CN110324885A - 一种水下网络节点的休眠唤醒方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下网络节点的休眠唤醒方法，接收端提前发送一个探针信号，发送端利用探针信号中包含的信道信息对数据做主动时反处理，然后通过信道将数据发送至接收端，完成主动时反。本发明使得唤醒电路简单化，降低了唤醒电路的成本和能耗，这对于采用电池供电的水下节点具有重要的意义；减小了唤醒信号的长度，减小了信号的传输成本，提高了信道的利用率，显著提高水声通信的空分复用度，解决了节点之间的串音问题，因此节点只会监听到属于自己的信息，大大提高了节点的能耗利用率，这对于水声环境下能量有限的通信系统具有重要的研究价值。

Description

一种水下网络节点的休眠唤醒方法

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，尤其是一种在水声环境下的定向唤醒方法，适合于水声环境下进行唤醒休眠的通信节点系统。

背景技术

海洋中蕴藏着丰富的资源，实现海洋观测、资源勘探与开发是当前各海洋国家最为关注的问题之一。近年来，水声通信由于在海洋信息应用领域的不断扩大而取得了很大的进步，在海洋军事、海洋环境与气象研究、海洋资源开发等方面具有重要的应用。

但是，在水声环境下通信节点存在的一个重要问题是：节点的能量有限，因为节点是由电池供电并且计划长期部署，所以更换节点或补充电源是比较困难的。针对这个问题，我们可以使不需发射和接收数据即处于空闲状态的节点进入休眠模式，从而减小节点的空闲能耗。

现代微控制器通常提供多种工作模式，根据性能需求在不同的模式之间切换，以最大限度地降低功耗。在操作模式中，休眠模式可以通过关掉CPU将能耗降到最低，同时尽可能的连接设备。当对通信和流量要求很低时，可以利用休眠模式来最大限度的减小能耗。但是在此模式下，消息不能被发送和接收，因此需要唤醒技术来唤醒微处理器，使其进入正常工作模式。

目前，唤醒方法都是利用唤醒电路实现其唤醒节点的功能。基于对陆地网络的研究，得知产生和传输一个唤醒信号不需要额外的硬件。但是，接收唤醒信号，分析到来的信号并且唤醒微控制器，这些工作需要唤醒电路来完成。因此，唤醒电路是接收端的一个模块。换能器将接收到的声信号转换为电信后，送入唤醒电路，经过信号处理并判决信号有效时，产生一个中断信号，用于唤醒主节点。但是，在唤醒的过程中存在一个问题：发射出去的信号会被所有邻节点收到，一个节点发送的唤醒信号会唤醒多个邻居节点，即存在“一唤多醒”的问题，会造成节点之间的串音问题，即节点监听到了不属于自己的信息，不仅会增大数据包传递的失败率，而且非接收节点的邻居节点不必要的醒来也会造成能量的浪费，这笔能量开销在能耗受限的水下环境不容忽视。

对于“一唤多醒”的问题，可以利用“一唤一醒”的定向唤醒方法解决，即发射节点可以指定唤醒某个确定的接收节点。然而，就目前来说，对于定向唤醒这方面所做的工作并不多。在2011年，ITACA研究所设计出一种基于陆地RFID技术改进的声音唤醒电路，他们的定向唤醒方法为：在唤醒信号中加入目的节点ID信息，利用唤醒电路检测目的节点ID是否匹配，只有成功匹配后，唤醒电路才会产生中断信号，将主节点唤醒，非接收节点的邻居节点一旦不匹配，则继续保持休眠状态。这种方法是通过硬件来实现定向唤醒，但是缺点也是显而易见：1.要实现检测目的节点ID，唤醒接收电路必须包含解调电路模块，这不仅提高了硬件的复杂度，同时检测节点ID所需的解调电路模块会大幅增加唤醒接收电路的功耗；2.由于唤醒信号加入了目的节点ID信息，因此唤醒信号变长，而长的发送时间直接增加了发送唤醒信号所需的能耗；3.节点之间的串音问题依旧没有解决，导致节点会监听到不属于自己的信息，浪费节点的能耗。

