CN109005011A - 一种用于水声网络的数据传输方法、***及可读存储介质 - Google Patents

一种用于水声网络的数据传输方法、***及可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于水声网络的数据传输方法、***及可读存储介质，该数据传输方法包括：获取编码包在数据传输过程中的数据传输失败率和数据延迟时间；得到数据传输失败率满足第一预设条件，且数据延迟时间满足第二预设条件时被传输的数据块的大小；根据数据块的大小获取相应数量的数据包基于喷泉码进行数据传输；每个数据包的大小均为预设值。本发明实施例通过获取数据传输过程中的数据传输失败率和数据延迟时间，根据数据传输失败率和数据延迟时间得到更优情况下的被传输的数据块的大小，后续进行数据传输时，根据该数据块的大小获取数据包进行编码后并传输，以达到较高的端到端交付率，从而降低了端到端的延迟且更节能。

Description

一种用于水声网络的数据传输方法、***及可读存储介质
技术领域
本发明涉及水声通信网络技术领域，尤其涉及一种用于水声网络的数据传输方法、***及可读存储介质。
背景技术
水下声学网络的特征在于传播延迟长、信道易出错和可用带宽低。此外，目前的水声调制解调器是半双工的，发送和接收之间的状态转换延迟比较显著，从几百毫秒到几秒。这些特征使得陆地上的可靠数据传输的常规方法在水下网络中变得不再可靠。首先，端到端的数据传输方法是很低效的，因为任何一跳的传输故障都将导致从源节点到汇聚节点的重传，这显著增加了平均的端到端延迟。其次，由于采用逐跳方式进行数据传输，数据传播和节点状态转换的延迟较大，所以一次重传可能会严重降低整体***的性能。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的至少一个实施例提供了一种用于水声网络的数据传输方法、***及可读存储介质。
第一方面，本发明实施例提供了一种用于水声网络的数据传输方法，该数据传输方法包括：
获取编码包在数据传输过程中的数据传输失败率和数据延迟时间；
得到所述数据传输失败率满足第一预设条件，且所述数据延迟时间满足第二预设条件时被传输的数据块的大小；
根据所述数据块的大小获取相应数量的数据包基于喷泉码进行数据传输；每个所述数据包的大小均为预设值。
基于上述技术方案，本发明实施例还可以做出如下改进。
结合第一方面，在第一方面的第一种实施例中，
基于喷泉码对一定数量的数据包组成的数据块进行编码得到预设数量的编码包，对所述编码包进行传输，所述获取编码包在传输过程中的数据传输失败率，具体包括：
其中，P为所述数据传输失败率，mi为所述数据包的数量，M为基于所述喷泉码对所述数据块进行编码得到的编码包个数，pi e为第i个节点到第i+1个节点之间的误包率，k为编码包传输成功的个数。
结合第一方面的第一种实施例，在第一方面的第二种实施例中，所述数据延迟时间包括：理论传输延迟和理论排队延迟。
结合第一方面的第二种实施例，在第一方面的第三种实施例中，所述理论传输延迟的计算方法包括：
根据所述数据传输失败率计算所述理论传输延迟：
其中，di为第i个节点到第i+1个节点之间所述理论传输延迟，ti为第i个节点到第i+1个节点之间传输成功的平均传输时间，P为所述数据传输失败率。
结合第一方面的第二种实施例，在第一方面的第四种实施例中，所述理论排队延迟的计算方法包括：
根据所述理论传输延迟计算所述数据传输过程中的单位时间的编码包发送个数：
其中，μi为第i个节点到第i+1个节点之间单位时间的编码包发送个数，为第i个节点处于发送状态的概率，为第i+1个节点处于接收状态的概率，ti为第i个节点到第i+1个节点之间传输成功的平均传输时间，P为所述数据传输失败率；
根据数据包的数量设定任一节点处于接收状态的概率：
其中，为第i个节点处于发送状态的概率，为第i个节点处于接收状态的概率，e为自然常数，mi为所述数据包的数量，M为基于所述喷泉码对所述数据块进行编码得到的编码包个数；
根据所述单位时间的编码包发送个数计算编码包在数据传输过程中的理论排队延迟：
其中，qi为编码包在第i个节点的理论排队延迟，λ为编码包的排队延迟符合泊松分布的参数，μi为第i个节点到第i+1个节点之间单位时间的编码包发送个数，mi为所述数据包的数量；
计算所述数据延迟时间：
τi＝qi+di；
τi为所述编码包在第i个节点的所述数据延迟时间。
结合第一方面或第一方面的第一、第二、第三或第四种实施例中任意一种实施例，在第一方面的第五种实施例中，根据所述数据块的大小获取相应数量的数据包基于喷泉码进行数据传输，具体包括：
