CN108471328A - 声光融合的水下通信链路建立机制与方法 - Google Patents

声光融合的水下通信链路建立机制与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了声光融合的水下通信链路建立机制与方法，用于水下通信系统的建立。水下活动的设备、舰艇或海洋设备平台均安装有水声换能器阵、发射换能器、可见光通信发射机、可见光通信接收机以及信号处理机。水声通信系统中的水声换能器与声学应答器之间经长程超短基线系统实现设备与设备之间的定位。可见光通信系统使用蓝绿激光光源，接收端实现自动对准模块。信号处理机用来处理信号，实现通信过程中的自适应通信确认机制。本发明提供了声光融合的水下通信链路建立机制与方法，在带宽、数据传输速率、保密性、耗能和时延等方面均具有优势。

Description

声光融合的水下通信链路建立机制与方法
技术领域
本发明涉及声光融合的水下通信链路建立机制与方法，具体涉及水下通信中的声音-激光融合的通信链路建立机制与方法，属于水下无线通信技术领域。
背景技术
随着陆地资源的不断消耗，海洋的开发越来越具有特殊的战略地位和军事价值。潜艇、无人水下航行器和水下传感器等水下设备在探索和争夺海洋资源中起到关键作用，如果能在海域中建立可靠的水下通信链路将会对国家的军事、经济带来更深的变革。目前水下通信设备常用水声通信、超/甚低频无线电通信和可见光通信。水声通信传输速率最高只能达到150kb/s，其存在带宽低，传播时延大，受多径干扰影响严重，误码率高，保密性差等问题；超/甚低频无线电通信以低频电磁波为信息载体，同样也存在频带窄、通信容量小、通信速率太低等问题；可见光通信是以蓝绿激光为信息载体的新型水下通信技术。
激光本身具有亮度高、方向性好、相干性强等特征，由于激光束的发散角小，方向性好，因此，激光通信所需的发射天线和接收天线的结构轻便。基于蓝绿激光的水下光通信系统具有通信速率高、保密性强的优点，是中短距离大容量数据传输的有效手段，然而虽然其成本低，传输距离远，但是存在穿透性差、传输易中断等问题。
建立水下通信链路需要解决的首要问题是水下的通信连接问题。需要建立一套可靠的连接机制来确保水下通信链路的传输可靠性，并能够适应水下环境的各种变化。
随着光通信在水下通信系统中的普及，水下蓝绿光通信成为近年来水下通信的主流通信手段。专利号为CN104702345A的中国发明专利《蓝激光波水下通信设备》其核心即为一种蓝激光波水下通信设备，可以实现潜艇|潜艇之间通信，也可以实现舰艇|潜艇之间通信，可以岸上(指挥)|潜艇之间通信。专利号为CN106452585A的中国发明专利《一种基于蓝绿光源的高速水下通信系统》通过加入接收端自动对准模块，可以实现短距离和长距离高速水下通信。
然而，这些水下通信系统存在如下两方面的问题：其一是通信不可靠，无法在水下建立水可靠的通信链路。在通信之前无法确认双方是否均可有进行通信，发送端无法知道信息是否被正确接收。无线通信质量不高的时候，出现通信中断的情况，因此信息易丢失。其二是定位精度差，无法满足水下通信的定位需求，且水下光定位实现难度较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种声光融合的水下通信链路建立机制及方法，可实现水下活动、水下作业的设备及终端之间的定位和通信，具有带宽高、数据传输速率高、保密性强、耗能低和时延短的综合优势。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案：
一种声光融合的水下通信链路建立机制，适用于水下通信，水下活动的设备、舰艇或海洋设备平台可浮在水面上或潜入水下中，舰艇或海洋平台设备在水下的某一部位上安装有水声通信系统，可见光通信系统和信号处理机；所述水声通信系统包括：水声换能器阵和声学应答器，所述可见光通信系统包括：可见光通信发射机和可见光通信接收机，所述信号处理机用于处理信号，执行通信策略。
水声通信系统中的水声换能器与声学应答器之间经长程超短基线系统实现设备与设备之间的定位，可见光通信系统使用蓝绿激光光源，接收端实现自动对准模块，信号处理机实现通信过程中的自适应通信连接机制。
所述长程超短基线系统至少包括数据采集处理装置，数据采集处理装置对水声换能器与声学应答器之间所传输信号进行处理，以判断两个设备之间的相对位置和距离；
所述水声换能器和声学应答器均为声呐装置，且外形为十字结构或三角结构；声呐装置通过收发超声波实现对水面或水下设备的检测和定位。
所述的声学应答器用于将要发送的电能转化为可以在水中传播的声能；
进一步地，水声换能器阵为4N元接收基阵，由4N个水声应答器构成，用于将接收到信源发送的声能转化为电能；
进一步地，可见光通信发射机和可见光通信接收机通过蓝绿激光来实现水下通信。
进一步地，所述声光融合的水下通信链路建立机制及方法，包括以下步骤：