基于以上研究背景，可以得知，研究水声环境下定向唤醒技术的工作很少，因此有必要借助于水声环境的特点，加强对定向唤醒的研究。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于主动时反技术的定向唤醒休眠状态下水声通信节点的方法。克服现有技术中定向唤醒方法功耗高、信号长等缺点，给出一种高效率、低功耗的定向唤醒方法，使得在实现“一唤一醒”的过程中，降低唤醒电路的功耗，缩短唤醒信号的长度，并且解决节点之间的串音问题，从而延长网络节点的使用寿命，提高信道的利用率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤1：水下网络中，S为发射节点，发射节点S的邻居节点为接收节点R和其他邻居节点N1、N2、N3、…，接收节点R的邻居节点包括S节点，接收节点R在休眠前最后一次通信结束时，广播ACKD包给接收节点R的所有邻居节点，ACKD中包含接收端发射的探针信号p(t)，使得接收节点R的所有邻居节点获得发送端到接收端的海洋声信道信息h(t)；

步骤2：发射节点S接收到的ACKD包中包含发送端到接收端的探针信号p_r(t)，p_r(t)如公式(1)所示：

式中：n_p(t)是发射节点S的本地高斯白噪声，h_SR(t)为发射节点S到接收节点R的信道冲激响应；

将p_r(t)时间反转得到p_r(-t)并与探针信号p(t)进行卷积得到g(t)：

式中：为噪声干扰项，公式(2)写为：

g(t)≈h_SR(-t)+n₁(t) (3)

其中，h_SR(-t)为时反之后发射节点S到接收节点R的信道冲激响应；

步骤4：发射节点S将需要发送的唤醒信号s(t)与g(t)进行卷积之后发送出去，卷积之后的信号通过发射节点S到接收节点R的信道到达接收节点R，接收节点R接收到的信号为r(t)，如公式(4)所示：

式中：为噪声干扰项，n_s(t)为接收节点R的本地高斯白噪声，为时间反转复合信道，是信道冲激响应函数的自相关函数，将近似视为δ函数，即发射信号s(t)在接收端达到了聚焦；

步骤5：接收节点R收到r(t)被唤醒，成功接收S节点之后发送的数据，完成本次通信；而发射节点S的其余邻居节点接收到的信号如公式(5)所示：

式中：h_N(t)是发送端到其余邻居节点的海洋声信道的信息，

为噪声干扰项，为两个信道冲激响应函数的互相关函数，由于的相关性很弱，导致非SR链路上的其余邻居节点的接收信号信噪比很低，即唤醒信号s(t)仅在接收节点R达到聚焦。

本发明的有益效果在于：

1.利用主动时反技术的时空聚焦性，发射节点的唤醒信号采用比较简单的通信系统，并且不需要任何算法就可以达到唤醒指定接收节点的目标，即实现“一唤一醒”。由于通信系统在发射端实现，接收端的唤醒电路不需要识别目的节点的ID，使得唤醒电路简单化，降低了唤醒电路的成本和能耗，这对于采用电池供电的水下节点具有重要的意义。

2.唤醒信号只需要采用简单的通信系统即可做时反处理，利用主动时反技术的时空聚焦性，唤醒信号就可以发送至指定的接收节点，因此唤醒信号不需要加入目的节点的ID信息，只需要一个简单的脉冲信号即可高效地唤醒接收节点，减小了唤醒信号的长度，减小了信号的传输成本，提高了信道的利用率，这对于可用带宽窄的水声环境具有重要的价值。

3.利用主动时反的时空聚焦性能够有效削弱水声信道广播特性，使得相邻通信链路的信号仅在各自接收节点位置处达到时空聚焦，而在其它区域，接收到的信号的能量非常小，可以隔离相邻链路间的信号干扰，显著提高水声通信的空分复用度，解决了节点之间的串音问题，因此节点只会监听到属于自己的信息，大大提高了节点的能耗利用率，这对于水声环境下能量有限的通信系统具有重要的研究价值。

附图说明

图1是本发明主动时反技术的实现框图。

图2是本发明实验数据仿真的时反聚焦效应，图2(a)为声速梯度实测声速曲线得出的信道冲激响，图2(b)为经过时间反转处理的复合信道冲激响应。

图3是本发明南海钻井平台的实测声速梯度实测声速曲线。

图4是本发明网络节点定向唤醒示意图。

图5是本发明的信道相关图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为了解决目前定向唤醒方法存在的不足：功耗高、唤醒信号长、串音问题，本发明设计了一种基于主动时反技术的高效率、低功耗的定向唤醒方法。

水声环境一般来说具有时变空变性，多径效应比较明显。而时间反转技术不需要信道的先验信息，能够自适应的匹配水声信道，尤其是主动时间反转具有信道屏蔽和时空聚焦作用，因此主动时间反转在水声通信中具有重要的应用价值。

在主动时间反转中，发送端需要利用信道的信息做主动时反。主动时反的实现框图如图1所示，接收端提前发送一个探针信号p(t)，发送端利用p(t)中包含的信道信息对数据做主动时反处理，然后通过信道将数据发送至接收端，完成主动时反。

