CN108463956B - 水下通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能够与有限频带内的多个传感器节点执行通信的水下通信方法。根据中央节点与多个传感器节点之间的距离，本发明的水下信息通信为每个传感器节点分配适当的频率，然后使用所分配的频率来控制中央节点与多个传感器节点之间的水下通信。借助于这种控制，当分配的频率不合理时，本发明可防止不能平稳地执行水下通信的不可用传感器节点的出现。因此，本发明具有能够在多个传感器节点和中央节点之间执行有效的水下通信的效果。

Description

水下通信方法

技术领域

根据本发明的示例性实施例和非限制性实施例的启示总体上涉及水下通信方法，并且更具体地涉及被配置为在有限频带内与多个传感器节点通信的水下通信方法。

背景技术

伴随着对海洋资源勘探、海洋环境监视和水下军事防御设施的兴趣和重要性的增加，对能够从海洋收集各种水下信息的水下通信的需求最近增加了。由于介质的物理特性，通过使用超声波执行水下通信。用于水下信息发送的通信网络可以通过安装传感器节点，以及通过传感器节点获取和控制水下信息来实现，传感器节点能够在水下环境下执行水下信息的发送/接收。由于使用超声波的水下通信环境，水下通信网络所发送的信号的带宽比陆地通信的带宽相对较小，并且相对于距离的信号衰减也非常大。也就是说，在水下通信网络中使用的频率不得不非常有限，以便在几千米到几十千米的距离内执行可靠的通信。

而且，当使用水下通信网络获取水下信息的需求增加时，在水下执行通信的传感器节点的数量也增加。然而，由于可用于水下信道环境频率的限制，传统的水下通信网络未能有效地控制传感器节点。也就是说，当在传统水下通信网络中仅使用一个频率来执行通信时，并且当相关频率被分配给一个传感器节点时，所有其他传感器节点都不能传送或接收信号。

此外，当在传统的水下通信网络中使用多个频率执行通信时，并且当想要在水中执行通信的传感器节点的数量大于所分配的频率时，数量多到超过所分配频率的水下传感器节点不能发送或接收信号。另外，在这种情况下，所有传感器节点必须连续检查周围传感器节点分配使用的频率，使得水中的电池耗电量大大增加，从而大大减少水下传感器节点的运行时间。

因此，由于多个传感器节点不能被有效地管理，传统的水下通信网络限制了可通信的传感器节点的数量。除此之外，由于对海洋信息的各种需求增加，增加传感器节点的数量变得不可避免，因此，很大程度上需要对各个区域的水下通信网络执行有效控制成为趋势。

发明内容

技术问题

本发明的示例性实施例的的目的在于提供一种水下通信方法，该水下通信方法被配置为使用有限频带与水下通信网络中的多个传感器节点执行有效通信。

本发明的另一个目的是提供一种水下通信方法，该水下通信方法被配置成使用多种多样的传感器节点控制高效的水下通信，多种多样的传感器节点是通过多个较小的频带宽度分割水下通信网络的有限频带宽度，来将相同频率分配给布置在相似通信距离处的多个传感器节点。

技术方案

本发明的一个总体方面，提供了一种在水下通信中通过聚集来自用于检测水下信息的多个中央节点的检测信息，使用中央节点发送到地面网络的水下通信方法，该方法包括：

由中央节点识别整个可用频带，将包含有最低频率的频带设置为正向频带，并将剩余频带设置为反向频带；

将反向频带分割为与任意多个区域一样多的多个小频带；

估测中央节点与多个传感器节点之间的距离；以及

响应于所估测的距离，向每个传感器节点分配适用于其的小频带。

优选但非必要地，该方法可以包括在从中央节点向多个传感器节点传送信号时使用正向频带。

优选但非必要地，距离估测步骤可以包括：将包括参考信号的正向频带从中央节点发送到多个传感器节点；

接收来自传感器节点的发送信号，并检测接收信号的功率大小；以及

识别对应于所检测功率大小的距离值。

优选但非必要地，距离估测步骤可以包括：将包括参考信号的正向频带从中央节点发送到多个传感器节点；

检测从发送参考信号到参考信号到达传感器节点所消耗的延迟时间；以及

识别对应于所检测延迟时间的距离值。

优选但非必要地，距离估测步骤可以由中央节点或传感器节点执行。

优选但非必要地，频率分配步骤可以包括请求适用于所估测距离的频带。

优选但非必要地，分配给多个传感器节点的小频带可以包括在从传感器节点到中央节点的信号发送时使用。

优选但非必要地，在将小频带分配到传感器节点之前，从中央节点到传感器节点的信号发送可以通过正向频带实现，从传感器节点到中央节点的信号发送可以通过分割反向频带中的最低频带来实现。

优选但非必要地，步骤中将反向频带分割为与任意多个区域一样多的多个小频带的区域的任意数量可以是对应于距离数量的值，该距离是通过使用特定频率将整个频带分割成可接收/可发送距离。

