[发明专利]一种提升水声通信链路平均吞吐量的方法

说明书

一种提升水声通信链路平均吞吐量的方法,涉及水声通信网络优化。首先，将水声通信网络中的某一单链路看成独立的Agent，以及该链路上所有可能的传输频率和传输速率组合看成arm，将此二维图建立成具有单峰特性的无向图G；接着，将该链路平均吞吐量最大化问题建模成具有随机性质的MAB问题；然后，利用改进的UTS算法对其进行求解，得到该链路上最佳的传输频率和传输速率组合；最后，该链路保持该设置直到下一次更新时刻为止。考虑了具有二维单峰结构的水声通信目标函数，有效利用了水声通信信道的特性，并大大减少了每个时隙探索的arm空间；且运用了随机打破限制操作，不依赖于问题的条件。大大提高了网络平均吞吐量。

技术领域

本发明涉及水声通信网络优化，尤其是涉及基于汤普森采样算法，并利用单峰性质来选择链路最佳传输频率和传输速率的一种提升水声通信链路平均吞吐量的方法。

背景技术

近年来，水声通信技术在环境监测、矿产开发、海洋生态系统调查等领域得到了广泛应用，并越来越受到人们的重视。然而，与无线电波通信相比，水声通信面临着复杂水下环境、传播时延长和频率依赖性衰减等挑战。在已有方法中，水声通信的问题大都可以归结为通过数学建模，优化求解得到最优的传输参数，如速率选择、频率选择、中继配置等问题。然而，水声环境时刻变化，信道模型也随之变化，基于传统的优化方法和线下算法已经无法满足当前需要。因此，水声通信中的关键问题之一是如何在没有信道模型信息的情况下使得网络的实时性能最佳。

针对点对点水声通信网络，本发明拟通过调节各链路上的传输频率和传输速率，来有效提高该链路的平均吞吐量。选择调节传输频率和传输速率的原因是：一方面，在固定传输距离的前提下，存在一个最优传输频率使得该链路的接收信噪比(SNR)最大；另一方面，在固定信噪比的前提下，调节传输速率，会改变信道传输的成功率，从而改变该链路的吞吐量。由此可以看出，在传输中，改变传输频率和传输速率并非两个独立的时间，传输频率和传输速率共同决定传输成功的概率。目前现有技术大多只考虑一个方面，并且多为线下的分析统计方式，依赖于水声信道模型，应用到实际水声信道中缺乏合理性和鲁棒性，存在用时过长和无法实时更新等问题。为解决以上问题，有些文献采用机器学习的方法来为单链路寻找最佳的传输频率和传输速率组合，从而提高网络吞吐量。

多臂老虎机算法MAB是一种序贯决策问题，也是一种最基本的强化学习方法，即在给定一个有限资源集合的情况下，用户Agent需要在最短的时隙内找到最佳的选项，从而使其长期奖励最大化。其特点是Agent在每个时隙都需要进行利用(Exploitation)和探索(Exploration)的权衡。常见的MAB问题可以分成三类：随机性MAB，对抗性MAB和马尔科夫MAB。本发明考虑具有随机性的MAB问题，其中Agent(即水声通信中某一单链路)的目标是寻找最优的arm(即关于传输频率和传输速率的组合)来最大化其自身的奖励。为解决该问题，本发明提出了一种基于汤普森采样算法和文献(S.Paladino,F.trovò,M.Restelli,andN.Gatti,“Unimodal Thompson sampling for graph structured arms,”arXiv preprintarXiv:1611.05724v2,Nov.2016.)的改进算法，即UTS(Unimodal Thompson Sampling)算法。与传统的汤普森采样算法(Yan Liang,“Low-Complexity Semidefinite RelaxationDetector for OFDM Systems in Fast Time-Varying Wireless Channels,”SpringerNew York,2012.)相比，它具有以下特征。第一，改进的UTS算法考虑具有二维单峰特性的水声通信目标函数，并与跟随leader算法相结合，大大减少了每个时隙需要遍历的臂的数目，从而减少运行时间和存储空间。第二，改进的UTS算法加入了随机打破限制(ties brokenarbitrarily)操作，可以保证算法的收敛性、且不受信道初始参数的影响。

发明内容