水声环境下主动时反技术能够利用海洋自身完成对信道冲激响应的空时匹配滤波，利用复杂多径信道的空变特性实现接收的多径信号在时间上的压缩和空间上的聚焦。其时间压缩特性是指在接收过程中将各多径信号分量同时间同相位叠加，补偿由多径引起的时间扩展进而抵消码间干扰；空间聚焦特性是指由于时反是针对收发节点间信道进行的时反处理，因此仅有接收节点所在的位置能获得因多路径信号分量同时同相叠加而得到的高接收信噪比，而其它空间区域，则因饱受恶劣码间干扰与多径衰落的影响，导致低的接收信噪比。因此，主动时反处理实现了复杂多径信号自适应地在接收位置处的空时聚焦。

因此，本发明采用主动时反技术发射唤醒信号，通过主动时反技术的时空聚焦性可以实现定向唤醒的目标。由于采用主动时反技术的信号只需要在发射端处理即可实现，接收节点的硬件方面降低了复杂度，达到低功耗的目标。同时，唤醒信号不需要加入目的节点ID的信息，只要一个简单的脉冲信号即可满足要求，可以高效率地完成唤醒功能，减小了信号的传输成本，提高了信道的利用率。使用主动时反技术可以在接收端得到一个高信噪比，而其他节点的接受信噪比很低，这一特性可以解决水声通信中的串音问题，提高节点的能量利用率。

本发明的技术方案的步骤如下：

步骤1：水下网络中，S为发射节点，发射节点S的邻居节点为接收节点R和其他邻居节点N1、N2、N3、…，接收节点R的邻居节点包括S节点，接收节点R在休眠前最后一次通信结束时，广播ACKD包给接收节点R的所有邻居节点，ACKD中包含接收端发射的探针信号p(t)，使得接收节点R的所有邻居节点获得发送端到接收端的海洋声信道信息h(t)；

步骤2：发射节点S接收到的ACKD包中包含发送端到接收端的探针信号p_r(t)，p_r(t)如公式(1)所示：

式中：n_p(t)是发射节点S的本地高斯白噪声，h_SR(t)为发射节点S到接收节点R的信道冲激响应；

将p_r(t)时间反转得到p_r(-t)并与探针信号p(t)进行卷积得到g(t)：

式中：为噪声干扰项，公式(2)写为：

g(t)≈h_SR(-t)+n₁(t) (3)

其中，h_SR(-t)为时反之后发射节点S到接收节点R的信道冲激响应；

步骤4：发射节点S将需要发送的唤醒信号s(t)与g(t)进行卷积之后发送出去，卷积之后的信号通过发射节点S到接收节点R的信道到达接收节点R，接收节点R接收到的信号为r(t)，如公式(4)所示：

式中：为噪声干扰项，n_s(t)为接收节点R的本地高斯白噪声，为时间反转复合信道，是信道冲激响应函数的自相关函数，如图2所示，其相关峰值明显大于旁瓣，将近似视为δ函数，即发射信号s(t)在接收端达到了聚焦；由r(t)可知，唤醒信号s(t)在R节点处达到了聚焦，r(t)的高信噪比使得唤醒模块的检测概率达到100％，即实现发射节点S定向唤醒休眠状态的R节点。

由于g(t)是对h_SR(t)进行时反得到，发送节点S的唤醒信号s(t)仅在R结点处时间空时聚焦。在网络其他位置，如N1、N2和N3处的接收信号为r_N(t),其接收信噪比很低，使得唤醒模块无法检测s(t)，因此节点不会被唤醒，继续保持休眠状态，实现了隔离相邻链路间的信号干扰。

步骤5：接收节点R收到r(t)被唤醒，成功接收S节点之后发送的数据，完成本次通信；而发射节点S的其余邻居节点接收到的信号如公式(5)所示：

式中：h_N(t)是发送端到其余邻居节点的海洋声信道的信息，为噪声干扰项，为两个信道冲激响应函数的互相关函数，由于的相关性很弱，导致非SR链路上的其余邻居节点的接收信号信噪比很低，即唤醒信号s(t)仅在接收节点R达到聚焦。

本发明实施例中，假设水下网络的节点场景为图4所示，节点之间利用声音进行信号的传播。S为发射节点，S共有4个邻居节点，分别为N1、N2、N3和R，R为接收节点，N4和N5是S单跳范围外的节点。当S需要发送数据，此时S的所有邻居节点均处于休眠状态，那么采用主动时反技术定向唤醒休眠的R节点的具体步骤如下：