优选但非必要地，具有相同频带的多个传感器可以通过多种连接方法以在水下通信中控制，该多种连接方法是通过将相同频带分配到布置在所分割距离处的多个传感器中。

有益效果

本发明所述的水下通信方法是通过允许适用于在中央节点（20）和多个传感器节点（10）之间的距离信息的频带执行水下信息通信。因此，本发明没有不可用的传感器节点，在不可用的传感器节点处，由于分配的频率是不合理的，其水下通信不能顺利实现。也就是说，根据本发明所述的水下通信方法具有有效实现多个传感器节点（10）和中央节点（20）之间的水下通信的有益效果。

另外，根据本发明所述的水下通信方法是这样的，其通过有效地控制多个传感器节点来执行水下通信，以响应于中央节点（20）的多种连接方法的控制，该多种连接方法是通过在有限的频带内，向多个传感器节点（10）分配相同的频带来控制。

附图说明

图1是为帮助理解本发明而示出的用于水下通信的传统水下通信网络的示意图，其。

图2是根据本发明示例性实施例，示出了实现中央控制的水下通信网络的概念图，以用于解释水下通信方法。

图3是根据本发明示例性实施例，示出了在有限频带内分割用于水下通信的频带过程的示意图。

图4是根据本发明示例性实施例，示出了为响应于有限频带内的通信距离，向多个传感器节点分配相同频带过程的示意图。

图5是根据本发明示例性实施例，大体上示出了水下通信方法的示意图。

图6是根据本发明示例性实施例，示出用于解释水下通信方法的传感器节点的示意图。

图7是根据本发明示例性实施例，示出用于解释水下通信方法的中央节点的示意图。

图8是根据本发明示例性实施例，用于解释水下通信方法的水下通信方法操作的流程图。

图9是根据本发明示例性实施例，用于解释水下通信方法的水下通信方法操作的流程图。

图10是根据本发明示例性实施例，用于解释水下通信方法的水下通信方法操作的流程图。

具体实施方式

本发明的一些示例性实施例将结合附图进行详细描述，其中在整个描述中，附图说明中相同的附图标记将归属于相同的元件，并且省略对其重复说明。

后缀“单元”、“部件”和“节点”可以用于元件，以便于说明书的简单撰写。重要的意义或作用可不赋予后缀本身，并且应当理解的是，“单元”、“部件”和“节点”可以一起使用或互换使用。

在描述本发明时，可以省略对本领域中众所周知技术的详细描述，以避免本领域普通技术人员在非必要细节的情况下对本发明的模糊理解。此外，仅提供附图是为了便于理解本说明书中公开的示例性实施例，并且说明书中公开的技术构思不受附图的限制，并且应当认识到的是，所描述的方面旨在涵盖所有这样的替代、修改和变化，其都落入本公开的范围和新颖构思内。

应当理解的是，尽管这里可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。

应当理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，则不存在中间元件。

如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”，“一个”和“该”也倾向于包括复数形式。应当进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”，“包含”和/或“包括有”，“包含有”指明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或零件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、零件和/或其组合的存在或补充。

在下文中，本发明的示例性实施例将参考附图进行详细描述。本领域技术人员应当理解的是，除非脱离本发明的精神和基本特征，否则本发明将以其他特定形式体现。

图1是为帮助理解本发明而示出的用于水下通信的传统水下通信网络的示意图。

图1所示的水下通信网络可以通过包括多个传感器节点（1）、汇聚节点（5）、在传感器节点（1）和汇聚节点（5）之间起到信息传递作用的中间节点（3）来形成。

如此配置的水下通信网络中的水下信息发送可以以下面的方式实现。将从多个传感器节点（1）检测到的水下信息通过由传感器节点（1）形成的中间节点（3）以几个步骤发送到汇聚节点（5）。然而，如此配置的水下通信网络必须经过中间节点（3）的几个步骤将从传感器节点（1）检测到的水下信息发送到汇聚节点（5）。因此，用于在水下通信网络中发送检测到的水下信息的路由算法以复杂的方式实现，该水下通信网络与传感器节点（1）、几个步骤的中间节点（3）和汇聚节点连接。

此外，当在从水下通信网络中的传感器节点（1）向汇聚节点（5）发送水下信息的过程中产生错误时，重新发送检测到的水下信息的过程可能是麻烦的。另外，因为水下通信网络必须经过中间节点（3）的几个步骤，因此，当在发送水下信息的中间节点中产生问题时，则生成带有问题的中间节点有关的传感器节点不能使用。

因此，由于这些和其它问题，图1示出的传统水下通信网络在获取和发送各种类型水下信息的过程中，不得不承受包括数据发送效率在内的使用效率降低的劣势。

在下文中，如在本发明的解释中所使用的，“频带”和“频率”可以互换使用。“频率”可以被称为包含在“频带”中的频率，其中，因为在其预定范围内的频率由几乎相同的信号承载，所以“频带”和“频率”两个术语可以表示同样的意思。

图2是根据本发明示例性实施例，示出了实现中央控制的水下通信网络的概念图，以用于解释水下通信方法。

根据本发明的示例性实施例所述的中央控制的水下通信网络可以通过将来自水下环境的传感器节点以集中方式连接来实现。集中控制型水下通信网络可以包括多于一个传感器节点（10）。传感器节点（10）可以固定地或可移动地安装在水下环境中。为了获得大量的水下信息，传感器节点（10）可以安装尽可能多的数量。集中控制型水下通信网络可以包括中央节点（20），用于将从多个传感器节点（10）收集的水下信息发送到陆地网络。如此配置的集中控制型水下通信网络可通过以下整体方式执行控制。