第1步：设备A通过设于其上的声学应答器首先发出超声波，设备B上的声学换能器接收到设备A发出的超声波，并通过长程超短基线定位系统实现对设备A的定位,设定：设备A与设备B之间的距离为x；
第2步：采用自适应连接机制
(1)n秒后设备B再次对A进行定位，得到设备A对于设备B的相对位移△x和相对位移角△θ，判断设备A与设备B的相对位置，若设备A相对于设备B的位置是静止的，则执行两次握手；
(2)若设备A相对于设备B的相对位移△x和相对位移角△θ满足：
△θ＜θ0且
其中，θ0为通信时允许的最大相移角，x为设备B向设备A发送请求连接时两设备之间的距离，x0为通信时允许的最大距离，则执行三次握手；
(3)若设备B相对于设备A的相对位移△x和相对位移角△θ满足：
△θ＞θ0或
则执行第四次握手；若连接成功则执行如下第3步，连接失败则调整设备A与设备B的相对位置和姿态，再次执行第2步；
第3步：通信链路建立成功后，设备A(或B)的发射机将携带有信号的蓝绿光源发射到设备B(或A)，设备B(或A)的接收机接收到蓝绿光并处理为语音、视频、传感器等模拟信号或者数字信号；
第4步：保持连接，若连接中断，则直接跳转如下S2～S3继续执行；
第5步：若有设备请求中断通信，则关闭通信链路。
进一步地，在第2步中，所述的二次握手具体步骤包括：
S1：设备B将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给设备A，设备B进入SYN_SENT状态，等待设备A确认；
S2：设备A检查seq是否为J，SYN是否为1，如果正确则连接建立成功，设备A和设备B进入ESTABLISHED状态，完成二次握手，随后设备A与设备B之间开始传输数据；
进一步地，在第2步中，所述的三次握手具体步骤包括：
U1：设备B将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给设备A，设备B进入SYN_SENT状态，等待设备A确认；
U2：设备A收到数据包后由标志位SYN＝1知道设备B请求建立连接，设备A将标志位SYN和ACK都置为1，ack＝J+1，随机产生一个值seq＝K，并将该SYN-SEQ-ACK1包发送给设备B以确认连接请求，设备A进入SYN_RCVD状态；
U3：设备B收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝K+1，并将该SYN-SEQ-ACK2包发送给设备A，设备A检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，设备A和设备B进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后设备B与设备A之间开始传输数据。
进一步地，在第2步中，所述的四次握手具体步骤包括：
V1：设备B将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给设备A，设备B进入SYN_SENT状态，等待设备A确认；
V2：设备A收到数据包后由标志位SYN＝1知道设备B请求建立连接，设备A将标志位SYN和ACK都置为1，ack＝J+1，随机产生一个值seq＝K，并将该SYN-SEQ-ACK1包发送给设备B以确认连接请求，设备A进入SYN_RCVD状态；
V3：设备B收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝K+1，随机产生一个值seq＝W，并将该SYN-SEQ-ACK2包发送给设备A，并将该数据包发送给设备A以确认连接请求，设备B进入SYN_RCVD状态；
V4：设备A收到确认后，检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝W+1，并将该SYN-SEQ-ACK3包发送给设备A，设备A检查ack是否为W+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，设备A和设备B进入ESTABLISHED状态，完成四次握手，随后设备B与设备A之间开始传输数据。
水下活动的设备、舰艇或海洋设备平台若同时安装水声换能器阵、发射换能器、可见光通信发射机、可见光通信接收机以及信号处理机，则可以实现双向通信。
本发明具有如下优点：
本发明声光融合的水下通信链路建立机制及方法，可实现水下活动、水下作业的设备及终端之间的定位和通信，具有带宽高、数据传输速率高、保密性强、耗能低和时延短的综合优势。
附图说明
图1为本发明中声光融合的水下通信链路建立机制与方法的水声转换器阵的布阵形式；
图2为本发明中声光融合的水下通信链路建立机制与方法的流程图；
图3为本发明中声光融合的水下通信链路建立机制与方法的二次握手过程；
