一种水声潜标信号声学传输中继方法
技术领域
本发明属于水下通信和水声潜标信号声学传输技术领域,具体涉及一种水声潜标信号声学传输中继方法。
背景技术
潜标是海洋监测作业的重要设备之一,潜标与海面浮标相配合,可以在海域长期获取海洋数据,对海洋的状态变化、海中的生物、船只活动状况等进行有效的监测。在典型的海洋监测系统中,浮标工作在海面,通过无线通讯与数据中心联系,潜标布放在水下,通过各类传感器收集海洋信息,二者之间通过水声通信系统进行联系,使用水声通信的方式发送控制指令,回收监测数据,协同工作,完成监测任务。
目前,潜标釆集的监测数据回收方式主要包括:潜标整体回收、数据船回收和水声传输三种方式。其中,基于水声传输的回收方式与潜标整体回收、数据船回收相比,具有使用方便、工作时间长、对潜标存储容量要求低等优点,是发展的重要方向,也是构建海洋监测网络的主要方式之一。
但是,目前在利用水声通信组网技术实现多个潜标观测数据回收时,采用了简单的星型网络结构,即所有潜标数据均直接回传至水面浮标。这种潜标数据回收方式存在着以下的缺陷和问题:
1、由于水下声信号衰减大,因此,这种回传方式能耗较大,显著减少了潜标电池的使用时间;
2、这种数据回收方式没有对数据的实时性要求进行区分,一些对实时性要求较高的信息,例如控制信息和报警信息等,容易受实时性不强的数据传输的影响而产生较大的延迟;
3、所有节点均需与浮标通信,使得浮标容易成为通信的瓶颈,降低了通信的效率。
发明内容
本发明的目的在于,为解决现有的法存在的上述缺陷,本发明提出了一种水声潜标信号声学传输中继方法,该方法采用中继转发的传输方式,降低潜标的发射功率,增加并行通信的机会,同时将数据传输的优先级与转发次数关联,使得优先级高的数据,可以更快地传输到浮标,与现有技术相比,具有高能效比、更低的功耗和更强的通信能力。
为了实现上述目的,本发明提供了一种水声潜标信号声学传输中继方法,该方法包括:
获取多个位于水下任意位置的潜标之间正常通信时的第一最小发射功率;
获取每个位于水下任意位置的潜标与位于水面的浮标之间正常通信时的第二最小发射功率;
采用中继转发方法,获取将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标的最优路径;所述最优路径为传输数据包时所需要消耗的能量最少的路径;
在数据包的包头中增加数据优先级字段和剩余的中继转发次数字段;
根据数据包上标注的优先级,确定发送上述数据包的剩余转发次数,获取位于最优路径上的M个中继目的节点;其中,前M-1个中继目的节点均为潜标,最后一个中继目的节点为浮标;
潜标发送的数据包以第一最小发射功率从第一个中继目的节点开始转发,根据数据包中标注的剩余转发次数,进行下一个中继目的节点的转发,直至将数据包以第二最小发射功率转发至最后一个中继目的节点。
作为上述技术方案的改进之一,所述获取多个位于水下任意位置的潜标之间正常通信时的第一最小发射功率;具体包括:
根据公式(1),获取第一最小发射功率:
其中,为第j个潜标能正常发送数据包至第j+1个潜标所需要的第一最小发射功率;为第j+1个潜标的环境噪声功率;γj+1为第j+1个潜标能正确接收信号的信噪比最低值;Pc为预设的常数,αj,j+1为信号从第j个潜标传输至第j+1个潜标的功率衰减系数;其中,根据公式(2),获取αj,j+1:
其中,dj,j+1是第j个潜标到第j+1个潜标的距离;k=1.5为几何扩散因子;a=10b (f)/10,其中,b(f)为吸收损失,由下式计算得到:
其中,f为信号的频率。
作为上述技术方案的改进之一,所述获取每个位于水下任意位置的潜标与位于水面的浮标之间正常通信时的第二最小发射功率;具体包括:
根据公式(5),获取第二最小发射功率:
其中,为第j个潜标能正常发送数据包至浮标所需要的第二最小发射功率;P1 N为浮标的环境噪声功率;γ1为浮标能正确接收信号的信噪比最低值;Pc为预设的常数,αj,1为信号从第j个潜标传输至浮标的功率衰减系数;其中,根据公式(6),获取αj,1:
其中,dj,1是第j个潜标到浮标的距离;k=1.5为几何扩散因子;a=10b(f)/10,其中,b(f)为吸收损失,由下式计算得到:
其中,f为信号的频率。
作为上述技术方案的改进之一,所述采用中继转发方法,获取将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标的最优路径;具体包括:
根据公式(3),采用遍历的方法,搜索并获取采用中继转发方式将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标时所消耗能量最少的路径,记为最优路径
其中,L为数据包的长度;j为路径R中节点的序号;M′为路径R中包含节点的数目;为第j个潜标能正确发送信息至第j+1个潜标所需要的最小发射功率。
作为上述技术方案的改进之一,所述下一个中继目的节点的确定具体包括:
根据公式(4),获取下一个中继目的节点:
其中,N为下一个中继目的节点,即下一个要发送转发的数据包的中继目的节点;M为中包含的节点数;t为该数据包优先级对应的剩余转发次数;表示不大于的最大整数。
基于上述的水声潜标信号声学传输中继方法,本发明还提供了一种水声潜标信号声学传输中继系统,其特征在于,该系统包括:
第一数据获取模块,用于获取多个位于水下任意位置的潜标之间正常通信时的第一最小发射功率;
第二数据获取模块,用于获取每个位于水下任意位置的潜标与位于水面的浮标之间正常通信时的第二最小发射功率;
第三数据获取模块,用于采用中继转发方法,获取将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标的最优路径;
第四数据获取模块,用于在数据包的包头中增加数据优先级字段和剩余的中继转发次数字段;
根据数据包上标注的优先级,确定发送上述数据包的剩余转发次数,获取位于最优路径上的M个中继目的节点;其中,前M-1个中继目的节点均为潜标,最后一个中继目的节点为浮标;和
数据处理模块,用于潜标发送的数据包以第一最小发射功率从第一个中继目的节点开始转发,根据数据包中标注的剩余转发次数,进行下一个中继目的节点的转发,直至将数据包以第二最小发射功率转发至最后一个中继目的节点。
本发明相比于现有技术的有益效果在于:
1、本发明使用了中继转发的方式来回收潜标数据,与现有的潜标直接传输数据到浮标的方式相比,能显著减少数据传输的能耗,延长潜标电池的使用时间。
2、本发明提供了数据传输的优先级控制,优先级高的数据可以使用更少的转发次数传送到目的节点,使得一些对实时性要求较高的数据,如控制信息和报警信息等,可以及时得到传输,不容易受其他数据传输的影响。
3、潜标发送数据的功率降低后,其通信影响的范围变小,能有效增加数据并行传输的机会,提高系统的通信性能。
附图说明
图1是本发明的一种水声潜标信号声学传输中继方法的一个具体实施例的示意图;
图2是本发明的一种水声潜标信号声学传输中继方法的流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明提出了一种水声潜标信号声学传输中继方法,该方法包括:
步骤1)获取多个位于水下任意位置的潜标之间正常通信时的第一最小发射功率;
所述获取多个位于水下任意位置的潜标之间正常通信时的第一最小发射功率;具体包括:
根据公式(1),获取第一最小发射功率:
其中,为第j个潜标能正常发送数据包至第j+1个潜标所需要的第一最小发射功率;为第j+1个潜标的环境噪声功率;γj+1为第j+1个潜标能正确接收信号的信噪比最低值;Pc为预设的常数,αj,j+1为信号从第j个潜标传输至第j+1个潜标的功率衰减系数;其中,根据公式(2),获取αj,j+1:
其中,dj,j+1是第j个潜标到第j+1个潜标的距离;k=1.5为几何扩散因子;a=10b (f)/10,其中,b(f)为吸收损失,由下式计算得到:
其中,f为信号的频率。
其中,需要预先知道,方法就是每个节点将自己的以功率P0发送给其他节点。P0为大于或等于任一节点能成功发送数据至其他所有节点所需的最小发射功率;也就是说,任一节点都能以功率P0成功发送数据包至其他节点,且其他节点均能收到该数据包。
步骤2)获取每个位于水下任意位置的潜标与位于水面的浮标之间正常通信时的第二最小发射功率;具体地,
根据公式(5),获取第二最小发射功率:
其中,为第j个潜标能正常发送数据包至浮标所需要的第二最小发射功率;P1 N为浮标的环境噪声功率;γ1为浮标能正确接收信号的信噪比最低值;Pc为预设的常数,αj,1为信号从第j个潜标传输至浮标的功率衰减系数;其中,根据公式(6),获取αj,1:
其中,dj,1是第j个潜标到浮标的距离;k=1.5为几何扩散因子;a=10b(f)/10,其中,b(f)为吸收损失,由下式计算得到:
其中,f为信号的频率。
其中,P1 N需要预先知道,方法就是浮标将自己的P1 N以功率P0发送给其他节点。