图3是根据本发明示例性实施例，示出了为控制水下通信，在有限频带内将频带分割为预定数量的小频带过程的示意图。

现参考图3，在中央节点（20）和多个传感器节点（10）之间执行的水下通信基本上使用超声波来实现。此外，中央节点（20）中可用的整个频带可以被分割为正向（方向）频带和反向（相反）（方向）频带。这里，中央节点（20）可使用的整个频带表示中央节点（20）和传感器节点（10）之间的水下可通信区域所包括的频带，每个安装在不同的距离。也就是说，中央节点（20）可使用的整个频带表示从中央节点（20）发送到安装在任意位置处的传感器节点（10）能够执行信号发送的可用的频带，以及可以由中央节点（20）接收从传感器节点（10）发送的信号情况下可用的频带。

当信号从中央节点（20）发送到多个传感器节点（10）时，可以使用正向（方向）频带。此时使用的频带可以设置在可用频带中的最低频带（f0）处。一般来说，当水下通信环境中的发送/接收频率较低时，通信范围增加。因此，当信号从中央节点（20）发送到传感器节点（10）时，无论距离如何，所有传感器节点都可以执行信号接收。因此，具有最低频率的频带（f0）被确定为用于从中央节点（20）到多个传感器节点（10）信号发送的正向频带。

此外，当从每个传感器节点（10）向中央节点（20）执行信号发送时，可以使用反向（相反）频带。这里，除了可用整个频带中的正向频带之外，整个剩余频带可以被包括在反向频带中。而且，反向方向频带又可以分成多个小频带。

此时，可以基于从中央节点（20）到传感器节点（10）的距离来实现小频带分割。也就是说，可以在中央节点中使用相同的频带，并且存在于可发送/可接收距离处的传感器节点可以被设置在相同区域。因此，可以产生与所分割区域的数量一样多的小频带的数量（稍后描述的M个区域）。另外，分别分割的小频带可以被分配用于传感器节点（10）的信号发送，每个传感器节点安装在彼此不同的位置处。例如，可以将频带（f1）分配给布置在离中央节点（20）最远距离处的传感器节点（10）。然后，可以将频带（Fm）分配给布置在离中央节点（20）最近距离处的传感器节点（10）。

在这种情况下，基于中央节点（20），可以将包括在正向方向频带中的频带的最低频带分配给布置在最远距离处的传感器节点（10）。相反地，基于中央节点（20），可以将包括在反向方向频带中的频带的最高频带分配给布置在最近距离处的传感器节点（10）。这是因为，正如前面简要解释的那样，当在水下通信环境中的可发送/可接收频率降低时，通信范围增加，低频带的频率（f1）被分配为最长的通信频率。而且，最高频带的频率被分配为最短的通信频率。

通过这些处理，为每个传感器节点（10）分配用于水下通信的频带，然后执行水下通信，其中通过使用频带实现向中央节点（20）发送水下信息，从传感器节点（10）检测到的水下信息分配给该所使用的频带。

接下来，图4是根据本发明示例性实施例，示出了为响应于有限频带内的通信距离，向多个传感器节点分配相同频带过程的示意图。

水下通信比地面通信更受环境因素的影响。因此，在使用传感器节点（10）内的水下传感器检测水下信息的过程中，不可避免地产生由于环境影响而丢失传感器节点（10）的情况。此外，即使任意传感器节点（10）可正常检测到水下信息，在检测到的水下信息发送到中央节点（20）的过程中，数据发送成功率也不能总是100％满足。因此，只要允许水下通信网络的情况下，安装尽可能多数量的传感器节点（10）就可以实现不定地和准确地获取水下信息。

同时，如图4所示，在中央节点（20）和传感器节点（10）之间存在相同频带的信号可发送区域。也就是说，基于中央节点（20），存在于包括在最近距离中的区域1中的传感器节点可以被均等分配有所分割的频带（fM）。此外，基于中央节点（20），存在于包括在最远距离中的区域（M）处的传感器节点可以被均等分配有所分割的频带（f1）。

在中央节点（20）和传感器节点（10）之间的相同区域或不同区域的区域分割可以在中央节点（20）和传感器节点（10）之间的信号可发送/可接收范围内分割。也就是说，在相同频带（fM）中，水下可通信的传感器节点可以被包含在区域1中。此外，在相同频带（f1）中，水下可通信的传感器节点可以被包含在区域M中。

将同一频带分配给多个传感器节点的原因是因为中央节点（20）中可用的频带存在限制。例如，为了更准确和不定地获得水下信息，除了增加传感器节点的数量外别无他法。

在这种情况下，可能产生在中央节点（20）中可用的整个频带内安装的传感器节点（10）的数量超过所分割的反向方向频带数量的情况。此时，如图4所示，存在于相同区域中的传感器节点被分配相同的频带以控制水下通信。

同时，当多个传感器节点被分配相同的频带时，存在于相同区域中的已经接收相同频带的多个传感器节点（10）可以使用各种多址方法（频分多址、时分多址方法、码分多连接方法、载波侦听多连接方法等）实现与中央节点（20）的通信，以响应于中央节点（20）的控制。进一步的阐述中省略了众所周知的多路访问方法。