图4为本发明中声光融合的水下通信链路建立机制与方法的三次握手过程；
图5为本发明中声光融合的水下通信链路建立机制与方法的四次握手过程。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明声光融合的水下通信链路建立机制与方法，通过在一艘同时装有水声换能器阵、发射换能器、可见光通信发射机、可见光通信接收机以及信号处理机的潜艇上实施，该潜艇可浮在水面上，也可潜入水中，具体地，该潜艇可在水下进行通信。进一步地，该潜艇还可实现双向、及时、远距离的可靠通信。由于通信距离较远，通信可靠，因此可远离基地在较长时间和较大海洋区域以至深入敌方海区独立作战。为使本发明的技术方案更为清晰，下面将结合附图进一步的对本发明作详细描述。
图1是本发明中水声转换器阵的布阵形式。声基阵声学换能器共8元，分两组分别位于相互垂直的两个坐标轴上(1,2,3,4在x轴上，5,6,7,8在Y轴)。每个声学换能器的间距d＝40mm，最大基线长度L＝8d＝320mm。声学应答器位于接收阵中心，发射束宽约为1070(-3dB全束宽，9KHz)，该波束宽度能覆盖45度的测量扇面。
图2是本发明中通信链路建立建立机制的流程图。具体地，该通信链路建立过程的步骤为：
S1、设备A通过设于其上的声学应答器首先发出超声波，设备B上的声学换能器接收到设备A发出的超声波，并通过长程超短基线定位系统实现对设备A的定位，设备A与设备B之间的距离为x；
S2、采用自适应连接机制。
(1)判断设备A与设备B的相对位置，若设备A相对于设备B的位置是静止的，则执行二次握手；
(2)若设备A相对于设备B的相对位移△x和相对位移角△θ满足：
Δθ＜θ0且
θ0为通信时允许的最大相移角，x0为通信时允许的最大距离。则执行三次握手；
(3)若设备B相对于设备A的相对位移△x和相对位移角△θ满足：
△θ＜θ0或
则执行四次握手。
连接成功则执行第3步，连接失败则调整设备A与设备B的相对位置和姿态，再次执行第2步；
S3、通信链路建立成功后，设备A(或B)的发射机将携带有信号的蓝绿光源发射到设备B(或A)，设备B(或A)的接收机接收到蓝绿光并处理为语音、视频、传感器等模拟信号或者数字信号。
S4、保持连接，若连接中断，则执行S2；
S5、若有设备请求中断通信，则关闭通信链路。以下分二个实施详细介绍：
实施例一
本实例所述的一种安装有通信装置的潜艇。具体地，潜艇A与潜艇B相对静止，该通信链路建立过程的步骤为：
S1、潜艇A通过设于其上的声学应答器首先发出超声波，潜艇B上的声学换能器接收到潜艇A发出的超声波，并通过长程超短基线定位系统实现对潜艇A的定位，设备A与设备B之间的距离x等于200；
S2、采用自适应连接机制。1s后潜艇B再次对A进行定位，得到潜艇A对于潜艇B的相对位移△x和相对位移角△θ。判断潜艇A与潜艇B的相对位置，潜艇A与潜艇B相对静止，执行二次握手。
图3是本发明中二次握手过程，具体地，该握手步骤为：
第一步、潜艇B将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给潜艇A，潜艇B进入SYN_SENT状态，等待潜艇A确认。
第二步、潜艇A检查seq是否为J，SYN是否为1，如果正确则连接建立成功，潜艇A和潜艇B进入ESTABLISHED状态，完成二次握手。
S3、通信链路建立成功后，潜艇A(或B)的发射机将携带有信号的蓝绿光源发射到潜艇B(或A)，潜艇B(或A)的接收机接收到蓝绿光并处理为语音、视频、传感器等模拟信号或者数字信号。
S4、保持连接，若连接中断，则执行S2；
S5、若有潜艇请求中断通信，则关闭通信链路。
实施例二
本实例所述的一种安装有通信装置的潜艇。具体地，通信时允许的最大距离x0等于500m，通信时允许的最大相移角θ0等于45°。
S1、潜艇A通过设于其上的声学应答器首先发出超声波，潜艇B上的声学换能器接收到潜艇A发出的超声波，并通过长程超短基线定位系统实现对潜艇A的定位，潜艇A与潜艇B之间的距离x等于200；
S2、采用自适应连接机制。1s后设备B再次对A进行定位，得到潜艇A相对于潜艇B的相对位移△x等于100m，相对位移角△θ等于30°。判断潜艇A与潜艇B的相对位置。潜艇B相对于潜艇A的相对位移△x和相对位移角△θ满足：
△θ＝30°＜45°＝θ0且，
执行三次握手。
图4是本发明中三次握手过程，具体地，该握手步骤为：
第一步、潜艇B将标志位SYN置为A，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给潜艇A，潜艇B进入SYN_SENT状态，等待潜艇A确认。
第二步、潜艇A收到数据包后由标志位SYN＝1知道潜艇B请求建立连接，潜艇A将标志位SYN和ACK都置为1，ack＝J+1，随机产生一个值seq＝K，并将该SYN-SEQ-ACK1包发送给潜艇B以确认连接请求，潜艇A进入SYN_RCVD状态。