根据所述数据块的大小获取相应数量的数据包；
将所有所述数据包组成数据块；
基于喷泉码将所述数据块编码成预设个数的编码包，将所述编码包发送到接收端。
结合第一方面的第五种实施例，在第一方面的第六种实施例中，得到所述数据传输失败率满足第一预设条件，且所述数据延迟时间满足第二预设条件时被传输的数据块的大小，具体包括：
将所述数据传输失败率小于预设阈值，且所述数据延迟时间为最小值作为约束条件，计算得到所述数据包的数量；
将所述数据包的数量作为被传输的数据块的大小。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于水声网络的数据传输***，所述装置包括：存储器、处理器和至少一个被存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被配置为用于执行第一方面中任一实施例所述的数据传输方法。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现第一方面中任一实施例所述的数据传输方法。
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明实施例通过获取数据传输过程中的数据传输失败率和数据延迟时间，根据数据传输失败率和数据延迟时间得到更优情况下的被传输的数据块的大小，后续进行数据传输时，根据该数据块的大小获取相应数量的数据包，然后进行编码并传输，以达到较高的端到端交付率，从而降低了端到端的延迟且更节能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于水声网络的数据传输方法流程示意图；
图2是本发明另一实施例提供的一种用于水声网络的数据传输方法流程示意图；
图3是本发明又一实施例提供的一种用于水声网络的数据传输方法流程示意图；
图4是本发明又一实施例提供的一种用于水声网络的数据传输***结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
如图1所示，本发明实施例提供的一种用于水声网络的数据传输方法，该数据传输方法包括：
S11、获取编码包在数据传输过程中的数据传输失败率和数据延迟时间。
在本实施例中，在数据传输过程中，数据包在不同节点间的误包率由信道质量决定，在水声网络中，由于水下环境中数据传输的误包率比陆地上的数据传输误包率更大，所以在水声网络中进行数据传输较为常用的方式是采用喷泉码进行数据传输，而通过喷泉码进行数据传输时，比如，基于喷泉码对一定数量的数据包组成的数据块进行编码得到预设数量的编码包，对编码包进行传输，获取编码包在数据传输过程中的数据传输失败率，具体包括：
其中，P为数据传输失败率，mi为数据包的数量，M为基于喷泉码对所述数据块进行编码得到的编码包个数，为第i个节点到第i+1个节点之间的误包率，k为编码包传输成功的个数。
在本实施例中，当编码包发送成功的个数大于或等于预设个数时，基于喷泉码的原理，即可得到原始数据包，所以原始数据包发送失败的概率为编码包发送成功的个数小于预设个数时的所有情况下的概率和值。
在本实施例中，在水声网络中，由于编码包在各个节点之间的传输过程是遵循先进先出的队列原则来进行数据传输，所以编码包的传输过程中的排队延迟是不能忽略的数值，还有一项就是数据传输延迟，即数据包在信道中的传输延迟，而且传输延迟还需要传输失败的概率，这样就可以通过传输失败的概率来得到真实的传输延迟，即当信道的情况不变，则传输延迟是一恒定值，此时将传输延迟除以编码包发送的成功率即可得到传输延迟；所以数据传输过程中的数据延迟时间包括：理论排队延迟和理论传输延迟。
其中，理论传输延迟的计算方法包括：
根据数据传输失败率计算理论传输延迟：
其中，di为第i个节点到第i+1个节点之间理论传输延迟，ti为第i个节点到第i+1个节点之间传输成功的平均传输时间，P为数据传输失败率。
其中，如图2所示，理论排队延迟的计算方法包括：
S21、根据理论传输延迟计算数据传输过程中的单位时间的编码包发送个数：
其中，μi为第i个节点到第i+1个节点之间单位时间的编码包发送个数，为第i个节点处于发送状态的概率，为第i+1个节点处于接收状态的概率，ti为第i个节点到第i+1个节点之间传输成功的平均传输时间，P为数据传输失败率。
根据数据包的数量设定任一节点处于接收状态的概率：
其中，为第i个节点处于发送状态的概率，为第i个节点处于接收状态的概率，e为第自然常数，mi为数据包的数量，M为基于喷泉码对所述数据块进行编码得到的编码包个数。