水声通信系统中存在两个需要通信的节点，一个为发射节点A，另一个为接收节点B。

1.接收节点B的唤醒电路模块(无MCU)保持活跃状态来检测信道，主节点保持休眠状态。

2.发射节点A需要向接收节点B发送数据，但是接收节点B处于休眠状态，因此需要发送一个唤醒信号唤醒接收节点B，假设其为脉冲信号，频率为13kHz，发射节点A通过软件操作对唤醒信号进行主动时反处理后，发送至B节点。

3.接收节点B的唤醒模块检测到一个高接收信噪比的唤醒信号，节点B被唤醒。而A节点的其余邻居节点则收到低信噪比的信号，因此不会被唤醒，继续保持休眠状态，将节点之间的串音问题解决。

4.此时，接收节点B从休眠状态中醒来，发射节点A成功地定向唤醒接收节点B，B回复一个应答包通知发射节点A已准备好接收数据。

5.发射节点A收到应答包后，开始发送数据，接收节点B接收数据。

以上过程利用主动时反技术实现了发射节点定向唤醒接收节点，无需硬件的实现，同时唤醒信号长度较短，能够高效地唤醒目的节点，主动时反的时空聚焦性也可以解决通信节点之间的串音问题，本发明设计的定向唤醒方法提高了信道利用率，减小了系统的能耗，从而延长了整个系统的生存周期，对于水声通信和网络均具有研究价值。

下面证明参考链路SR与链路SN(N包含R)的信道相关性：

通过bellhop仿真工具包生成发射节点S(0,50)到分布在距离1.5km，深度90m区域的邻居节点N的信道，其中，选择发射节点S(0,50)到接收节点R(1000,70)SR链路为参考链路。信道仿真采用的声速梯度为2014年九月在南海钻井平台的实测声速梯度，如图3所示。参考链路SR与链路SN(N包含R)的信道相关系数r_SR,SN的信道相关图如所示。在大多数情况下，不同链路间的相关性是很弱的，仅在分布距离和收发机的深度这两个参数接近参考链路SR时，链路的相关性才会比较大。这也证明了水下链路的空变性和时间反转应用的可行性。

利用海试数据，对主动时反进行仿真，结果如图2所示，图2(a)为BELLHOP工具箱根据2014年九月在南海钻井平台的实测声速梯度实测声速曲线(如图3所示)得出的浅海信道冲激响应h(t)，图2(b)为经过时间反转处理的复合信道冲激响应由仿真结果可以看出时间反转对于多径能量的聚焦作用明显。

Claims (1)

1.一种水下网络节点的休眠唤醒方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：水下网络中，S为发射节点，发射节点S的邻居节点为接收节点R和其他邻居节点N1、N2、N3、…，接收节点R的邻居节点包括S节点，接收节点R在休眠前最后一次通信结束时，广播ACKD包给接收节点R的所有邻居节点，ACKD中包含接收端发射的探针信号p(t)，使得接收节点R的所有邻居节点获得发送端到接收端的海洋声信道信息h(t)；

步骤2：发射节点S接收到的ACKD包中包含发送端到接收端的探针信号p_r(t)，p_r(t)如公式(1)所示：

式中：n_p(t)是发射节点S的本地高斯白噪声，h_SR(t)为发射节点S到接收节点R的信道冲激响应；

将p_r(t)时间反转得到p_r(-t)并与探针信号p(t)进行卷积得到g(t)：

式中：为噪声干扰项，公式(2)写为：

g(t)≈h_SR(-t)+n₁(t) (3)

其中，h_SR(-t)为时反之后发射节点S到接收节点R的信道冲激响应；

步骤4：发射节点S将需要发送的唤醒信号s(t)与g(t)进行卷积之后发送出去，卷积之后的信号通过发射节点S到接收节点R的信道到达接收节点R，接收节点R接收到的信号为r(t)，如公式(4)所示：

式中：为噪声干扰项，n_s(t)为接收节点R的本地高斯白噪声，为时间反转复合信道，是信道冲激响应函数的自相关函数，将近似视为δ函数，即发射信号s(t)在接收端达到了聚焦；

步骤5：接收节点R收到r(t)被唤醒，成功接收S节点之后发送的数据，完成本次通信；而发射节点S的其余邻居节点接收到的信号如公式(5)所示：

式中：h_N(t)是发送端到其余邻居节点的海洋声信道的信息，为噪声干扰项，为两个信道冲激响应函数的互相关函数，由于的相关性很弱，导致非SR链路上的其余邻居节点的接收信号信噪比很低，即唤醒信号s(t)仅在接收节点R达到聚焦。