CN101888266A

CN101888266A - 分布式水声定位系统无线电通信方法

Info

Publication number: CN101888266A
Application number: CN2010101423325A
Authority: CN
Inventors: 梁国龙; 嵇建飞; 王燕; 付进; 林旺生
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2010-11-17

Abstract

本发明提供的是一种分布式水声定位系统无线电通信方法。在非实时工作状态下，基站处于侦听状态，基站随机地向单个浮标发送监控信令，浮标根据基站的请求发送相应的数据或相应地改变工作状态，信令发送后，时隙被分配给被叫浮标，当浮标接到基站发送来的信息帧后，向基站返回一个数据帧；实时工作状态下，基站的同步帧启动一个轮询周期，基站依据路由表依次对各浮标进行呼叫，差错控制采用自动请求重发方式，如果基站发送完监控信令后，在规定时间内没有收到终端站的回送的确认帧，基站就认定前一信令传输不成功，并立即再次重复发送信令。本发明可以提高分布式水声定位系统的有效性和可靠性，最大限度的将实时数据传回船载跟踪显控系统。

Description

分布式水声定位系统无线电通信方法

技术领域

本发明涉及无线电通信技术、网络技术及水下目标跟踪技术。具体涉及水声浮标测量系统中的无线电分系统。

背景技术

通信协议是通信系统在通信链路上实现复杂任务的软件构架及程序编写规则，任何通信系统都离不开通信协议的支持。通信协议一般可分为三层结构：物理层，数据链路层和网络层。物理层是网络中的最底层，主要任务是透明地传送二进制的比特流。物理层一方面接收来自数据链路层的数据帧，并顺序传输这些数据帧的结构和内容；另一方面将数据传递给数据链路层，进行重新组帧。数据链路层的任务是通过设计数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的、无差错的、透明的数据传输。网络层的任务是要选择合适的路由信息，确定和分发源节点和目的节点之间的路由。这一层本身没有传输错误检测和纠正机制，所以必须依赖于数据链路层端到端的可靠传输服务。

相关文献包括：

1.专利申请号200710047311.3一种用于复印机的通信协议；

2.专利申请号200780025646.3用于便携式电子设备的通信协议；

3.专利申请号98119961.5用于无线数据系统的通信协议；

4.Patent No.：WO2010037013(A2)SYSTEM AND METHOD FOR COORDINATINGHALF-DUPLEX COMMUNICATIONS PROTOCOLS

文献1发明了一种用于复印机的通信协议，该通信协议的模块结构包括PC Terminal和MCU之间采用的基于异步串行通信方式的安全命令协议，含两部分的内容：命令/响应数据格式，含包格式定义的顺序和所包括的完整信令流程，含描述的对象、命令应答顺序。

文献2发明了一种用于便携式电子设备的通信协议，能够扩大或补充便携式电子设备的功能或能力。

文献3公开了一种无线数据网络，提供在覆盖宽服务区内的寻呼信道上广播的消息控制中心和在所述宽服务区中分布的、在所述宽服务区内的本地服务区的本地信道上提供双向通信的多个基站。

文献4公开了一种用户和接入设备之间进行通信的半双工和频分双工协议。

上述文献中的技术内容均与本发明有本质区别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在已有天线高度、发射功率、接收机灵敏度条件下，可以提高通信系统的有效性和可靠性的分布式水声定位系统无线电通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

分布式水声定位系统，在非实时工作状态下，基站处于侦听状态，基站随机地向单个浮标发送监控信令，浮标根据基站的请求发送相应的数据或相应地改变工作状态，信令发送后，时隙被分配给被叫浮标，当浮标接到基站发送来的信息帧后，向基站返回一个数据帧，此时，信道是由基站控制随机分配的；实时工作状态下，采用基站轮询、集中控制动态分配时隙的方式，基站的同步帧启动一个轮询周期，基站依据路由表依次对各浮标进行呼叫，差错控制采用自动请求重发方式，如果基站发送完监控信令后，在规定时间内没有收到终端站的回送的确认帧，基站就认定前一信令传输不成功，并立即再次重复发送信令。

本发明还可以包括：

1、在浮标里设置有一个桶形缓冲区用来存放实时回传的数据，桶形缓冲区的大小和系统同步周期、涌浪周期、数据长度有关。

2、利用帧序号作为浮标和基站的确认信息。

本发明的分布式水声定位系统由船载分系统和浮标分系统组成，船载分系统和浮标分系统之间通过无线电通信链进行数据交换。通信方法主要包括通信方式，差错控制，信令帧格式，时隙分配，涌浪应对策略，节点间不完全同步应对策略等。

