CN101567728A - 一种水声网络的数据传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水声网络的数据传输系统，包括若干个独立的水下节点，每一水下节点与至少另一水下节点对等连接，且包括发射光学天线、接收光学天线、光源、光调制器、光接收机、水声换能器/接收换能器、数字信号处理器，以及设有旋转装置、用于完成光源和光接收机之间对准的定位模块；发射光学天线、光源、光调制器、数字信号处理器依次信号连接，接收光学天线、光接收机、数字信号处理器依次信号连接，数字信号处理器还分别与定位模块、水声换能器/接收换能器信号连接；光源为蓝绿激光源。本发明还涉及水声网络的数据传输方法。本发明降低了数据在传播过程中的碰撞机率，提高了通信链路建立的成功率，节约了网络带宽，提高了网络吞吐量。

Description

一种水声网络的数据传输系统及方法

技术领域

本发明涉及水下通信网络领域，特别涉及一种水声网络的数据传输系统及方法。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，通信已经成为一个陆海空三维一体的需求网络，特别是以海洋为代表的水下通信网络已经成为各国国防、通讯、监视、探测等活动中不可或缺的一部分。

水声信道是一个十分复杂的随机参数多径传输信道，其嘈杂的环境噪声、有限的可用带宽、多普勒频移、大传播延时等诸多不利因素使得实现水下的高数据率低误码率通信十分困难，而在水下无线组网方面，目前还处于初步阶段。

在利用电磁波进行水下通信时，由于海水是无线电的不良导体，即使是使用超低频的通信系统，在海水中的穿透深度也只能达到80米，很难满足数据通信的要求，而且超低频的通信系统天线构造复杂、价格昂贵、数据率低，所以传统的水下无线网络一般采用超声波传输，即水声网络。但超声波在水中的传输速度为1500米/秒，仅仅为电磁波在空气中传播速度的二十万分之，所以水声网络的主要难点之一就是如何解决声信道的长传播延时带来的数据碰撞问题。

在水声网络中利用超声波作为信令载体建立通信链路时，路由算法常常因为数据碰撞无法收敛，所以需要寻求新的信令载体。波长范围在450纳米-550纳米的蓝绿激光在海水中传播时有蓝绿窗口效应，最大穿透深度可达600米，在水中的传播速度为22万公里/秒，传播延时只是超声波的十万分之一，在指定小范围内可以用作信令的新载体，从而解决了超声波传播大延时造成水下网络通信链路建立困难的问题。但是水下环境复杂，有礁石、水草等障碍物阻挡视线时，蓝绿激光无法直接进行视线传输，需要经历水下其他节点中继转发数据，将会占用大量网络带宽。

发明内容

为了解决传统的水声网络在网络通信链路建立过程中，由于超声波信令的大传播延时导致的数据碰撞和通信链路建立成功率低下的问题，本发明的首要目的是提供一种水声网络的数据传输系统，该系统降低了数据在传播过程中的碰撞机率，提高了通信链路建立的成功率，节约了网络带宽，提高了网络吞吐量。

本发明的另一目的是提供一种水声网络的数据传输方法。

本发明采用以下技术方案，实现上述首要目的：一种水声网络的数据传输系统，包括若干个独立的水下节点，每一水下节点与至少另一水下节点对等连接，其特征在于：所述每一水下节点包括发射光学天线、接收光学天线、光源、光调制器、光接收机、水声换能器/接收换能器、数字信号处理器，以及设有旋转装置、用于完成光源和光接收机之间对准的定位模块；其中发射光学天线、光源、光调制器、数字信号处理器依次信号连接，接收光学天线、光接收机、数字信号处理器依次信号连接，数字信号处理器还分别与定位模块、水声换能器/接收换能器信号连接；光源为蓝绿激光源。

本发明所提供的一种水声网络的数据传输方法，其特征在于：所述每一水下节点具有蓝绿激光和超声波两种收发模式；在建立通信链路时，水下节点工作在蓝绿激光收发模式，在传输数据时，通信链路上的水下节点工作在超声波收发模式，且包括以下步骤：步骤1，网络初始化，数字信号处理器记录每一水下节点的坐标位置和IP地址，进行路由计算，建立路由表，设定定位模块的旋转速度和蓝绿激光信标发射持续时间；步骤2，数据发送节点根据水下节点的坐标位置、数据接收节点IP地址及路由表，将请求发送蓝绿激光信标发送给数据接收节点；步骤3，数据接收节点根据水下节点的坐标位置、数据发送节点IP地址及路由表，将允许发送蓝绿激光信标回复给数据发送节点，接着启动接收换能器准备接收超声波数据；步骤4，数据发送节点关闭定位模块，提取蓝绿激光信标中的预计发送计时器字段，等待计时器超时后重新开启定位模块，接着启动水声换能器开始发送数据；步骤5，通过水声换能器/接收换能器，利用超声波在数据发送节点和数据接收节点之间直接传输数据。

