線性計算的前提下，進行信息可靠傳輸。通過空中計算技術(shù)將無線自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的信號融合轉(zhuǎn)移至無線傳輸過程中執(zhí)行，以減輕節(jié)點的計算壓力，減少節(jié)點信息融合步驟，提高信息傳輸速率，降低無線自組織網(wǎng)絡(luò)端到端信號傳輸過程中資源開銷和誤碼率。

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)使用通用軟件無線電外設(shè)usrp及上位機搭建一個包括源節(jié)點s、n個中繼節(jié)點r、目的節(jié)點d的空中計算擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化傳輸平臺，并通過時鐘同步器同步各個usrp的時間；

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

6、2a)建立包括源信號處理子模塊、中繼信號處理子模塊、目的信號處理子模塊、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，用于對信號進行調(diào)控和對處理權(quán)重參數(shù)進行更新；

7、2b)建立包括空中疊加預處理子模塊和空中疊加后處理子模塊的空中計算模塊，用于將多路信號進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)定時間對信號進行發(fā)送和接收；

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

10、(4)初始化各節(jié)點的擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括源節(jié)點處理權(quán)重參數(shù)u、第i個中繼節(jié)點處理權(quán)重參數(shù)vi、目的節(jié)點處理權(quán)重參數(shù)w、學習率lr、誤差閾值λ、訓練輪次e＝0，并在同一時間初始化usrp時間戳為0，設(shè)置時隙長度t，隨機數(shù)生成器種子seed,i＝1,…,n；

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

12、(5a)對源節(jié)點生成的訓練符號p進行處理，得到源節(jié)點的基帶信號y并發(fā)送；

13、(5b)第i個中繼節(jié)點接收經(jīng)過無線信道的源節(jié)點基帶信號y，得到中繼信號ri并進行處理，得到中繼節(jié)點的基帶信號ci并發(fā)送；

14、(5c)目的節(jié)點接收經(jīng)過無線信道疊加的中繼節(jié)點基帶信號ci，得到融合信號d，并對其進行處理得到預測符號x；

15、(5d)計算預測符號x與訓練符號p之間的誤差j，將其廣播至源節(jié)點和中繼節(jié)點，并將誤差信號j與設(shè)定的誤差閾值λ進行比較：

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)點處理權(quán)重參數(shù)w，計算并發(fā)送目的信號z的誤差梯度

19、(5f)第i個中繼節(jié)點接收目的信號誤差梯度，得到目的梯度信號利用目的梯度信號更新第i個中繼節(jié)點處理權(quán)重參數(shù)vi，并將中繼信號ri的誤差梯度進行發(fā)送；

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

21、(6)源節(jié)點、中繼節(jié)點、目的節(jié)點停止反向傳播過程；

22、(7)根據(jù)當前各節(jié)點的處理權(quán)重參數(shù)，源節(jié)點對待傳信息進行發(fā)送，中繼節(jié)點接收并轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點，目的節(jié)點接收并恢復待傳信息。

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

24、其一，本發(fā)明由于通過在中繼協(xié)同通信的無線自組網(wǎng)中搭建擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只利用各個節(jié)點的處理權(quán)重參數(shù)對信號進行調(diào)控，并進行非線性處理便可進行信號傳輸，節(jié)點不需要進行復雜的編解碼、信道估計操作，因此對節(jié)點的計算能力要求低，能夠降低資源開銷。

25、其二，本發(fā)明由于引入空中計算，將擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中多路信號進行融合的位置從接收端轉(zhuǎn)移至空中信道，因此能夠進一步減輕節(jié)點運算壓力，降低節(jié)點對計算資源的依賴，并且省去了接收端進行信號融合的時間，提高了信息傳輸速率。

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