本发明的水下目标跟踪系统中的浮标分系统和船载跟踪显控分系统通过无线电通信链进行数据交换。无线电通信链由基站和浮标中的通信部分构成。在现有天线高度，发射功率，接收机灵敏度条件下，通过合理的通信方法，提高通信系统的有效性和可靠性。

本发明的有益效果是可以提高通信系统的有效性和可靠性，最大限度的将实时数据传回船载跟踪显控系统，以便于船载跟踪显控系统对目标参数进行解算。

附图说明

图1是系统无线局域网拓扑图。

图2是系统时隙分配示意图。

图3是系统桶形缓冲区示意图。

图4是系统传输差错示意图。

图5是基站与浮标不完全同步示意图。

图6的表1是信令类型。

图7的表2是系统工作模式。

图8的表3是数据帧结构。

图9的表4是实时工作模式下数据段定义。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明的技术方案是：系统采用时分多址方法，节点间通过唯一的物理地址来加以区分，时隙分配采用随机分配与基站集中控制动态分配相结合的方法。在非实时工作状态下，基站处于侦听状态，根据需要随机地向单个浮标发送监控信令，浮标根据基站的请求发送相应的数据或相应地改变工作状态，信令发送后，时隙被分配给被叫浮标，当浮标接到基站发送来的信息帧后，向基站返回一个数据帧。此时，信道是由基站控制随机分配的。实时工作状态下，由于浮标实时报送目标的声学数据长度具有不确定性，此时采用基站轮询、集中控制动态分配时隙的方式。基站的同步帧启动一个轮询周期，基站依据路由表依次对各浮标进行呼叫。差错控制采用自动请求重发方式，如果基站发送完监控信令后，在规定时间内没有收到终端站的回送的确认帧，基站就认定前一信令传输不成功，并立即再次重复发送信令。

涌浪会影响天线高度和姿态，从而影响系统通信质量。为了减小涌浪对通信质量的影响，在浮标里设置一个桶形缓冲区用来存放实时回传的数据，桶形缓冲区的大小和系统同步周期、涌浪周期、数据长度有关。

基站和浮标同步脉冲不完全同步，会造成数据帧丢失或重复上传，采取的策略是改进浮标和基站间的确认机制，利用帧序号作为浮标和基站的确认信息。

结合图1，本通信系统是一种分布式通信系统，通信节点包含基站和浮标，基站是网络的中心控制节点，浮标是终端站，基站和浮标构成一个一点对多点的无线局域网通信系统，每个节点都由唯一的物理地址来加以区分。

表1是系统的主要信令类型。系统主要信令类型有三种：监控信令，允许发送信令，和数据信令。基站发送监控信令和允许发送信令，浮标只发送数据信令。监控信令包括基站查询浮标状态，进行参数设置等等。允许发送信令是在实时跟踪模式下，基站向浮标发出数据请求命令，只有收到该信令的浮标才被授权可以发送数据。数据信令是浮标响应基站的信令而发出的。

表2说明系统有两种工作模式：实时跟踪模式和非实时模式。在实时跟踪模式下，基站发出允许发送信令，在一个同步周期内依次询问每个浮标，尽可能地将测量数据实时回传给基站。在非实时模式下，基站发出监控信令，查询浮标的工作状态，设置参数等等。

错误！未找到引用源。是系统的时隙分配图，系统采用时分多址方法，在实时状态下，一个同步周期内，基站要依次询问各个浮标，因此有必要对时隙进行划分。

同步信号控制着系统通信周期，一个同步信号触发了一个新的系统通信周期的开始；

1.基站呼叫第一个浮标，基站发射占用时间T1，然后进入等待状态，等待状态占用时间t1；

2.T1+t1时间之后，时隙被分配给浮标，浮标上传测量数据，浮标发射占用时间T2，然后再次进入等待状态，等待状态占用时间t2；

3.等待状态之后，基站根据浮标返回的数据决定下一次呼叫；

4.依此方式直至所有终端站均无需上传数据或进入保护时隙，则本周期的轮询任务结束。

总而言之，基站是时隙分配的策划者，为主叫方；终端站只被动地侦听，不能主动地发射信息，为被叫方。

基站对浮标完成一次呼叫所需要的时间为Ta＝T1+T2+t1+t2，保护时隙时长为t3，若浮标数为n，则基站完成一次轮询所需要的时间至少为n*Ta+t3，因此T需要满足T＞n*Ta+t3。