接下来，根据本发明示例性实施例，为了响应于中央节点和水下通信网络中的传感器节点之间距离的自适应通信，检测从中央节点到传感器节点距离信息的过程。在说明之前，将描述根据本发明的用于在中央节点和传感器节点之间发送/接收水下信息的示意性配置。

图5是根据本发明示例性实施例，大体上示出了水下通信方法的示意图。图6是根据本发明示例性实施例，示出用于解释水下通信方法的传感器节点的示意图。图7是根据本发明示例性实施例，示出用于解释水下通信方法的中央节点的示意图。

参考图5，多个传感器节点（10）可以收集水下信息，并将收集到的水下信息发送到中央节点（20）。此时，考虑到介质的特殊性，可以使用超声波在中央节点（20）和多个传感器节点（10）之间实现水下信息的发送/接收，从而能够在水下通信网络（50）内部执行信号发送。此外，当信号从传感器节点（10）发送到中央节点（20）时，传感器节点（10）的位置数据也可以被包括和发送。传感器节点（10）的位置信息优选地被记录在传感器节点（10）上，并且在传感器节点（10）安装在任意水下位置时存储。然而，鉴于水下环境的特殊性，传感器节点（10）的位置难以固定安装。因此，尽管将其表示为位置信息，但最好仅将位置信息理解为传感器节点（10）识别信息。

中央节点（20）可以将从多个传感器节点（10）收集的水下信息发送到地面。中央节点（20）可以将聚集的水下信息发送到地面通信网络（60）处的管理节点（64）。因此，中央节点（20）可以与水下通信网络（50）内的多个传感器节点（10）的执行水下通信，并且同时与地面管理节点（64）的执行通信。此外，管理节点（64）可以起到使用无线信号将从中央节点（20）发送的水下信息与地面通信网络（62）执行连接的功能。

参考图6所示，传感器节点（10）可以包括多于一个传感器部件（30），以用于收集水下环境中的必要数据；数据发送部件（36），用于调制由每个传感器部件（30）感测的数据，将数据转换为超声波，并将转换的数据发送到数据发送部件（36）和数据接收部件（38），数据接收部件（38）通过接收从中央节点（20）发送的超声波信号，来解调超声波信号。数据发送部件（36）和数据接收部件（38）可以被包括在发送/接收部件（40）中，并且可以进一步包括控制器（32），以便在传感器部件（30）和发送/接收部件（40）之间起到控制作用。此外，存储传感器节点（10）的整个操作控制所需的各种数据和算法，以及包括存储由传感器部件（30）检测到的水下信息的存储器（34），以形成整体配置。

多个传感器部件（30）可以感测各种水下信息，包括适合其目的的水温、溶解氧和地震波在内的，并将感测数据输出到控制器（32）。尽管传感器部件（30）可以是数字传感器，但传感器部件（30）可以被配置为在模拟信号中将感测的数据转换为数字信号并且输出数字化的信号。在这种情况下，传感器部件（30）可以包括将模拟信号转换为数字信号的A / D（模拟/数字）转换器。此外，本发明的所有配置中的信号处理数据基本上都是数字信号。

发送/接收部件（40）可以实现使用超声波在水中发送或接收数据的功能。也就是说，数据发送部件（36）可以调制由传感器部件（30）检测到的水下信息，并将水下信息转换为超声信号，再将超声信号发送到中央节点（20）。此外，数据接收部件（38）可以接收从中央节点（20）发送的超声波信号，解调超声波信号并将解调后的信号输出到控制器（32）。

所示出的传感器节点（10）可以通过数据接收部件（38）接收从中央节点（20）发送的水下信息。此时，为了能够接收从中央节点（20）发送的信号，数据接收部件（38）可以利用包括在正向频带中的频率执行频率设置。此外，数据发送部件（36）可以被设置为特定频率，该特定频率包含在分配给它的频带中，然后在设定的特定频率上发送用于发送的信息到中央节点（20）。因此，发送/接收部件（40）可以包含在控制器（32）的控制下实现频率设定的配置内。该配置在本领域中是众所周知的，并且在进一步的阐述中省略。此外，在初始设定处理中，从中央节点（20）接收到信号时，设定正向方向频带，初始设定处理是一种各传感器节点（10）的频率设定不能实现的状态。当在初始设定之前向中央节点（20）发送信号时，在所分割的反向频带中设定最低频带。

另外，尽管本发明中的传感器节点（10）可以固定安装在水下环境中的特定位置，但由于海流的影响，传感器节点（10）在大多数情况下不可避免地在预定区域内根据水下环境进行移动。如上所述，由于传感器节点（10）移动的可能性很高，所以优选在执行水下信息测量期间，实时实现其到中央节点（20）的距离测量。但是，在实时控制不合理的情况下，优选的是以预定间隔执行重复测量，同时错开执行水下通信的时间。因为可用频率与距离是可变的，所以使得传感器节点（10）需要实时控制与中央节点（20）执行水下通信的可用频带。在这种情况下，传感器节点（10）的发送/接收部件（40）优选由针对设定频率的可变控制构成。也就是说，以这样的方式执行配置，可变地控制用于信息发送的频率，以响应于传感器节点（10）的当前位置，并且使待发送的信息被发送到中央节点（20）。此外，传感器节点（10）的移动位置优选地在可以与中央节点（20）执行信号发送/接收的特定半径内实现，从而防止传感器节点（10）的损失风险。