作为本发明数据传输方法的一个优选方案，步骤2所述的请求发送蓝绿激光信标，由其他水下节点中继转发给数据接收节点；步骤3所述的允许发送蓝绿激光信标，由其他水下节点中继转发给数据发送节点。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、使用蓝绿激光信标建立通信链路，替代了现有水声网络中利用超声波建立通信链路的方法，利用蓝绿激光在水下传播的高速率避免了超声波信令大传播延时引起的大量数据碰撞，提高了通信链路建立的成功率，提高了网络吞吐量。

2、在蓝绿激光建立通信链路后，基于超声波具有很好的全相性这一特点，利用超声波在数据发送节点和数据接收节点之间直接传输数据，替代了复杂水下环境有障碍物阻挡激光视线时，需要其他水下节点中继转发数据的方法，节约了网络的带宽，进一步提高了网络吞吐量。

3、采用水下自由空间蓝绿激光传输，替代了传统激光网络中使用光纤连接链路的方法，节约了水下组网的成本，提高了水下组网的灵活性和快速性。

4、水下双模网络的升级，如路由算法的改进、节点坐标位置的改变等，可以通过升级数字信号处理器中的软件实现，不需要更换硬件设备，节约了水下网络的升级成本。

附图说明

图1为本发明的水下双模网络拓扑图；

图2为本发明的水下双模网络水下节点装置结构图；

图3为本发明的水下双模网络数据发送流程图；

图4为本发明方法的流程图；

图5为本发明水下节点的工作状态转移图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明系统的拓扑图如图1所示，为一个主要由若干个独立的水下节点组成的多跳网络，该多跳网络支持水下节点数量的增加和减少。其中每一水下节点具有蓝绿激光和超声波两种收发模式，水下节点之间为对等连接关系，相互连接的水下节点之间采用激光链路连接；即在建立通信链路时，水下节点工作在蓝绿激光收发模式，在传输数据时，通信链路上的水下节点工作在超声波收发模式。在图1所示的拓扑图中，共有6个水下节点，而礁石和水草为视线阻碍物；第一水下节点和第二水下节点、第二水下节点和第三水下节点、第二水下节点和第五水下节点、第三水下节点和第四水下节点、第四水下节点和第六水下节点、第五水下节点和第六水下节点之间通过蓝绿激光链路连接，通过超声波传输数据。

图1拓扑图中的每一水下节点，均具有如图2所示的装置结构。如图2所示，水下节点主要由发射光学天线21、接收光学天线24、光源22、光调制器28、光接收机23、数字信号处理器25、定位模块26、水声换能器/接收换能器27构成。其中，发射光学天线21与光源22连接，光源22与光调制器28信号连接，光调制器28与数字信号处理器25信号连接，接收光学天线24与光接收机23信号连接，光接收机23与数字信号处理器25信号连接，数字信号处理器25与定位模块26信号连接，数字信号处理器25与水声换能器/接收换能器27信号连接，定位模块26与光源22和光接收机23机械绑定。

发射光学天线21用于压缩光束发射角，对光束进行准直和扩束。接收光学天线24用于接收微弱光信号并汇聚到探测器表面，增大探测器的有效面积。光源22为蓝绿激光源，用于提供波长为450纳米-550纳米的蓝绿激光。光调制器28用于调制激光信号。光接收机23用于检测激光信号。数字信号处理器25是整个系统的核心，用于进行路由算法分析，提取判断蓝绿激光信标中信标类型、数据发送节点IP地址、数据接收节点IP地址、预计发送时间计时器，控制激光电路、超声波电路和定位模块。定位模块26设有旋转装置，用于完成光源22和光接收机23之间的对准，定位方式为采用机械旋转装置带动光源旋转对准下一跳接收节点和带动光接收机360度匀速旋转检测蓝绿激光信标。水声换能器能用于按规定信号激发产生超声波，接收换能器用于不失真的接收水中的超声波信号。