结合表3，信令帧格式如表所示。信令帧主要由网络标志符、目的地址、源地址、命令类型、数据长度、数据段和CRC校验码组成。

网络标识符是本网内信令帧的标志，是一个人为定义的、不容易为随机干扰所伪造而产生错误检测的独特字，通过对其有效检测可以保证系统正确地提取信令帧。

目的地址规定了接收该帧的浮标的地址。只有当系统检测到目的地址和浮标本身的地址一致时，系统才开始接收这一帧数。

源地址指明了该数据帧的来源。帧类型规定了该信令帧的类型，如查询是否进入同步，设置系统参数等等。数据长度指明了该数据段的长度，数据段包含了该信令帧的数据。

校验码采用循环冗余校验码，循环冗余校验码是较常用的数据块检测错误码，一方面应使校验码具有较强的检错能力，另一方面从编解码工作所花费的时间来考虑，还应使编解码尽可能简单。综合考虑，系统选用CRC-CCITT生成多项式，这种校验码形式可100％地捕捉一位错、两位错和所有奇数个错误，可以捕捉突发性错长度小于16的全部错误、长度为17的突发错误的99.98％、长度为18以上的突发错的99.997％。

系统桶形缓冲区如错误！未找到引用源。所示。桶形缓冲区是在系统的RAM中定义这样一段存储区域，每接收到一帧声学测量数据，新周期数加1，接收指针前进一个数据段长度，当桶形缓冲区存满以后，接收指针跳回桶形缓冲区起始处，从起始处开始存放数据。当发送声学测量数据时，每发送一帧声学测量数据，发送周期数加1，新周期数减1，发送指针前进一个数据段长度。当涌浪引起无线电通信链中断时，没来得及发送给基站的数据被保存在桶形缓冲区中，此时发送指针没有更新，停留在最近一次发送成功的数据帧处，等到无线电通信链恢复时，再把没有发送给基站的数据上传。若无线电通信链中断时间太长，则新数据会把没有上传的数据覆盖，但是系统RAM大小有限而且无线电通信链每次最多上传数据有限，因此桶形缓冲区不可能无限大，桶形缓冲区大小要根据涌浪周期，同步周期时长，每周期数据长度，无线电通信链最大发送数据长度来合理选择。

表4是系统的数据段定义。系统有两种工作模式，实时跟踪模式和非实时模式，在非实时模式下，数据段中的数据无特殊含义，而在实时跟踪模式下，数据段定义如

表4所示。在实时跟踪状态下，基站向浮标所发信令帧数据段的第一个字为上次接收数据的周期号，浮标判断接收到的周期号是否与上次发给基站的数据周期号相吻合，若二者相等，则认为上次发送成功，否则，则认为上次发送失败。浮标向基站所发信令帧数据段的第一个字为桶形缓冲区中的剩余周期数，第二个字为本次所发周期数，基站根据收到的剩余周期数来判断桶形缓冲区中的剩余的新周期数，若剩余周期数不为0，基站在完成对所有浮标询问之后，若没有进入保护时隙，基站将再次询问改浮标，直至所有数据传完为止。

错误！未找到引用源。是数据的传输错误类型。数据传输差错包括两种类型：数据帧丢失和数据帧被损。数据帧丢失指的是数据帧不能到达收端或被损坏而难以识别；数据帧被损指的是数据帧已经到达，但出现位错误。

数据通信中常用的差错控制主要有三种：前向纠错方式，自动请求重发方式和混合纠错方式，前向纠错方式所发出的码字具有相当的纠错能力；自动请求重发方式所发送出的码字只需有检错能力，而不一定要有纠错能力；混合纠错方式是自动请求重发和前向纠错方式的综合。前向纠错方式只是对改正单一位错误行之有效，而且在传输数据中需添加足够的冗余量以让接收站点改正差错，需要大量的系统开销。本通信网络的通信信道为海面，经过大量实验表明，在10km以内的数据通信基本无误码，而在通信的极限距离附近，误码率较高，实时工作状态下终端站数据帧的数据长度最多为200字，所以误码位数会很多。综合来看，ARQ最适合于本系统。错误！未找到引用源。(a)是正常情况，基站发送允许发送信令，浮标正确接收以后，回复数据信令给基站，基站正确接收。错误！未找到引用源。(b)是错误类型A，基站发送允许发送信令，浮标没有收到基站的信令，基站在经过等待时间之后自动请求重发，直至浮标正确接收。错误！未找到引用源。(c)是错误类型B，基站发送允许发送信令，浮标正确接收后，返回给基站数据信令，基站经过等待时间之后，没有正确接收浮标的数据信令，自动请求重发，直至基站接收到浮标返回的数据信令。