控制器（32）可以对存储由传感器部件（30）检测到的各种类型的水下信息执行控制，或者对通过发送/接收部件（40）实现水下信息的发送/接收起到控制功能。另外，控制器（32）可以执行用于传感器节点（10）和中央节点（20）之间的距离检测的控制。为此，控制器（32）可以包括一种从数据接收部件（38）接收中央节点（20）发送的参考信号的配置，该参考信号用于距离检测，并且检测接收功率的大小。通过直接检测接收信号功率或检测电流或电压的来执行简单计算处理，通过该简单计算处理可以检测所接收信号的功率强度。所接收功率大小的检测配置可以应用通过包括众所周知的功率检测器的各种技术来。此外，可以通过电阻的接收部件的安装来简单地检测电流大小，电阻用于电流检测。这些检测技术是已知的技术，将省略对其的进一步阐述。此外，通过使用预先存储在存储器（34）中的功率强度相对距离值，使用所检测接收信号的功率强度进行距离估测是可行的。

此外，作为距离检测的另一种方法，控制器（32）可以通过检测从中央节点（20）发送到传感器节点（10）的信号到达所消耗的延迟时间来检测距离。例如，通过比较开始中央节点（20）的信号发送时间信息和信号到达时间信息之间的差异，可以检测延迟时间。此外，为了检测到达时间信息，优选地，控制器（32）包括计时功能。另外，通过使用预先存储在存储器（34）中的延迟时间相对距离值，使用检测到的延迟时间的距离估测是可能的。

存储器（34）可以用于存储各种类型的信息，包括由传感器节点（10）检测到的信号和由传感器节点（10）使用的信号。传感器部件（30）的检测信息也可以存储在存储器（30）中。特别地，当传感器节点（10）直接实现距离检测时，存储器（34）可以存储用于距离检测的各种类型的信息。例如，存储器（34）可以存储用于确定接收功率强度的信息、用于检测延迟时间的信息、用于使用所接收的功率强度来确定中央节点（20）和传感器节点（10）之间距离的信息、以及响应于所估测的距离信息，能够接收水下通信的频带信息。控制器（32）可以通过使用存储在存储器（34）中的各种信息，来处理距离估测和特定频带等的请求。

参考图7，中央节点（20）可以由第一发送/接收部件（22）以及第二发送/接收部件（21）形成，其中第一发送/接收部件（22）通过使用超声波与传感器节点（10）执行水下通信的发送/接收，第二发送/接收部件（21）用于与管理节点（64）执行信号的发送/接收。此外，中央节点（20）可以包括控制器（28），用于控制第一发送/接收部件和第二发送/接收部件（21、22），以及控制信息存储；以及用于存储各种类型信息的存储器（29）。优选地，根据中央节点（20）的位置是在海面上还是在海面下，第二发送/接收部件（21）可以被配置为使用超声波发送信号，或者使用无线信号发送信号。

此外，中央节点（20）可以包括分频器（27），用于将整个可用频带分割为正向频带和反向频带，并且将反向频带依次分割为小频带。分频器（27）可以被包括在第一发送/接收部件（22）中，因为在传感器节点（10）发送和接收水下信息时被使用。

分频器（27），如图4所示，可以配置为将中央节点（20）中可用的整个频带分割为与区域数量（M个）一样多的小频带。因此，控制器（28）可以通过控制分频器（27）的分频来实现信号的正常发送/接收，并且可以在任意传感器节点（10）发送/接收信号的过程中，将分频器（27）的频率分割为相关频率。

第一发送/接收部件（22）内的数据发送部件（26）可以设置有正向频带（f0），使得能够向所有传感器节点发送信号。此外，第一发送/接收部件（22）内的数据接收部件（24）可以设置有所有的反向频带，反向频带存在于分配给执行水下通信的任意传感器节点的频带中。然而，在未在每个传感器节点（20）处设置频率的初始设置过程期间，可以在分割的反向方向频带中将数据接收部件（24）设置为最低频带。这是因为传感器节点（10）处于频率设置之前的情况下，接收从存在于所有距离的传感器节点发送的信号。

为此，在控制器（28）的控制下，通过分频器（27）对频率执行分频，在数据接收部件（24）的频率通过分频设置时，控制一系列过程。优选地，分频器的分频操作通过数字方法来实现。此外，数据接收部件（24）可以包括频率可变控制配置，以使得能够在与所有传感器节点的信号发送/接收处理中执行正常信号接收。

此外，控制器（28）可以在传感器节点（10）与中央节点（20）的距离检测中起到控制作用，以响应于每个传感器节点（10）的能量管理，以及响应于存在于交通管制相似距离处的传感器节点（10）的多重访问控制和必要性。在本发明中，甚至可以在传感器节点（10）的控制器（32）处执行距离检测处理，并且还可以在中央节点（20）的控制器（28）处执行距离检测处理。因此，在没有实现传感器节点的频率设置的初始过程中，控制器（28）可以包括一配置，在该配置中，数据接收部件（24）接收在传感器节点（10）处发送的参考信号，该参考信号用于距离检测，并检测接收功率的大小。