在本实施例中，图2所示水下节点的硬件装置如下：发射光学天线21、接收光学天线24均选用口径为50毫米，焦距为100毫米的透镜；光源22选用Clontinum公司的Surelite II 20调Q Nd:YAD倍频激光器，工作在532纳米波长时，重复频率10赫兹，脉冲能量200毫焦，脉冲宽度6纳秒；光调制器28选用Gooch & Housege公司的M111-10C-TR7高损伤阈值调制器，工作频段为514纳米-532纳米，射频功率小于5瓦；光接收机23选用高灵敏的PIN检测，为了抑制背景杂散光的干扰，在光信道上使用了光窄带滤波器；数字信号处理器25选用ARM DMC-S3C2440开发板，其中串口用于光学数据采集，音频输入输出用于声学数据采集；定位模块26选用高灵敏马达带动360度旋转的机械装置；水声换能器/接收换能器27选用Neptune Sonar公司的D11全向发射器，工作频率范围0.1赫兹-20千赫，常用工作频率11千赫，最大全向工作深度1200米。对水下节点进行防水封装后，按照如图1所示安装6个水下节点，使用铰链将其与水下固定，调整铰链长度保证6个水下节点都位于50米深处，开机上电初始化后，水下双模网络即可开始工作。在图2所示的水下节点硬件装置结构中，数字信号处理器中设有路由算法程序、对激光电路和超声波电路的控制程序，定位模块中设有机械旋转程序。

本发明方法在传输数据时，主要流程如图4所示，主要包括以下步骤：

(1)在网络初始化阶段，数字信号处理器首先记录每一水下节点的坐标位置和IP地址，进行路由计算，建立路由表，设定定位模块的旋转速度和蓝绿激光信标发射持续时间。

其中，蓝绿激光信标的内容包括信标类型、数据发送节点IP地址、数据接收节点IP地址、预计发送时间计时器。而信标类型用于区分请求发送蓝绿激光信标和允许发送蓝绿激光信标，数据发送节点IP地址用于指示数据发送节点的网络地址，数据接收节点IP地址用于指示数据接收节点的网络地址，预计发送时间计时器用于指示数据发送所预计需要的时间。

在本实施例中，采用DSDV(目标序列距离矢量协议)路由算法建立路由表，设定定位模块旋转一圈时间的时间为1秒，蓝绿激光信标的发送持续时间为1.5秒。蓝绿激光信标中的信标类型占2个比特，其中00代表请求发送蓝绿激光信标，11代表允许发送蓝绿激光信标；数据发送节点IP地址和数据接收节点IP地址分配32位IP地址；预计发送时间计时器在网络低负荷状态时设置为30秒，高负荷状态时设置为60秒。

(2)如图3所示，当数据发送节点(如第二节点)有数据发送时，其数字信号处理器首先查询路由表，根据数据接收节点IP地址选择下一跳节点(即图3中的水下其他节点，如第三节点)，接着查询下一跳节点的坐标位置，由定位模块带动光源旋转对准下一跳节点，启动光源22发送请求发送蓝绿激光信标。

(3)下一跳节点的光接收机检测到蓝绿激光信标时，数据发送节点的定位模块停止旋转，完成蓝绿激光信标接收。下一跳节点的数字信号处理器提取蓝绿激光信标中的信标类型，判断蓝绿激光信标的信标类型。

(4)若接收到蓝绿激光信标的信标类型是请求发送蓝绿激光信标，下一跳节点的数字信号处理器首先提取其中的数据接收节点IP地址进行判断本节点是否为数据接收节点。若本节点为非数据接收节点，数字信号处理器首先查询路由表，根据数据接收节点IP地址选择下一跳节点，接着查询下一跳节点的坐标位置，由定位模块带动光源旋转对准下一跳节点，启动光源转发请求发送蓝绿激光信标。若本节点是数据接收节点，数字信号处理器提取蓝绿激光信标中的数据发送节点IP地址，查询路由表，根据数据发送节点IP地址选择下一跳节点，接着查询下一跳节点的坐标位置，由定位模块带动光源旋转对准下一跳节点，启动光源，回复允许发送蓝绿激光信标，如图3所示；发送完毕后，接着启动接收换能器准备接收超声波数据。

