CN102122993B - 一种远距离水声通信的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离水声通信的方法和装置。装置包括水下的一个以上的通信节点和水上的一个以上的通信浮标，一个水上通信浮标通过水声信道负责与设定距离范围内的一个以上的水下通信节点进行通信，水上通信浮标之间通过陆上无线信道进行通信连接。所述方法采用了多频段组合并行发送数据，并联合通信浮标实现远距离通信，远距离通信中，水下通信节点与浮标间的通信不需要使用CSMA中的3次握手协议，而是直接在全频段监听信道，在监听到的空闲信道上利用频率调制的方法在各个子信道上并行同时地将数据发送到水上通信浮标，由水上通信浮标通过无线电波的方式传输数据。该发明提高了通信双方一次成功传输的概率，增强了系统的抗干扰性能。

Description

一种远距离水声通信的方法和装置

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种利用多频段组合发送数据以及应用浮标进行通信的远距离水声通信方法和装置。

背景技术

随着人们对海洋资源的进一步研究和利用，水声通信越来越受到人们的重视，如何进行高质量的水声通信成为了人们研究的重点。现有的大部分研究着重于如何提高带宽的利用率以及降低误码率，但应该指出的是，水声通信的实时性也应该受到重视。

目前，陆上无线通信的研究已经进入了比较成熟的阶段，新技术的出现提高了陆地通信的实时性和可靠性，人们开始设想将陆上无线通信的技术加以改进从而应用到水声通信的研究进程当中。然而，水声信道有着区别于陆上无线信道的一系列复杂问题，如较长的传输时延：超声在水声的传输平均传输速度为1500m/s，而电磁波在空中的传输速度为                                                

m/s，这意味着在远距离水声通信中传输信令的时间与数据传输的时间处在同一个数量级上，开销不可以忽略不计。另外，水声信道的复杂情况如多径效应以及海水对信号的衰减等，容易造成严重的码间干扰和多普勒频移，同样给水声通信的研究带来很大的困难。

陆上无线通信中普遍采用载波监听多址接入协议CSMA，网络中的节点在运用该协议进行通信时，需要及时得到网络中其他节点的发送和碰撞信息，这需要每个节点都能监听到周围其它所有节点的信号，否则会遇到隐藏终端和暴露终端的问题。然而CSMA协议并不适合用于水声通信当中。例如某时刻发送节点A监听到信道空闲，向接收点B发出通信请求，接收点B收到请求后回复确认信息，然而，由于超声在水中的传输速率较慢，有可能在A收到确认信息之前，信道则已经被占用，当A以为信道空闲从而发送数据包时，则很容易因为信道的堵塞而发生数据碰撞，造成误码率高，通信质量差的情况，通信的实时性难以保证。

另一方面，对于远距离的水声通信，利用水上通信浮标作为中继点实现远距离通信是一种常用的方法。然而，现有的大多数通信浮标中继装置仅仅实现了通信的中继转发，并没有很好的信号处理功能，使得信号接收装置的抗干扰能力不足，很容易在信号中继的过程中发生丢包或者错误接收的现象，使得通信的误码率增高，大大降低了通信的有效性。

因此，要设计出适合于远距离水声通信的通信装置，必须解决两方面的问题：第一，要解决好由水声长的传输时延所带来的通信实时性问题，提高通信双方一次成功传输的概率；第二，水上的通信浮标要有良好的信号识别处理能力，增强系统的抗干扰性。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种远距离水声通信的方法和装置。本发明考虑到浅海水声信道，具有传播时延长、强多径干扰，而且能使用的频带宽度非常有限的特点，采用了多频段组合并行发送数据，并联合通信浮标实现远距离通信。远距离通信中，水下通信节点与浮标间的通信不需要使用CSMA中的3次握手协议，而是直接在全频段监听信道，在监听到的空闲信道上利用频率调制的方法在各个子信道上并行同时地将数据发送到水上通信浮标，由水上通信浮标通过无线电波的方式传输数据。水上通信浮标采用了认知无线电和相控阵技术，具有信号的识别处理功能，同时可调整收发天线阵列或换能器阵列主瓣的方向，实现信号更好的发送和接收。该发明避免了由水声通信长的时延所带来的实时性问题，提高了通信双方一次成功传输的概率，同时水上通信浮标有良好的信号识别处理能力，增强了系统的抗干扰性能。

为实现上述目的，本发明采取的方案是：

一种远距离水声通信的装置，包括水下的一个以上的通信节点和水上的一个以上的通信浮标，一个水上通信浮标通过水声信道负责与设定距离范围内的一个以上的水下通信节点进行通信，水上通信浮标之间通过陆上无线信道进行通信连接。