接收信号的功率强度可以通过直接检测接收信号的功率或检测电流或电压的简单计算过程来检测。接收功率大小检测配置可以通过应用包括众所周知的功率检测器的各种技术。接收功率的大小检测也可以由传感器节点实现，并且仅接收其检测信息。此外，可以通过在用于电流检测的电阻的接收部件的安装来简单地检测电流大小。同样地，传感器节点可以实现对当前大小的检测，并且仅接收其检测信息。这些检测技术是已知的技术，将省略对其的进一步阐述。

此外，通过使用预先存储在存储器（29）中的功率强度相对距离值，使用检测到的接收信号的功率强度进行距离估测是可行的。

此外，作为距离检测的另一种方法，控制器（28）可以通过检测从传感器节点（10）发送到中央节点（20）的信号到达所消耗的延迟时间来检测距离。例如，通过比较开始传感器节点（10）的信号发送的时间信息与到达中央节点（20）的信号的时间信息之间的差异，可以检测延迟时间。此外，为了检测到达时间信息，优选地，控制器（28）包括计时功能。另外，通过使用预先存储在存储器（29）中的延迟时间相对距离值，使用检测到的延迟时间进行距离估测是可行的。

存储器（29）可以用于存储各种类型的信息，包括由传感器节点（10）检测到的信号和由传感器节点（10）使用的信号。特别地，当中央节点（20）实现距离检测时，存储器（29）可以存储用于距离检测的各种类型的信息。例如，通过使用从传感器节点（10）提供的接收功率强度和延迟时间，存储器（29）可以存储用于确定中央节点（20）与传感器节点（10）之间的距离的信息；以及可分配的能够执行水下通信的频带信息，以响应所估测的距离信息。控制器（29）可以使用存储在存储器（29）中的各种类型的信息来估测距离，并选择要分配给任意传感器节点的特定频带。此外，存储器（29）可以包括用于分频的控制信息，以及可以包括与分割的频带有关的信息和设置于其上的传感器节点。存储器（29）也可以存储从传感器节点收集的水下信息。

接下来，图8是根据本发明示例性实施例，用于解释水下通信方法的水下通信方法操作的流程图。图8示出了根据第一控制方法的操作过程，当中央节点（20）向传感器节点（10）分配特定频率时，使用第一控制方法。

根据本发明，水下通信网络必须检测中央节点（20）和传感器节点（10）之间的距离信息。此外，传感器节点（10）可以被分配特定频带，以响应于检测到的距离信息。也就是说，需要响应于检测到的距离信息自适应地分配特定频率。

首先，中央节点（20）的控制器（28）可以确定整个可用频带，并将整个可用频带分割为正向频带和反向频带，如图3所示（步骤200）。

此外，控制器（28）可以起到将反向方向频带分割为与图4中所示的区域数量（M个）一样多的小频带的控制功能（步骤205）。步骤200和步骤205最好是响应于中央节点的性能预先设定的。也就是说，当在水下环境中发送和接收信号时，中央节点（20）可以通过在正向频带中包括最远可发送频率来设置和预先存储。此外，信号可发送距离（区域）可被预先分割并存储在中央节点（20）和多个传感器节点（10）之间。这样存储的距离和频率值可以存储在中央节点（20）的存储器（29）和传感器节点（10）的存储器（34）中。此后，优选地，可以基于存储器值来实现频率设置处理。

此外，可以从存储器（29）读取用于检测预先存储距离信息的参考信号。参考信号可以在正向频带上被携带，并且通过数据发送/接收部件（26）被转换为超声信号，数据发送/接收部件（26）被发送到包括在中央节点（20）的整个可用频带中的所有传感器节点（10）上，其中传感器节点（10）的接收部件（38）可以接收参考信号（步骤210）。

在步骤210中接收到参考信号的传感器节点（10）可以检测接收到的信号的功率强度，以及在信号发送中使用的时间延迟，以及使用检测到的信号来估测与中央节点（20）的距离（步骤220）。传感器节点（10）和中央节点（20）之间的距离估测可以使用接收信号的功率强度来实现。

在步骤220完成距离估测之后，传感器节点（10）可以请求中央节点（20）将对应于估测距离的频带分配给传感器节点的频带（步骤230）。步骤230中请求特定频带的处理是在将频带分配给相关传感器节点之前，因此在这种情况下，使用在反向频带中被设为最低频带的频带，来发送频带请求信号。此外，可以基于存储器（34）中的预设值和存储值，来选择与在步骤230中估测的距离相对应的频带值。

之后，中央节点（20）可以收集从多个传感器节点（10）请求的频带信息，为每个传感器节点（10）分配适用的频带，并且将分配的频率信息发送到相关传感器节点侧（步骤240）。因此，中央节点（20）的数据接收部件（24）也被设置在正向频带，直到步骤240。

接下来，传感器节点（10）可以从中央节点（20）接收承载在频带（f0）上的超声波信号，该频带在利用中央节点（20）发送/接收水下信息期间被分配给正向频带，并且可以向中央节点（20）发送超声波信号，该超声波信号加载有水下信息，水下信息在反向频带内所分配的频带处。