若接收到蓝绿激光信标的信标类型是非请求发送蓝绿激光信标，则继续判断是否允许发送蓝绿激光信标，若非允许发送蓝绿激光信标，则说明是错误的蓝绿激光信标，将其丢弃。

(5)若接收到的蓝绿激光信标类型是允许发送蓝绿激光信标，数字信号处理器首先提取其中的数据发送节点IP地址，进行判断本节点是否为数据发送节点。若本节点为非数据发送节点，数字信号处理器首先查询路由表，根据数据发送节点IP地址选择下一跳节点，接着查询下一跳节点的坐标位置，由定位模块带动光源旋转对准下一跳节点，启动光源转发允许发送蓝绿激光信标，发送完毕后关闭定位模块，数字信号处理器继续提取蓝绿激光信标中的预计发送计时器时字段，等待计时器时超时后重新开启定位模块。若本节点是数据发送节点，首先关闭定位模块，提取蓝绿激光信标中的预计发送计时器字段，等待计时器超时后重新开启定位模块，接着启动水声换能器开始发送数据，如图3所示。关闭定位模块后，光接收机将停止检测蓝绿激光信标，不再建立新的通信链路。

(6)至此，图1所示系统就在数据发送节点与数据接收节点之间，建立起了蓝绿激光通信链路，并通过水声换能器/接收换能器，利用超声波在数据发送节点和数据接收节点之间直接传输数据，所传输的数据无需水下其他节点中继转发，如图3所示。

处于通信链路中的水下节点，其状态转移如图5所示。水下节点在空闲状态有数据需要发送时，则发送请求发送蓝绿激光信标，发起信令建立过程；若侦听到请求发送蓝绿激光信标，水下节点从侦听状态(即空闲状态)进入握手状态。数据接收节点则在回复允许发送蓝绿激光信标后，从握手状态进入接收状态，等待数据；非数据接收节点则在转发请求发送蓝绿激光信标后，将停留在握手状态继续侦听蓝绿激光信标。数据发送节点在握手状态时侦听到允许发送蓝绿激光信标后，进入数据发送状态，开始发送数据；非数据发送节点在转发允许发送蓝绿激光信标后，从握手状态进入休眠状态，直至蓝绿激光信标中的预计发送计时器时长超时后，才回到侦听状态(即空闲状态)。数据发送节点和数据接收节点在完成数据发送接收后，都回到侦听状态。

Claims (5)

1.一种水声网络的数据传输系统，包括若干个独立的水下节点，每一水下节点与至少另一水下节点对等连接，其特征在于：所述每一水下节点包括发射光学天线、接收光学天线、光源、光调制器、光接收机、水声换能器/接收换能器、数字信号处理器，以及设有旋转装置、用于完成光源和光接收机之间对准的定位模块；其中发射光学天线、光源、光调制器、数字信号处理器依次信号连接，接收光学天线、光接收机、数字信号处理器依次信号连接，数字信号处理器还分别与定位模块、水声换能器/接收换能器信号连接；光源为蓝绿激光源。

2.根据权利要求1所述的水声网络的数据传输系统，其特征在于：所述定位模块与光源、光接收机机械绑定。

3.根据权利要求1所述的水声网络的数据传输系统，其特征在于：所述光源为用于提供波长为450纳米-550纳米的蓝绿激光源。

4.一种根据权利要求1所述系统的水声网络的数据传输方法，其特征在于：所述每一水下节点具有蓝绿激光和超声波两种收发模式；在建立通信链路时，水下节点工作在蓝绿激光收发模式，在传输数据时，通信链路上的水下节点工作在超声波收发模式，且包括以下步骤：

步骤1，网络初始化，数字信号处理器记录每一水下节点的坐标位置和IP地址，进行路由计算，建立路由表，设定定位模块的旋转速度和蓝绿激光信标发射持续时间；

步骤2，数据发送节点根据水下节点的坐标位置、数据接收节点IP地址及路由表，将请求发送蓝绿激光信标发送给数据接收节点；

步骤3，数据接收节点根据水下节点的坐标位置、数据发送节点IP地址及路由表，将允许发送蓝绿激光信标回复给数据发送节点，接着启动接收换能器准备接收超声波数据；

步骤4，数据发送节点关闭定位模块，提取蓝绿激光信标中的预计发送计时器字段，等待计时器超时后重新开启定位模块，接着启动水声换能器开始发送数据；

步骤5，通过水声换能器/接收换能器，利用超声波在数据发送节点和数据接收节点之间直接传输数据。

5.根据权利要求1所述的水声网络的数据传输方法，其特征在于：步骤2所述的请求发送蓝绿激光信标，由其他水下节点中继转发给数据接收节点；步骤3所述的允许发送蓝绿激光信标，由其他水下节点中继转发给数据发送节点。

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