比如，在本实施例中，我们记节点i处于发送状态的概率为则显然是可变的数据块大小mi的一个函数：较小的mi意味着更大的编码率，因此意味着较差的信道条件；为了补偿这一点，如果节点i和节点i+1之间的信道质量较差，则节点i应该被分配较大的发送概率。因此，应该是mi的单调递减函数。为了简化分析，令
S22、根据单位时间的编码包发送个数计算编码包在数据传输过程中的理论排队延迟：
其中，qi为编码包在第i个节点的理论排队延迟，λ为编码包的排队延迟符合泊松分布的参数，μi为第i个节点到第i+1个节点之间单位时间的编码包发送个数，mi为数据包的数量。则整个***可以抽象成一个Jackson网络，因为每一个节点的服务时间大致服从指数分布，所以可以通过。
综上可知：
τi＝qi+di；
τi为编码包在第i个节点的数据延迟时间。
S12、得到数据传输失败率满足第一预设条件，且数据延迟时间满足第二预设条件时被传输的数据块的大小。
在本实施例中，将数据传输失败率小于预设阈值，且数据延迟时间为最小值作为约束条件，计算得到数据包的数量；将数据包的数量作为被传输的数据块的大小，为保证数据传输成功率最高，在本实施例中，由于编码包的数量为固定值，通过调整数据包的大小，就可以调整数据传输的失败率，同时通过上述数据延迟时间的计算公式，找到数据传输失败率小于预设阈值且数据延迟时间最小的情况下的数据包的数量，通过数据包的数量确定被传输的数据块的大小。
S13、根据数据块的大小获取相应数量的数据包基于喷泉码进行数据传输；每个数据包的大小均为预设值。
在节点i上，在从节点i-1接收到分组之后，首先将mi个包组合成一个块，mi被定义为节点i的数据块大小。然后，它用喷泉码将每个块编码成M个编码包，M被定义为编码的数据块大小。为了方便设计，M对于每个节点都是相同的，之后，节点i将M个编码包发送到节点i+1。
在本实施例中，由于水下环境中数据传输的误包率比陆地上的数据传输误包率更大，所以在水声网络中进行数据传输较为常用的方式是采用喷泉码进行数据传输，喷泉码，是指这种编码的发送端随机编码，由k个原始分组生成任意数量的编码分组，源节点在不知道这些数据包是否被成功接收的情况下，持续发送数据包。而接收端只要收到k(1+ε)个编码包的任意子集，即收到一个稍微大于或等于原来k值的N，就可通过译码以高概率成功地恢复全部原始数据包。
如图3所示，根据数据块的大小获取相应数量的数据包基于喷泉码进行数据传输的方法包括：
S31、根据数据块的大小获取相应数量的数据包。
在本实施例中，通过上述实施例计算得到数据块的大小，从待发送的所有数据包中获取与该数据块的大小相应数量的数据包，比如，计算得到的数据块的大小为10MB，每个数据包的大小为1MB，则只需获取10个数据包。
S32、将所有数据包组成数据块。
在每次通过喷泉码进行数据传输时，均将待发送的所有数据包组成数据块，方便进行数据传输。
S33、基于喷泉码将数据块编码成预设个数的编码包，将编码包发送到接收端。
在本实施例中，基于喷泉码的传输和解析方式，将数据块进行编码得到预设数量的编码包，将所有编码包发送到下一节点，如果下一节点可以正确解码原始的mi个数据包，则下一节点将向上一节点发送肯定的ACK。否则，下一节点将向上一节点发送否定ACK，指示未恢复的包数量。基于否定ACK信息，上一节点将向下一节点发送更多编码包，如果下一节点在该重传中接收到的编码包和之前接收到的编码包的数量达到可以恢复所有原始的mi个数据包时，则完成数据传输的过程。其中，ACK即是确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符，表示发来的数据已确认接收无误。
如图4所示，本发明实施例提供了一种用于水声网络的数据传输***，装置包括：存储器、处理器和至少一个被存储在存储器中并被配置为由处理器执行的计算机程序，计算机程序被配置为用于执行上述任一实施例中的数据传输方法。
对上述实施例中的***或装置提供用于记录可以实现上述实施例的功能的软件程序的程序代码的存储介质，并通过***或装置的计算机(或CPU或MPU)读取并执行存储在存储介质中的程序代码。
在这种情况下，从存储介质读出的程序代码本身执行上述实施例的功能，而存储程序代码的存储介质构成本发明实施例。
作为用于提供程序代码的存储介质，例如软盘、硬盘、光盘、磁光盘、CD-ROM、CD-R、磁带、非易失存储卡、ROM、以及类似物都可以使用。
上述实施例的功能不仅可以通过由计算机执行读出的程序代码来实现，而且也可以通过在计算机上运行的OS(操作***)根据程序代码的指令执行的一些或全部的实际处理操作来实现。