通过这些处理，可以在中央节点（20）与多个传感器节点（10）之间分配适合于中央节点（20）和传感器节点（10）的距离信息的适应性频带，从而实现水下信息通信。因此，本发明使得多个传感器节点（10）响应于有限频带内的每个距离而被分配有适当的频率，从而防止由于分配频率的不合理性而导致的不可用传感器节点的产生。也就是说，可以有效地实现多个传感器节点（10）和中央节点（20）之间的水下通信。

接下来，图9是根据本发明示例性实施例，用于解释水下通信方法的水下通信方法操作的流程图。

图9示出了根据第二控制方法的操作过程，当中央节点（20）向传感器节点（10）分配特定频率时，使用第二控制方法。所示出的示例性实施例教导了在其自身的判断下，估测到每个传感器节点（10）的距离，并且响应于估测的距离向每个传感器节点（10）分配频率的过程。

首先，中央节点（20）的控制器（28）可以确定其可用的整个频带，并且将整个可用频带分割为正向频带和反向频带，如图3所示（步骤300）。

此外，控制器（28）可以在将反向频带分割为与图4所示的区域数量（M个）一样多的小频带中执行控制（步骤305）。

步骤300和步骤305最好预先设定，以响应于中央节点（20）的性能。也就是说，当在水下环境中发送和接收信号时，中央节点（20）可以通过在正向频带中包括最远的可发送频率，来设置和预先存储。此外，信号可发送距离（区域）可被预先分割并存储在中央节点（20）和多个传感器节点（10）之间。这样存储的距离和频率值可以存储在中央节点（20）的存储器（29）和传感器节点（10）的存储器（34）中。此后，优选地，可以基于存储器值来实现频率设置处理。

此外，可以从存储器读取用于检测预存距离信息的参考信号。参考信号可以在正向频带上被携带，并被转换为超声信号以允许从所有传感器节点（10）到中央节点（20）的发送操作。已经通过数据接收部件（24）接收到从多个传感器节点（10）发送的参考信号的中央节点（20）可以检测来自每个传感器节点的接收信号的功率强度和用于发送时间的延迟时间。用于检测信号的信号发送/接收处理处于将频带分配给相关传感器节点之前的状态。因此，通过使用设置在反向频带中的最低频带的频带（步骤310），传感器节点（10）的数据发送部件（36）和中央节点（20）的数据接收部件（24）可以执行信号的发送/接收。同时，传感器节点（10）也可以直接执行信号检测操作，并且中央节点（20）输入检测到的控制信息以用于随后的距离估测。

通过使用每个传感器节点处接收信号的功率强度以及用于信号发送的时间延迟，在步骤310中已经检测到用于距离估测的信号的传感器节点（10）可以估测中央节点和每个传感器节点之间的距离（步骤320）。通过使用预先存储在存储器（29）中的功率强度相对距离值来估测距离，则距离估测是可行的。此外，可以通过使用预先存储在存储器（29）中的时间延迟相对距离值来估测距离。

随后，中央节点（20）可以自适应地分配适合于每个传感器节点（10）的频带，以响应于估测的距离，并且将分配的频率信息发送到相关的传感器节点侧（步骤330，步骤340）。

接下来，传感器节点（10）可以从中央节点（20）接收频带（f0）上承载的超声波信号，在利用中央节点（20）发送/接收水下信息期间，该频带（f0）分配给正向频带，并且传感器节点（10）可以向中央节点（20）发送加载有水下信息的超声波信号，该水下信息在反向频带内分配的频带处。

通过这些处理，可以在中央节点（20）与多个传感器节点（10）之间分配适合于中央节点（20）和传感器节点（10）的距离信息的适应性频带，从而实现水下信息通信。因此，本发明可以在有限频带内的，实现多个传感器节点（10）和中央节点（20）之间的有效的水下通信。

接下来，图10是根据本发明示例性实施例，用于解释水下通信方法的水下通信方法操作的流程图。

图10示出了根据第三控制方法的操作过程，当中央节点（20）向传感器节点（10）分配特定频率时，使用该第三控制方法。所示出的示例性实施例示出了用于证明可以用相同频带设置多个传感器节点的过程图。

中央节点（20）的控制器（28）可以确定其可用的整个频带，并且将整个可用频带分割为正向频带和反向频带，如图3所示（步骤400）。

此外，控制器（28）可以在将反向频带分割为与图4中所示的区域数量（M个）一样多的小频带时执行控制（步骤405）。

为响应于中央节点（20）的性能，可以优选地，预设步骤400和步骤405。也就是说，当在水下环境中发送和接收信号时，中央节点（20）可以通过在正向频带中包括最远的可发送频率来设置和预先存储。

此外，当中央节点（20）在水下环境中发送和接收信号时，中央节点（20）可以将信号可发送距离（区域）执行分割并预先存储在存储器中。如此分割和设置的距离和频率值优选地存储在中央节点（20）的存储器（29）中和传感器节点（10）的存储器（34）中，然后优选地，用于随后的频率设置过程。

