分布式水声网络多址接入方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及网络传输领域，具体涉及一种分布式水声网络多址接入方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

对海洋环境的持续探索需要水下传感器网络来支持，水声通信目前是能够在水下进行长距离传输的主要方式。分布式水声网络是一种将所有节点均直接相连的水声通信网络，其优点是不需要路由选择，适用于小型数据交互网络，但网络节点在数据传输时会对其他节点产生干扰，影响其他节点的接收，降低网络传输效率。

干扰是指在网络节点位置处同一时刻收到多个不具有明显区分度（相同频段、相同编码方式）的水声信号，导致当前网络节点无法正常解码信息。水声MAC（Media AccessControl，媒体访问控制）协议用于抑制干扰，常用的协议包括时分多址、码分多址、频分多址。

时分多址、码分多址、频分多址等传输方式需要根据网络节点提前设计，且在运行过程中难以改变，导致网络自主性较差。进一步的，时分多址方式需要网络节点高精度时钟同步，从而增加网络复杂度，难以实施；而网络频段和编码资源较少，导致码分多址和频分多址方式仅支持较少数量的节点同时传输，信道利用率不高，网络传输效率仍有待提升。

发明内容

本申请提供一种分布式水声网络多址接入方法、装置、设备及存储介质，能够有效提升水声分布式网络的信道利用率和传输效率。

第一方面，本申请实施例提供一种分布式水声网络多址接入方法，所述分布式水声网络多址接入方法包括：

基于各网络节点间的距离和传播损失，建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表，根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分；

建立网络传输状态表，并根据各网络节点监听周围信道状态得到的分频分码网络信号，更新网络传输状态表；

根据网络传输状态表和网络链路传播损失表，待当前网络节点需进行数据传输时，结合设定约束建立网络信道资源分配模型，并根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，实现数据传输。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述基于各网络节点间的距离和传播损失，建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表，根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分，具体为：

根据工作区域设定网络节点的位置，实现工作区域分布式水声网络的布设，并计算得到各网络节点间的距离和传播损失；

根据计算得到的网络节点间的距离和传播损失，建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表；

根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分，形成多个子频段和子编码，以用于传输不同网络节点的数据信号。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述建立网络传输状态表，并根据各网络节点监听周围信道状态得到的分频分码网络信号，更新网络传输状态表，具体为：

建立网络传输状态表，且各网络节点实时监听周围的信道状态；

判断当前网络节点是否能够接收到分频分码网络信号：

若否，则当前网络节点继续进行周围信道状态的监听；

若是，则提取分频分码网络信号中的传输信息和分频分码信息，并根据提取的传输信息更新网络传输状态表。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据网络传输状态表和网络链路传播损失表，待当前网络节点需进行数据传输时，结合设定约束建立网络信道资源分配模型，并根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，实现数据传输，具体为：

当当前网络节点需进行数据传输时，结合网络链路传播损失表和更新后的网络传输状态表，以最小发射功率为目标，当前网络节点数据传输成功且不影响其它网络节点的链路传输状态为约束，建立网络信道资源分配模型；

根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，实现数据传输。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，具体为：

根据预设时频码联合搜索算法进行最优信道资源分配方案确定，并判断是否能够确定最优信道资源分配方案：

若否，则表明当前信道频分和码分均无法支持当前数据的传输，则分析网络传输状态表，并待网络中存在链路传输完成后，更新网络传输状态表，删除已传输完成的链路，再次结合网络链路传播损失表和更新后的网络传输状态表，以最小发射功率为目标，当前网络节点数据传输成功且不影响其它网络节点的链路传输状态为约束，建立网络信道资源分配模型，根据预设时频码联合搜索算法进行最优信道资源分配方案确定，依此类推，直至能够确定最优信道资源分配方案；

若是，则当前网络节点根据确定的最优信道资源分配方案，更新网络传输状态表，并以最优信道资源分配方案中的最优频率和编码方式实现数据的传输。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据预设时频码联合搜索算法进行最优信道资源分配方案确定，具体为：