第三步、潜艇B收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝K+1，并将该SYN-SEQ-ACK2包发送给潜艇A，潜艇A检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，潜艇A和潜艇B进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
S3、通信链路建立成功后，潜艇A(或B)的发射机将携带有信号的蓝绿光源发射到潜艇B(或A)，潜艇B(或A)的接收机接收到蓝绿光并处理为语音、视频、传感器等模拟信号或者数字信号。
S4、保持连接，若连接中断，则执行S2；
S5、若有潜艇请求中断通信，则关闭通信链路。
实施例三
本实例所述的一种安装有通信装置的潜艇。具体地，通信时允许的最大距离x0等于500m，通信时允许的最大相移角θ0等于45°，潜艇A相对于潜艇B的相对位移△x等于200m，相对位移角△θ等于30°。
S1、潜艇A通过设于其上的声学应答器首先发出超声波，潜艇B上的声学换能器接收到潜艇A发出的超声波，并通过长程超短基线定位系统实现对潜艇A的定位，潜艇A与潜艇B之间的距离x等于200m；
S2、采用自适应连接机制。1s后设备B再次对A进行定位，得到潜艇A相对于潜艇B的相对位移△x等于400m，相对位移角△θ等于30°。判断潜艇A与潜艇B的相对位置。潜艇B相对于潜艇A的相对位移△x和相对位移角△θ满足
执行四次握手。
图5是本发明中四次握手过程，具体地，该握手步骤为：
第一步、潜艇B将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给潜艇A，潜艇B进入SYN_SENT状态，等待潜艇A确认。
第二步、潜艇A收到数据包后由标志位SYN＝1知道潜艇B请求建立连接，潜艇A将标志位SYN和ACK都置为1，ack＝J+1，随机产生一个值seq＝K，并将该SYN-SEQ-ACK1包发送给潜艇B以确认连接请求，潜艇A进入SYN_RCVD状态。
第三步、潜艇B收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝K+1，随机产生一个值seq＝W，并将该SYN-SEQ-ACK2包发送给潜艇A以确认连接请求，潜艇B进入SYN_RCVD状态。
第四步、潜艇A收到确认后，检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝W+1，并将该SYN-SEQ-ACK3包发送给潜艇A，潜艇A检查ack是否为W+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，潜艇A和潜艇B进入ESTABLISHED状态，完成四次握手。
S3、通信链路建立成功后，潜艇A(或B)的发射机将携带有信号的蓝绿光源发射到潜艇B(或A)，潜艇B(或A)的接收机接收到蓝绿光并处理为语音、视频、传感器等模拟信号或者数字信号。
S4、保持连接，若连接中断，则执行S2；
S5、若有潜艇请求中断通信，则关闭通信链路。
本发明提供一种声音-激光融合的水下通信链路建立机制及方法克服了现有技术的缺点与不足，可实现水下活动、水下作业的设备及终端之间的定位和通信，具有带宽高、数据传输速率高、保密性高、耗能低和时延短的综合优势。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种声光融合的水下通信链路建立机制，应用于水下活动的设备、舰艇或海洋平台设备之间相互通信，所述舰艇或海洋平台设备中设置有水声通信系统、可见光通信系统和信号处理机；所述水声通信系统包括：水声换能器阵和声学应答器；所述可见光通信系统包括：可见光通信发射机和可见光通信接收机，可见光通信系统使用蓝绿激光光源；所述信号处理机用于处理信号，并执行通信策略；其特征在于：
所述水声通信系统中的水声换能器阵与声学应答器之间经设置的长程超短基线系统实现设备与设备之间的定位；可见光通信系统的接收机实现自动对准模块；所述信号处理机实现通信过程中的自适应通信确认机制；
所述长程超短基线系统至少包括：数据采集处理装置，所述数据采集处理装置用于对声学换能器与声学应答器之间所传输信号进行处理，以判断该水声换能器阵与声学应答器两个设备之间的相对位置和距离；
所述水声换能器和声学应答器均为声呐装置，且外形为十字结构或三角结构；声呐装置通过收发超声波实现对水面或水下设备的检测和定位。
2.如权利要求1所述的声光融合的水下通信链路建立机制，其特征在于：声学应答器用于将需要发送的电能转化为可以在水中传播的声能；所述水声换能器阵为4N元接收基阵，水声换能器阵由4N个水声应答器构成，水声换能器阵用于将接收到信源发送的声能转化为电能。