上述的远距离水声通信的装置中，所述水下通信节点包括主处理器、调制模块、距离存储器和换能器阵列，其中，主处理器分别与距离存储器、调制模块和换能器阵列连接，调制模块还与所述换能器阵列连接；水下通信节点发送数据时，由所述主处理器对数据进行分组，通过调制模块和换能器阵列将数据调制到不同子信道上进行并行传输；接收数据时，所述换能器阵列接收的分组数据经由主处理器进行解调译码，距离存储器存储各个水下通信节点的相对位置，同时由主处理器进行实时更新。

上述的远距离水声通信的装置中，所述水上通信浮标包括阵列天线、换能器阵列、主控模块、GPS卫星定位模块、滤波器、波束形成器、能量积累检测器以及方位存储器，其中，主控模块与阵列天线、换能器阵列、GPS卫星定位模块、滤波器以及方位存储器连接；换能器阵列与滤波器、波束形成器、能量积累检测器、方位存储器顺次连接；所述主控模块能调整阵列天线和换能器阵列发射信号的主瓣方向，实现数据低误码率的接收或发送；GPS卫星定位模块能对各水上通信浮标的位置进行准确定位；滤波器用于消除无效频谱的信号对有用信号的干扰；波束形成器对接收信号进行波束形成；能量积累检测器对信号进行能量积累检测，确保接收到的信号不是由干扰信号带来的虚报；方位存储器记录了各水下通信节点的预设位置。

本发明还提供了一种远距离水下通信的方法，其步骤如下：

步骤1、当某水下通信节点需要发送数据时，它首先通过距离存储器判断接收方的地址，获取双方的预设通信距离。若距离没有达到预先设定距离阀值，则属于水下节点间的通信。若距离超过了距离阀值，则属于远距离间的水声通信，需要利用水上浮标进行数据传输。

步骤2、对于远距离的水声通信，待发送数据的水下通信节点对整个可用频段进行全频段扫描，获取可用的信道资源。在发送数据时，水下通信节点首先在各子信道上并行发送测试信息到水上通信浮标，水上通信浮标将数据经过频谱感知和方位计算后，获取水下通信节点正在使用的子信道资源以及其方位信息，从而调整换能器阵列的主瓣方向，让其指向准备发送数据信息的水下通信节点。

步骤3、水下通信节点在发送完测试信息后，利用频率调制将待发数据直接调制到不同的子信道上面进行并行的传输，在各个子信道上传输的数据是相同的数据。每个并行传输的数据的数据头均包含了所在子信道的频带信息以及目标水下通信节点的地址信息。在收到确认信息之前，水下通信节点不间断地重传数据。 

步骤4、水上通信浮标接收到水下节点通过各子信道发送过来的信息后，首先判定浮标自身是否是水下节点发送数据的下一跳地址，若不是下一跳地址，则丢弃数据包，若是下一跳的地址，则尝试联合所收到的各个子数据包进行译码，若译码失败，则丢弃数据包，并不发送确认信息。若译码成功，则通信浮标发送确认信息到水下通信节点。

步骤5、通信浮标正确译码后，分析待发数据的目的地址，利用GPS卫星定位模块找到相应接收通信浮标，通过主控模块控制调整阵列天线主瓣的发射方向，将数据扩频调制后以无线电磁波的方式串行传输到下一跳的接收通信浮标。

步骤6、接收通信浮标接收到信息后，先由主控模块判定信息是否为数据的目的地址，若不是，则把数据包丢弃，若是目的地址，则通信浮标监听水声信道中的信道资源，寻找空闲的信道信息，并且发送确认信息到发送数据的通信浮标。

步骤7、接收到数据的通信浮标在主控模块分析数据的目的地址后，根据所存储的水下通信节点的预设方位，主控模块控制调整换能器阵列的主瓣方向，在可用的信道上利用频率调制，将待发数据调制到不同的子信道后并行传输到水下通信节点。

步骤8、水下节点收到数据后，首先判断自身是否为目的地址，若不是，则丢弃数据包，若是目的地址，则尝试对各个子信道的数据进行解调译码。若能正确译码，则发送确认信息到通信浮标，若译码失败，则不发送任何信息，通信浮标在接收到确认信息之前并不停止发送数据。