进行时频码资源优化分析，对频段和编码资源进行划分，计算得到当前信号分频和分码方式下的声源级；

判断当前信号分频和分码方式是否会对已有链路传输产生影响，若是，则表明当前信号分频和分码方式不可行，计算失败，若否，则表明当前信号分频和分码方式可行，计算成功；

待所有信号分频和分码方式均计算完成后，判断所有的信号分频和分码方式是否均计算失败：

若是，则表明未能够确定最优信道资源分配方案；

若否，则表明能够确定最优信道资源分配方案。

结合第一方面，在一种实施方式中，当能够确定最优信道资源分配方案时：

分析得到所有计算成功的信号分频和分码方式对应的声源级的最小值，将声源级最小值最小的信号分频和分码方式，作为最优信道资源分配方案。

第二方面，本申请实施例提供一种分布式水声网络多址接入装置，所述分布式水声网络多址接入装置包括：

创建模块，其用于基于各网络节点间的距离和传播损失，建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表，根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分；

更新模块，其用于建立网络传输状态表，并根据各网络节点监听周围信道状态得到的分频分码网络信号，更新网络传输状态表；

执行模块，其用于根据网络传输状态表和网络链路传播损失表，待当前网络节点需进行数据传输时，结合设定约束建立网络信道资源分配模型，并根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，实现数据传输。

第三方面，本申请实施例提供一种分布式水声网络多址接入设备，所述分布式水声网络多址接入设备包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的分布式水声网络多址接入程序，其中所述分布式水声网络多址接入程序被所述处理器执行时，实现上述所述的分布式水声网络多址接入方法的步骤。

第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有分布式水声网络多址接入程序，其中所述分布式水声网络多址接入程序被处理器执行时，实现上述所述的分布式水声网络多址接入方法的步骤。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：

网络节点实时感知网络信道状态，并据此建立水声网络的网络信道资源分配模型，利用时频码联合搜索算法将信道对应的时频码资源进行实时优化，自主实现多条链路在网络内的同时传输，且互不影响，有效提升水声分布式网络的信道利用率和传输效率。

附图说明

图1为本申请分布式水声网络多址接入方法的流程示意图；

图2为实例中分布式水声网络的网络拓扑图；

图3为根据BELLHOP模型计算的传播损失结果图；

图4为本申请分布式水声网络多址接入装置的功能模块示意图；

图5为本申请分布式水声网络多址接入设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本申请实施例提供一种分布式水声网络多址接入方法。

一实施例中，参照图1，图1为本申请分布式水声网络多址接入方法的流程示意图。如图1所示，分布式水声网络多址接入方法包括：

S1：基于各网络节点间的距离和传播损失，建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表，根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分；

进一步的，一实施例中，基于各网络节点间的距离和传播损失，建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表，根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分，具体为：

S101：根据工作区域设定网络节点的位置，实现工作区域分布式水声网络的布设，并计算得到各网络节点间的距离和传播损失；

即根据水下工作区域的大小以及环境状态，进行各网络节点位置的确定，实现工作区域分布式水声网络的布设，并当分布式水声网络布设完成后，进行各网络节点间距离的计算，以及各网络节点间数据信号传播损失的计算。

S102：根据计算得到的网络节点间的距离和传播损失，建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表；网络链路传播损失表用以表示分布式水声网络中，任意两网络节点间的数据信号传输损失；网络链路传播时延表用以表示分布式水声网络中，任意两网络节点间的数据信号传输时延。

S103：根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分，形成多个子频段和子编码，以用于传输不同网络节点的数据信号。即根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分，形成多个子频段、子编码方式，用于传输不同网络节点的数据信号。

S2：建立网络传输状态表，并根据各网络节点监听周围信道状态得到的分频分码网络信号，更新网络传输状态表；网络传输状态表用于表明传输链路中，源网络节点和目的网络节点间的发射声源级、传播损失、分频分码方式、传输结束时间。

进一步的，一实施例中，建立网络传输状态表，并根据各网络节点监听周围信道状态得到的分频分码网络信号，更新网络传输状态表，具体为：

S201：建立网络传输状态表，且各网络节点实时监听周围的信道状态；

S202：判断当前网络节点是否能够接收到分频分码网络信号：

若否，则当前网络节点继续进行周围信道状态的监听；

若是，则提取分频分码网络信号中的传输信息和分频分码信息，并根据提取的传输信息更新网络传输状态表。传输信息包括源网络节点、目的网络节点、 发射声源级和传输结束时间。

例如，对于网络节点k，其实时监听周围的信道状态，然后判断自身能否接收到分频分码网络信号，如果未接收到分频分码网络信号，则继续进行信道状态的监听；如果能接收到分频分码网络信号，则提取分频分码网络信号中的传输信息，并根据提取的传输信息更新网络传输状态表。