错误！未找到引用源。是基站同步脉冲和浮标同步脉冲不完全同步示意图。在实时跟踪过程中，在每个同步周期浮标要将测量的水声数据回传到基站。理想情况下，浮标与浮标、浮标与基站的同步脉冲是完全同步的，但是实际情况可能并非如此，由于浮标与基站的硬件平台并不完全相同，同步脉冲有可能会产生偏差。

当基站同步脉冲3到来时，基站发出允许发送信令，浮标正确接收并返回数据信令，数据信令被基站正确接收后，基站同步脉冲4到来，基站再次发出允许发送信令，告知浮标上次接收是否成功并请求浮标发送下一帧数据。当基站同步脉冲和浮标同步脉冲完全同步时，上述逻辑可以确保不丢失数据帧，当基站同步脉冲和浮标同步脉冲不完全同步时，上述逻辑有可能造成数据帧丢失和重复上传。

当基站同步脉冲3到来之后，基站正确接收浮标返回的数据信令，当基站同步脉冲4到来之后，基站要告知浮标上次接收成功并发送下一帧数据，若在基站同步脉冲4和浮标同步脉冲5这段期间，基站并没有收到浮标发送的数据信令，则在浮标同步脉冲5和基站同步脉冲5期间，基站还在告知浮标上次接收成功并发送下一帧数据，浮标就会将浮标同步脉冲5所测量的数据发送给基站，这样就造成了浮标同步脉冲4测量的数据丢失。

当基站脉冲3到来之后，基站正确接收浮标返回的数据信令，当基站同步脉冲4到来之后，基站告知浮标上次接收成功并发送下一帧数据，然而基站并没有收到浮标返回的数据信令，基站再次发出允许发送信令，此时接收成功标志位更改为接收失败标志位，在基站同步脉冲4和浮标同步脉冲5期间，倘若浮标正确接收到基站再次发送的允许发送信令，浮标则将浮标同步脉冲3和浮标同步脉冲4测量数据一起传回基站，造成数据重复上传。

解决脉冲数据丢失和重复上传的办法是改变基站浮标间通信成败的确认机制。由于帧序号是由同步脉冲来计数的，每来一个同步脉冲，帧序号加1，因此可以使用帧序号作为确认信息。浮标根据基站返回的帧序号判断基站成功接收了哪一个同步脉冲的测量数据。例如浮标同步脉冲2测量数据已经成功上传到基站，那么基站下传到浮标的确认信息应该是帧序号2，即使由于通信质量差而导致浮标同步脉冲3、4、5都没有成功上传到基站，但是由于确认信息还是帧序号2，所以基站同步脉冲6到来之后，浮标会将浮标同步脉冲3、4、6、6的数据都上传到基站，从而保证数据既没有丢失也没有重复。由此可见，经过这一确认机制的改动，可以成功的解决在基站浮标同步脉冲发生偏差甚至完全不同步时测量数据的重复上传和丢失的问题。

Claims

1.一种分布式水声定位系统无线电通信方法，其特征是：分布式水声定位系统在非实时工作状态下，基站处于侦听状态，基站随机地向单个浮标发送监控信令，浮标根据基站的请求发送相应的数据或相应地改变工作状态，信令发送后，时隙被分配给被叫浮标，当浮标接到基站发送来的信息帧后，向基站返回一个数据帧，此时，信道是由基站控制随机分配的；实时工作状态下，采用基站轮询、集中控制动态分配时隙的方式，基站的同步帧启动一个轮询周期，基站依据路由表依次对各浮标进行呼叫。差错控制采用自动请求重发方式，如果基站发送完监控信令后，在规定时间内没有收到终端站的回送的确认帧，基站就认定前一信令传输不成功，并立即再次重复发送信令。

2.根据权利要求1所述的分布式水声定位系统无线电通信方法，其特征是：在浮标里设置有一个桶形缓冲区用来存放实时回传的数据，桶形缓冲区的大小和系统同步周期、涌浪周期、数据长度有关。

3.根据权利要求1或2所述的分布式水声定位系统无线电通信方法，其特征是：利用帧序号作为浮标和基站的确认信息。