此外，本发明实施例还包括这样一种情况，即在从存储介质读出的程序代码被写入被***计算机的功能扩展卡之后，或者被写入和计算机相连的功能扩展单元内提供的存储器之后，在功能扩展卡或功能扩展单元中包括的CPU或类似物按照程序代码的命令执行部分处理或全部处理，从而实现上述实施例的功能。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序可被处理器执行以实现上述任一实施例中的数据传输方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于水声网络的数据传输方法，其特征在于，该数据传输方法包括：
获取编码包在数据传输过程中的数据传输失败率和数据延迟时间；
得到所述数据传输失败率满足第一预设条件，且所述数据延迟时间满足第二预设条件时被传输的数据块的大小；
根据所述数据块的大小获取相应数量的数据包基于喷泉码进行数据传输；每个所述数据包的大小均为预设值。
2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，
基于喷泉码对一定数量的数据包组成的数据块进行编码得到预设数量的编码包，对所述编码包进行传输，获取所述编码包在数据传输过程中的数据传输失败率，具体包括：
其中，P为所述数据传输失败率，mi为所述数据包的数量，M为基于所述喷泉码对所述数据块进行编码得到的编码包个数，为第i个节点到第i+1个节点之间的误包率，k为编码包传输成功的个数。
3.根据权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，所述数据延迟时间包括：理论传输延迟和理论排队延迟。
4.根据权利要求3所述的数据传输方法，其特征在于，所述理论传输延迟的计算方法包括：
根据所述数据传输失败率计算所述理论传输延迟：
其中，di为第i个节点到第i+1个节点之间所述理论传输延迟，ti为第i个节点到第i+1个节点之间传输成功的平均传输时间，P为所述数据传输失败率。
5.根据权利要求3所述的数据传输方法，其特征在于，所述理论排队延迟的计算方法包括：
根据所述理论传输延迟计算所述数据传输过程中的单位时间的编码包发送个数：
其中，μi为第i个节点到第i+1个节点之间单位时间的编码包发送个数，为第i个节点处于发送状态的概率，为第i+1个节点处于接收状态的概率，ti为第i个节点到第i+1个节点之间传输成功的平均传输时间，P为所述数据传输失败率；
根据数据包的数量设定任一节点处于接收状态的概率：
其中，为第i个节点处于发送状态的概率，为第i个节点处于接收状态的概率，e为第自然常数，mi为所述数据包的数量，M为基于所述喷泉码对所述数据块进行编码得到的编码包个数；
根据所述单位时间的编码包发送个数计算编码包在数据传输过程中的理论排队延迟：
其中，qi为编码包在第i个节点的理论排队延迟，λ为编码包的排队延迟符合泊松分布的参数，μi为第i个节点到第i+1个节点之间单位时间的编码包发送个数，mi为所述数据包的数量；
计算所述数据延迟时间：
τi＝qi+di；
τi为所述编码包在第i个节点的所述数据延迟时间。
6.根据权利要求1-5中任一所述的数据传输方法，其特征在于，根据所述数据块的大小获取相应数量的数据包基于喷泉码进行数据传输，具体包括：
根据所述数据块的大小获取相应数量的数据包；
将所有所述数据包组成数据块；
基于喷泉码将所述数据块编码成预设个数的编码包，将所述编码包发送到接收端。
7.根据权利要求6所述的数据传输方法，其特征在于，得到所述数据传输失败率满足第一预设条件，且所述数据延迟时间满足第二预设条件时被传输的数据块的大小，具体包括：
将所述数据传输失败率小于预设阈值，且所述数据延迟时间为最小值作为约束条件，计算得到所述数据包的数量；
将所述数据包的数量作为被传输的数据块的大小。
8.一种用于水声网络的数据传输***，其特征在于，所述装置包括：存储器、处理器和至少一个被存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被配置为用于执行权利要求1至7中任一项所述的数据传输方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如权利要求1至7中任一项所述的数据传输方法。
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CN114268677A (zh) * 2021-12-28 2022-04-01 厦门安胜网络科技有限公司 一种基于弱网络环境下的数据传输方法和***

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