上述方法的步骤1中，水下各通信节点的预设距离是通过以下方法获得，步骤如下：

步骤1.1：各水下通信节点均发出一个包含发送时刻的广播数据包。

步骤1.2：相邻水下通信节点接收到广播数据包后，根据信号的传播时间来计算各节点之间的距离。

上述方法的步骤7中，水下各通信节点的预设方位是通过以下方法获得，步骤如下：

步骤7.1：设置水上通信浮标N1的坐标为（0,0）以及其最大跳数。

步骤7.2：在水上通信浮标的通信半径内，选择距离其最远的水下通信节点N2的坐标为

，同时选择在水上通信浮标N1、水下通信节点N2通信半径内，且他们距离之和最远的水下通信节点N3，并且满足N1、N2、N3不在一条直线上。

步骤7.3： 根据所选的三个点之间的距离

、

、

，计算N3的坐标为

，其中，

，

。

步骤7.4：通信浮标范围N1内的其他节点的位置则可利用所确定的三点N1、N2、N3的坐标和距离信息，通过三边测量确定。

本发明与现有远距离水声通声信方法相比，具有以下优点：

1、采用了水下节点和水上通信浮标联合的方法进行通信，充分利用了海-空资源，克服了水声传播时延大所给远距离水声通信带来的困难，增强了水声通信的实时性，提高了一次通信的成功率。

2、水上通信浮标采用了频谱感知和波束形成技术，可以实现数据信号更好的接收或发送，降了信号的发射功率，有效地避免了干扰，降低了通信误码率，提高了通信的效率。

3、一个浮标连接多个水下节点，避免了长距离水声通信中要使用多节点多跳的方法，节省了节点资源，减少了通信开销。

4、避免采用了陆上无线通信中的CSMA协议，浮标与水下节点之间的通信采用了多信道并行数据传输的方法，有效地水声信道所带来的干扰。

5、水上浮标内存储了各水下通信节点的预设距离和预设方位，减少了方向估计错误的概率。

6、水上通信浮标可以监测水下通信节点的位置并进行实时更新，避免了因水下通信节点在水中的位置漂移而造成的通信误码率上升问题，提高了通信的效率。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明水上通信浮标实施例的电原理结构图。

图3是本发明水下通信节点实施例的电原理结构图。

图4是本发明实施例实现远距离水下通信的方法流程图。

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和保护范围不限于此。

如图1所示，本发明一种应用远距离无线通信协议通信的实施例示意图，由两个通信浮标和八个水下通信节点组成。其中，通信浮标C负责包括水下通信节点A在内的四个水下通信节点的远距离通信，通信浮标D负责包括水下通信节点B在内的另外四个水下通信节点的远距离通信。通信浮标C和通信浮标D之间的距离达到10km以上，属于远距离通信。

如图2所示，是水上通信浮标的原理结构图，由主控模块21、阵列天线22、换能器阵列23、GPS卫星定位模块24、滤波器模块25、波束形成器模块26、能量积累检测模块27、方位存储器模块28组成。

主控模块21通过换能器阵列23可以对整个可用频带资源进行扫描，获取可用的信道资源。同时，该模块还存储了所连接的水下通信节点的预定位置。主控模块21可以根据目标通信节点的位置，调整阵列天线22或换能器阵列23的主瓣方向，使得干扰达到最小化。

GPS卫星定位模块24存储了各个水上通信浮标的相对位置，能对其进行准确跟踪定位。

滤波器模块25只对有效频带进行滤波，用于消除无效频带对有效频带谱泄露对频域波束造成影响。

波束形成器模块26对在各子信道上传输的数据进行波束成形，有利于信号的处理和信号发射方位的跟踪。

能量积累检测模块27可对各自子信道传输的数据进行能量的积累，通过预设的能量阀值，判定所传输的信号到底是数据信号，还是由干扰信号而造成的虚报。

方位存储器模块28获取正在通信的水下通信的节点的方位，将其发送到中央处理器模块21，中央处理器模块21相应地更新该水下通信节点的方位信息。

如图3所示，是水下通信节点的电原理结构图，由主处理器31、调制模块32、换能器阵列33以及距离存储器34组成。主处理器31与调制模块32、换能器阵列33以及距离存储器34依次连接。主处理器31负责数据的分组以及对接收到的数据进行解调译码。调制模块32使用频率调制，将数据传送到不同的子信道上并行传输。距离存储器34存储了各水下通信节点的预设相对距离。