S3：根据网络传输状态表和网络链路传播损失表，待当前网络节点需进行数据传输时，结合设定约束建立网络信道资源分配模型，并根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，实现数据传输。需要说明的是，在进行数据传输时，将源网络节点、目的网络节点、 发射声源级和传输结束时间作为传输信息写入网络信号中。

进一步的，一实施例中，根据网络传输状态表和网络链路传播损失表，待当前网络节点需进行数据传输时，结合设定约束建立网络信道资源分配模型，并根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，实现数据传输，具体为：

S301：当当前网络节点需进行数据传输时，结合网络链路传播损失表和更新后的网络传输状态表，以最小发射功率为目标，当前网络节点数据传输成功且不影响其它网络节点的链路传输状态为约束，建立网络信道资源分配模型；网络信道资源分配模型用于实现网络信道资源的分配操作。

S302：根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，实现数据传输。

例如，对于网络节点k，当其存在数据需要传输时，结合当前的网络传输状态表和网络链路传播损失表，以最小发射功率为目标，自身数据传输成功且不影响其它网络节点的链路传输状态为约束，建立网络信道资源分配模型，然后由预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案。

需要说明的是，根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，具体为：

根据预设时频码联合搜索算法进行最优信道资源分配方案确定，并判断是否能够确定最优信道资源分配方案：

若否，则表明当前信道频分和码分均无法支持当前数据的传输，需采用时分方案，则分析网络传输状态表，并待网络中存在链路传输完成后（即进行等待操作，直至分布式水声网络中有链路进行数据传输并传输完成），更新网络传输状态表，删除已传输完成的链路，再次结合网络链路传播损失表和更新后的网络传输状态表，以最小发射功率为目标，当前网络节点数据传输成功且不影响其它网络节点的链路传输状态为约束，建立网络信道资源分配模型，根据预设时频码联合搜索算法进行最优信道资源分配方案确定，依此类推，直至能够确定最优信道资源分配方案；

若是，则当前网络节点根据确定的最优信道资源分配方案，更新网络传输状态表，并以最优信道资源分配方案中的最优频率和编码方式实现数据的传输。

进一步的，在一实施例中，根据预设时频码联合搜索算法进行最优信道资源分配方案确定，具体为：

a：进行时频码资源优化分析，对频段和编码资源进行划分，计算得到当前信号分频和分码方式下的声源级；即对频段和编码资源进行划分，得到多种频段和多种编码方式，然后将得到的频段和编码方式进行组合，依次选取一组合作为当前信号分频和分码方式。

b：判断当前信号分频和分码方式是否会对已有链路传输产生影响，若是，则表明当前信号分频和分码方式不可行，计算失败，若否，则表明当前信号分频和分码方式可行，计算成功；

c：待所有信号分频和分码方式均计算完成后，判断所有的信号分频和分码方式是否均计算失败：

若是，则表明未能够确定最优信道资源分配方案；

若否，则表明能够确定最优信道资源分配方案。

例如，组合得到的信号分频和分码方式包括4种，则依次判断各信号分频和分码方式是否会对已有链路传输产生影响，得到各信号分频和分码方式的计算结果，然后待4种信号分频和分码方式均计算完成后，判断4种信号分频和分码方式是否均计算失败，以此得到最优信道资源分配方案的是否能够确定结果。

进一步的，当能够确定最优信道资源分配方案时：分析得到所有计算成功的信号分频和分码方式对应的声源级的最小值，将声源级最小值最小的信号分频和分码方式，作为最优信道资源分配方案。

以下结合一实例对本申请的分布式水声网络多址接入方法进行具体说明。

参见图2所示，为布设得到的分布式水声网络的网络拓扑图，其为由7个网络节点（图2中每个数字均表示一网络节点）组成的正六边形分布式网络，六边形边长为3km，网络节点工作深度为20m，仿真的水文条件为等声速环境，具体声速值为1510m/s，海深50m，工作频段对应的背景噪声为110dB。网络节点通信信号的可解码信噪比为6dB，工作频带为4 kHz-8kHz。

根据BELLHOP模型（一种用于描述声波在水下传播的模型）计算传播损失，结果如图3所示。建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表，其中，网络链路传播损失表如下表1所示，网络链路传播时延表如下表2所示，表1和表2中的节点即指网络节点，表1中数值的单位为dB，表2中数值的单位为s。