此外，可以从存储器（29）中读取用于检测预先存储的距离信息的参考信号。参考信号可以在正向频带上被携带，并且通过数据发送部件（26）被转换为超声信号，以被发送到包括在中央节点（20）的整个可用频带中的所有传感器节点（10）上（步骤410）。已经通过数据接收部件（38）接收到步骤410发送的参考信号的中央节点（20）可以检测接收信号的功率强度和/或用于信号发送的延迟时间，并且可以将检测到的信号发送给中央节点（20）。检测到的信号发送过程处于将频带分配给相关传感器节点之前的状态，其中检测到的信号可以使用反向频带中的最低频带发送到中央节点（20）。

通过使用来自传感器节点的接收信号的功率强度和/或用于信号发送的时间延迟，接收到检测信号的控制器（28）可以估测中央节点与每个传感器节点之间的距离（步骤420）。通过使用预先存储在存储器（29）中的功率强度相对距离值，此时的距离估测是可行的。此外，还可以通过使用预先存储在存储器（29）中的时间延迟相对距离值来估测距离。

随后，为响应于估测的距离，中央节点（20）可以自适应地分配适合于每个传感器节点（10）的频带（步骤430）。

当在步骤430中将频率分配给传感器节点（10）时，可以将相同的频带分配给布置在相同距离或相似距离处的传感器节点，如图4所示。

此时，中央节点（20）可以将可发送/可接收信号的传感器节点包裹在同一区域中的相同频带内。此外，相同的区域可以被分配相同的频带。此外，在步骤430中分配给每个区域的频带信息可以被发送到多个传感器节点（步骤440）。

传感器节点（10）可以从中央节点（20）接收频带（f0）上携带的超声波信号，在与中央节点（20）发送/接收水下信息期间，频带（f0）被分配给正向频带，并且传感器节点（10）可以向中央节点（20）发送加载有水下信息的超声波信号，水下信息在反向频带内分配的频带处。

同时，布置在相同区域内的传感器节点可以发送各自具有相同频带的水下信号。因此，在这种情况下，中央节点（20）内的控制器（28）可能需要与存在于相同区域中的多个传感器节点对水下通信执行适当控制。在这种情况下，如前所述，可以根据多路访问方法来执行水下通信控制（步骤450）。

将相同频率分配给多个传感器节点的原因在于，中央节点（20）可使用的频带存在限制。例如，为了准确理解水下信息，除了增加传感器节点的数量外别无他法。在这种情况下，可能产生安装在中央节点（20）可使用的整个频带内的传感器节点的数量大于分割反向频带的数量的情况。此时，如图4所示，存在于相同区域中的传感器节点可以被分配相同的频带，从而控制水下通信。

本发明图10的示例性实施例可以通过将多个传感器节点（10）分配到有限频带内的相同频带，以及通过中央节点（20）的多址方法有效地控制多个传感器节点，来执行水下通信。因此，可以在具有比所分割频带更多数量的传感器节点上实现有效的水下通信控制。

因此，前面的详细解释可以认为并非限制说明而是作为示例。本发明的范围可以通过对所附权利要求的理性说明来确定，并且在本发明等同范围内的所有改变都应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种水下通信方法，其是通过汇聚来自检测水中信息的多个传感器节点的检测信息，使用中央节点向地面网络发送的水下通信，所述方法包括：

由所述中央节点识别整个可用频带，将包含有最低频率的频带设置为正向频带，并将剩余频带设置为反向频带；

将所述反向频带分割为与任意多个区域一样多的多个小频带；

估测所述中央节点与所述多个传感器节点之间的距离；以及

响应于估测的距离，向每个传感器节点分配适用于其的小频带。

2.如权利要求1所述的水下通信方法，还包括：当从所述中央节点向所述多个传感器节点发送信号时，使用所述正向频带。

3.如权利要求2所述的水下通信方法，其中所述距离估测步骤包括：

将包括参考信号的所述正向频带从所述中央节点发送到所述多个传感器节点；

接收来自所述传感器节点的发送信号，并检测接收信号的功率大小；以及

识别对应于所检测到的功率大小的距离值。

4.如权利要求2所述的水下通信方法，其中所述距离估测步骤包括：

将包括参考信号的所述正向频带从中央节点发送到所述多个传感器节点；

检测从发送参考信号到参考信号到达传感器节点所消耗的延迟时间；以及

识别对应于所检测到的延迟时间的距离值。

5.如权利要求1所述的水下通信方法，其中，所述距离估测步骤由所述中央节点或所述传感器节点执行。

6.如权利要求1所述的水下通信方法，其中，所述频率分配步骤包括请求适于所估测距离的频带。

7.如权利要求1所述的水下通信方法，其中，当从所述传感器节点向所述中央节点发送信号时，使用分配给多个传感器节点的小频带。

8.如权利要求7所述的水下通信方法，其中，在将所述小频带分配给所述传感器节点之前，从所述中央节点到所述传感器节点的信号发送由所述正向频带实现，并且从传感器节点到中央节点的所述信号发送由所分割的反向频带中的最低频带来实现。

9.如权利要求1所述的水下通信方法，其中，在将所述反向频带分割为与任意多个区域一样多的多个小频带的步骤中，区域的数量是对应于距离的数量，该距离是所述整个频带通过使用特定频率为可接收/可发送的距离。

10.如权利要求9所述的水下通信方法，其中，具有相同频带的所述多个传感器是通过多种连接方法在水下通信中执行控制，所述多种连接方法是分配相同频带给布置在不同距离处的所述多个传感器。

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