如图4所示，是应用本发明实现远距离水下通信的流程图，具体包括了以下步骤：

步骤1、水下通信节点A要实现与水下通信节点B之间的通信，它首先通过距离存储器判定水下通信节点B的地址，获取双方的预设通信距离为10km以上，超过了所设定的通信距离阀值，判定需要通过通信浮标C和通信浮标D实现与水下通信节点B的通信。预设的距离信息是在系统初始化时获得，水下通信节点A和B发出包含发送时刻的广播数据包，相邻节点由广播包中的信息获取广播包的发送时刻，从而知道数据传输的时间，再联合超声在水中的传输速度，判定相互之间的距离。

步骤2、水下通信节点A对所处的水声环境的可用频段进行全频段扫描，获取可用的信道资源。在发送数据时，水下通信节点A首先在各子信道上并行发送测试信息到水上通信浮标C，水上通信浮标C将数据经过频谱感知和方位计算后，获取水下通信节点A正在使用的子信道资源以及其方位信息，从而调整换能器阵列23的主瓣方向，让其指向准备发送数据信息的水下通信节点A。

步骤3、水下通信节点A在发送完测试信息后，并不等待水上通信浮标C的确认信息，而是将待发数据复制分成k个原始数据分组，通过调制模块32将各个分组数据利用频率调制的方法，将待发数据直接调制到不同的子信道上面进行并行的传输，在各个子信道上传输的数据是相同的数据。每个并行传输的数据的数据头均包含了所在子信道的频带信息以及目标水下通信节点的地址信息，以便水上通信浮标C获取正在使用的子信道资源以及数据的目标地址。水下通信节点A在收到确认信息之前不间断地重传数据。

步骤4、水上通信浮标C接收到水下节点A通过各子信道发送过来的信息后，首先判定浮标自身是否是水下节点发送数据的下一跳地址，若不是下一跳地址，则丢弃数据包，若是下一跳的地址，则尝试联合所收到的各个子数据包进行译码，若译码失败，则丢弃数据包，并不发送确认信息。若译码成功，则通信浮标发送确认信息到水下通信节点。

步骤5、通信浮标A正确译码后，分析待发数据的目的地址，利用GPS卫星定位模块找到相应接收数据的水上通信浮标D，调整阵列天线22主瓣的方向，将数据扩频调制后以无线电磁波的方式串行传输到水上通信浮标D。

步骤6、接收信号的水上通信浮标D接收到信息后，先判定是否为数据的目的地址，若不是，则把数据包丢弃，若是目的地址，则通信浮标监听水声信道中的信道资源，寻找空闲的信道信息，并且发送确认信息到发送数据的水上通信浮标C。应当指出，水上通信浮标D使用信道资源与水上通信浮标C利用的水下信道资源并不一定相同。

步骤7、水上通信浮标D在分析数据的目的地址后，根据水下通信节点的预设方位，调整换能器阵列23的主瓣方向，使其指向水下通信节点B的方位，预设的方位是在系统初始化的时候获得。在可用的信道上利用频率，水上通信浮标D将待发数据调制到不同的子信道后并行传输到水下通信节点B。

步骤8、水下通信节点B收到数据后，首先判断自身是否为目的地址，若不是，则丢弃数据包，若是目的地址，则尝试对各个子信道的数据进行解调译码。若能正确译码，则发送确认信息到通信浮标，若译码失败，则不发送任何信息，水上通信浮标D在接收到确认信息之前不间断地发送数据。

上述步骤7中，水下各通信节点的预设方位可以通过以下方法获得，步骤如下：

步骤7.1：设置水上通信浮标N1的坐标为（0,0）以及其最大跳数。

步骤7.2：在水上通信浮标的通信半径内，选择距离其最远的水下通信节点N2的坐标为，同时选择在水上通信浮标N1、水下通信节点N2通信半径内，且他们距离之和最远的水下通信节点N3，并且满足N1、N2、N3不在一条直线上。