3.如权利要求1所述声光融合的水下通信链路建立机制，其特征在于：所述可见光通信发射机和可见光通信接收机通过蓝绿激光实现水下通信。
4.一种如权利要求1所述声光融合的水下通信链路建立机制的通信链路建立方法，其特征在于：所述通信链路建立包括以下步骤：
第1步，设备A通过设于其上的声学应答器首先发出超声波，设备B上的声学换能器接收到设备A发出的超声波，并通过长程超短基线定位系统实现对设备A的定位，设备A与设备B之间的距离设定为x；
第2步，采用自适应连接机制；
(1)n秒后设备B再次对A进行定位，得到设备A对于设备B的相对位移△x和相对位移角Δθ，判断设备A与设备B的相对位置，若设备A相对于设备B的位置是静止的，则执行二次握手；
(2)若设备A相对于设备B的相对位移△x和相对位移角Δθ满足：
Δθ＜θ0且
其中，θ0为通信时允许的最大相移角，x为设备B向设备A发送请求连接时两设备之间的距离，x0为通信时允许的最大距离；则执行三次握手；
(3)若设备B相对于设备A的相对位移△x和相对位移角△θ满足：
Δθ＞θ0或
则执行四次握手；若连接成功则继续执行如下第3步，若连接失败则调整设备A与设备B的相对位置和姿态，再次执行第2步；
第3步，通信链路建立成功后，设备A(或B)的发射机将携带有信号的蓝绿光源发射到设备B(或A)，设备B(或A)的接收机接收到蓝绿光并处理为语音、视频、传感器等模拟信号或者数字信号；
第4步，保持连接，若连接中断，则直接跳转至如下S2～S3步骤执行；
第5步，若有设备请求中断通信，则关闭通信链路；
所述第2步中，所述的二次握手具体步骤包括：
S1：设备B将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给设备A，设备B进入SYN_SENT状态，等待设备A确认；
S2：设备A检查seq是否为J，SYN是否为1，如果正确则连接建立成功，设备A和设备B进入ESTABLISHED状态，完成二次握手，随后设备A与设备B之间即具备了开始传输数据条件。
5.一种如权利要求4所述声光融合的水下通信链路建立机制的通信链路建立方法，其特征在于：在第2步中，所述的三次握手具体步骤包括：
U1：设备B将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给设备A，设备B进入SYN_SENT状态，等待设备A确认；
U2：设备A收到数据包后由标志位SYN＝1知道设备B请求建立连接，设备A将标志位SYN和ACK都置为1，ack＝J+1，随机产生一个值seq＝K，并将该SYN-SEQ-ACK1包发送给设备B以确认连接请求，设备A进入SYN_RCVD状态；
U3：设备B收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝K+1，并将该SYN-SEQ-ACK2包发送给设备A，设备A检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，设备A和设备B进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后设备B与设备A之间即具备了开始传输数据条件。
6.如权利要求4所述声光融合的水下通信链路建立机制的通信链路建立方法，其特征在于：在第2步中，所述四次握手具体步骤包括：
V1：设备B将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝J，并将该SYN-SEQ包发送给设备A，设备B进入SYN_SENT状态，等待设备A确认；
V2：设备A收到SYN-SEQ包后由标志位SYN＝1知道设备B请求建立连接，设备A将标志位SYN和ACK都置为1，ack＝J+1，随机产生一个值seq＝K，并将该SYN-SEQ-ACK1包发送给设备B以确认连接请求，设备A进入SYN_RCVD状态；
V3：设备B收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝K+1，随机产生一个值seq＝W，并将该SYN-SEQ-ACK2包发送给设备A以确认连接请求，设备B进入SYN_RCVD状态；
V4：设备A收到确认后，检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝W+1，并将该SYN-SEQ-ACK3包发送给设备A，设备A检查ack是否为W+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，设备A和设备B进入ESTABLISHED状态，完成四次握手，随后设备B与设备A之间即具备了开始传输数据条件。
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