对于频段和编码资源划分，具体划分为两个频段

网络节点3监听信道状态，监听到网络中存在3条传输链路，分别是

在当前时间为15s时，网络节点3需要向网络节点7传输数据，数据长度为8s，网络节点3将自身需要发送的信息作为第

其中，

根据预设时频码联合搜索算法分析得到第4条链路的待求信息。例如，对于

对于

对于

所有的四种可能信号形式下，只有

本申请实施例的分布式水声网络多址接入方法，网络节点实时感知网络信道状态，并据此建立水声网络的网络信道资源分配模型，利用时频码联合搜索算法将信道对应的时频码资源进行实时优化，自主实现多条链路在网络内的同时传输，且互不影响，有效提升水声分布式网络的信道利用率和传输效率。

第二方面，本申请实施例还提供一种分布式水声网络多址接入装置。

一实施例中，参照图4，图4为本申请分布式水声网络多址接入装置的功能模块示意图。如图4所示，分布式水声网络多址接入装置包括创建模块、更新模块和执行模块。

创建模块用于基于各网络节点间的距离和传播损失，建立网络链路传播时延表和网络链路传播损失表，根据网络节点的工作频段和通信方式，对信道资源进行划分；更新模块用于建立网络传输状态表，并根据各网络节点监听周围信道状态得到的分频分码网络信号，更新网络传输状态表；执行模块用于根据网络传输状态表和网络链路传播损失表，待当前网络节点需进行数据传输时，结合设定约束建立网络信道资源分配模型，并根据预设时频码联合搜索算法得到最优信道资源分配方案，实现数据传输。

其中，上述分布式水声网络多址接入装置中各个模块的功能实现与上述分布式水声网络多址接入方法实施例中各步骤相对应，其功能和实现过程在此处不再一一赘述。

第三方面，本申请实施例提供一种分布式水声网络多址接入设备，分布式水声网络多址接入设备可以是个人计算机（personal computer，PC）、笔记本电脑、服务器等具有数据处理功能的设备。

参照图5，图5为本申请实施例方案中涉及的分布式水声网络多址接入设备的硬件结构示意图。本申请实施例中，分布式水声网络多址接入设备可以包括处理器、存储器、通信接口以及通信总线。

其中，通信总线可以是任何类型的，用于实现处理器、存储器以及通信接口互连。

通信接口包括输入/输出（input/output，I/O）接口、物理接口和逻辑接口等用于实现分布式水声网络多址接入设备内部的器件互连的接口，以及用于实现分布式水声网络多址接入设备与其他设备（例如其他计算设备或用户设备）互连的接口。物理接口可以是以太网接口、光纤接口、ATM接口等；用户设备可以是显示屏（Display）、键盘（Keyboard）等。

存储器可以是各种类型的存储介质，例如随机存取存储器 （randomaccessmemory，RAM）、只读存储器（read-only memory，ROM）、非易失性RAM（non-volatileRAM，NVRAM）、闪存、光存储器、硬盘、可编程ROM（programmable ROM，PROM）、可擦除PROM（erasable PROM，EPROM）、电可擦除PROM（electrically erasable PROM，EEPROM）等。

处理器可以是通用处理器，通用处理器可以调用存储器中存储的分布式水声网络多址接入程序，并执行本申请实施例提供的分布式水声网络多址接入方法。例如，通用处理器可以是中央处理器（central processing unit，CPU）。其中，分布式水声网络多址接入程序被调用时所执行的方法可参照本申请分布式水声网络多址接入方法的各个实施例，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，图5中示出的硬件结构并不构成对本申请的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

第四方面，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质。

本申请计算机可读存储介质上存储有分布式水声网络多址接入程序，其中所述分布式水声网络多址接入程序被处理器执行时，实现如上述的分布式水声网络多址接入方法的步骤。

其中，分布式水声网络多址接入程序被执行时所实现的方法可参照本申请分布式水声网络多址接入方法的各个实施例，此处不再赘述。

需要说明的是，上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“第一”、“第二”和“第三”等描述，是用于区分不同的对象等，其不代表先后顺序，也不限定“第一”、“第二”和“第三”是不同的类型。

在本申请实施例的描述中，“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

在本申请实施例描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作或步骤，但是应该理解，这些操作或步骤可以不按照其在本申请实施例中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号仅用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作或步骤可以按顺序执行或并行执行，并且这些操作或步骤可以进行组合。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备执行本申请各个实施例所述的方法。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。