步骤7.3： 根据所选的三个点之间的距离

、、

，计算N3的坐标为

，其中，

，

。

步骤7.4：通信浮标范围N1内的其他节点的位置则可利用所确定的三点N1、N2、N3的坐标和距离信息，通过三边测量确定。如要确定水下通信节点N4的坐标，距离信息为

，

，若时，

，否则

。其中，

，

，

，

。

本发明利用多频段组合发送数据，解决了水声通信中长时延给通信带来的实时性难题，应用通信浮标在中继转发的同时对信号进行处理，采用了认知无线电的方法抵抗干扰，实现信号更好的发送和接收，适合应用于远距离的通信。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1. 一种远距离水声通信的装置的通信方法，远距离水声通信的装置包括水下的一个以上的通信节点和水上的一个以上的通信浮标，一个水上通信浮标通过水声信道负责与设定距离范围内的一个以上的水下通信节点进行通信，水上通信浮标之间通过陆上无线信道进行通信连接；所述水下通信节点包括主处理器、调制模块、距离存储器和换能器阵列，其中，主处理器分别与距离存储器、调制模块和换能器阵列连接，调制模块还与所述换能器阵列连接；所述水上通信浮标包括阵列天线、换能器阵列、主控模块、GPS卫星定位模块、滤波器、波束形成器、能量积累检测器以及方位存储器，其中，主控模块与阵列天线、换能器阵列、GPS卫星定位模块、滤波器以及方位存储器连接；换能器阵列与滤波器、波束形成器、能量积累检测器、方位存储器顺次连接，其特征在于该通信方法包括如下步骤：

步骤1、当某水下通信节点需要发送数据时，首先通过距离存储器判断接收方的地址，获取双方的预设通信距离；若距离不足预先设定距离阀值，则进行水下节点间的通信；若距离超过了所述距离阀值，则进行远距离间的水声通信，利用水上通信浮标进行数据传输，进行以下步骤；

步骤2、对于远距离的水声通信，待发送数据的水下通信节点对整个可用频段进行全频段扫描，获取可用的信道资源；在发送数据时，水下通信节点首先在各子信道上并行发送测试信息到水上通信浮标，水上通信浮标将数据经过频谱感知和方位计算后，获取水下通信节点正在使用的子信道资源以及其方位信息，从而调整换能器阵列的主瓣方向，让其指向准备发送数据信息的水下通信节点；

步骤3、水下通信节点在发送完测试信息后，利用频率调制将待发数据直接调制到不同的子信道上面进行并行的传输，在各个子信道上传输的数据是相同的数据；每个并行传输的数据的数据头均包含了所在子信道的频带信息以及目标水下通信节点的地址信息；在收到确认信息之前，水下通信节点不间断地重传数据；

步骤4、水上通信浮标接收到水下通信节点通过各子信道发送过来的信息后，首先判定浮标自身是否是水下节点发送数据的下一跳地址，若不是下一跳地址，则丢弃数据包，若是下一跳的地址，则尝试联合所收到的各个子数据包进行译码，若译码失败，则丢弃数据包，并不发送确认信息；若译码成功，则通信浮标发送确认信息到水下通信节点；

步骤5、水上通信浮标正确译码后，分析待发数据的目的地址，利用GPS卫星定位模块找到相应接收通信浮标，并通过主控模块控制调整阵列天线主瓣的发射方向，将数据扩频调制后以无线电磁波的方式串行传输到下一跳的接收通信浮标；

步骤6、接收通信浮标接收到信息后，先由主控模块判定信息是否为数据的目的地址，若不是，则把数据包丢弃，若是目的地址，则通信浮标监听水声信道中的信道资源，寻找空闲的信道信息，并且发送确认信息到发送数据的通信浮标；

步骤7、接收到数据的通信浮标在主控模块分析数据的目的地址后，根据所存储的水下通信节点的预设方位，主控模块控制调整换能器阵列的主瓣方向，在可用的信道上利用频率调制，将待发数据调制到不同的子信道后并行传输到水下通信节点；

步骤8、水下节点收到数据后，首先判断自身是否为目的地址，若不是，则丢弃数据包，若是目的地址，则尝试对各个子信道的数据进行解调译码；若能正确译码，则发送确认信息到通信浮标，若译码失败，则不发送任何信息，通信浮标在接收到确认信息之前不停止发送数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1中所述水下各通信节点的预设距离通过以下步骤获得：

步骤1.1：各水下通信节点均发出一个包含发送时刻的广播数据包；

步骤1.2：相邻水下通信节点接收到广播数据包后，根据信号的传播时间来计算各节点之间的距离。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤7中，所述水下各通信节点的预设方位是通过以下步骤获得：

步骤7.1：设置水上通信浮标N1的坐标为（0,0）以及其最大跳数；

步骤7.2：在水上通信浮标的通信半径内，选择距离其最远的水下通信节点N2的坐标为 

，同时选择在水上通信浮标N1、水下通信节点N2通信半径内、且与他们距离之和最远的水下通信节点N3，并且满足N1、N2、N3不在一条直线上；

步骤7.3： 根据所选的N1、N2、N3三个点之间的距离

、

、

，计算水下通信节点N3的坐标为

，其中，

，

；

步骤7.4：通信浮标范围N1内的其他节点的位置则利用所确定的三点N1、N2、N3的坐标和距离信息，再通过三边测量确定。

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