浮标和每个潜标在信道空闲时,检测环境噪声功率,并使用功率P0广播上述环境噪声功率;其中,P0为大于或等于任意节点能成功发送数据至其他所有节点所需的最小发射功率;也就是说,任一节点都能以功率P0成功发送数据包至其他节点,且其他节点均能收到该数据包。当浮标和所有潜标均将各自的环境噪声功率广播完毕后,每个节点将潜标内的其他节点接收的环境噪声功率保存在一个列表中。
步骤3)采用中继转发方法,获取将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标的最优路径;所述最优路径为传输数据包时所需要消耗的能量最少的路径;具体地,
根据公式(3),采用遍历的方法,搜索并获取采用中继转发方式将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标时所消耗能量最少的路径,记为最优路径
其中,L为数据包的长度;j为路径R中节点的序号;M′为路径R中包含节点的数目;为第j个潜标能正确发送信息至第j+1个潜标所需要的最小发射功率。
为了能更好地跟踪环境噪声的变化,当某一潜标检测到环境噪声功率发生变化,且该环境噪声功率超过噪声功率的变化阈值后,在信道空闲时,广播新的环境噪声功率。其他潜标接收到上述新的环境噪声功率后,采用上述方法重新计算每个潜标与浮标之间正常通信时所需的第二最小发射功率,以及每个潜标与剩余的其他潜标之间正常通信时所需的第一最小发射功率,并用遍历的方法,搜索并获取采用中继转发方式将数据包从潜标传输到浮标时消耗能量最少的路径。
步骤4)在数据包的包头中增加数据优先级字段和剩余的中继转发次数字段;
步骤5)根据数据包上标注的优先级,确定发送上述数据包的剩余转发次数,获取位于最优路径上的M个中继目的节点;其中,前M-1个中继目的节点均为潜标,最后一个中继目的节点为浮标;
步骤6)潜标发送的数据包以第一最小发射功率从第一个中继目的节点开始转发,根据数据包中标注的剩余转发次数,进行下一个中继目的节点的转发,直至将数据包以第二最小发射功率转发至最后一个中继目的节点;
其中,所述下一个中继目的节点的确定具体包括:
根据公式(4),获取下一个中继目的节点:
其中,N为下一个中继目的节点,即下一个要发送转发的数据包的中继目的节点;M为中包含的节点数;t为该数据包优先级对应的剩余转发次数;表示不大于的最大整数。
基于上述的水声潜标信号声学传输中继方法,本发明还提供了一种水声潜标信号声学传输中继系统,其特征在于,该系统包括:
第一数据获取模块,用于获取多个位于水下任意位置的潜标之间正常通信时的第一最小发射功率;
第二数据获取模块,用于获取每个位于水下任意位置的潜标与位于水面的浮标之间正常通信时的第二最小发射功率;
第三数据获取模块,用于采用中继转发方法,获取将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标的最优路径;
第四数据获取模块,用于在数据包的包头中增加数据优先级字段和剩余的中继转发次数字段;
根据数据包上标注的优先级,确定发送上述数据包的剩余转发次数,获取位于最优路径上的M个中继目的节点;其中,前M-1个中继目的节点均为潜标,最后一个中继目的节点为浮标;和
数据处理模块,用于潜标发送的数据包以第一最小发射功率从第一个中继目的节点开始转发,根据数据包中标注的剩余转发次数,进行下一个中继目的节点的转发,直至将数据包以第二最小发射功率转发至最后一个中继目的节点。
实施例1.
在本实施例中,如图1所示,本发明提出了一种水声潜标信号声学传输中继方法,该方法采用了1个浮标和7个位于水下700米、具有相同深度的潜标;其中,7个潜标沿一条直线均匀布放,且具有相同的深度;相邻两个潜标相距1000米,浮标位于中间潜标的正上方。
该方法包括:
步骤1)获取多个位于水下任意位置的潜标之间正常通信时的第一最小发射功率;
所述获取多个位于水下任意位置的潜标之间正常通信时的第一最小发射功率;具体包括:
根据公式(1),获取第一最小发射功率:
其中,为第j个潜标能正常发送数据包至第j+1个潜标所需要的第一最小发射功率;为第j+1个潜标的环境噪声功率;γj+1为第j+1个潜标能正确接收信号的信噪比最低值;Pc为预设的常数,αj,j+1为信号从第j个潜标传输至第j+1个潜标的功率衰减系数;其中,根据公式(2),获取αj,j+1:
其中,dj,j+1是第j个潜标到第j+1个潜标的距离;k=1.5为几何扩散因子;a=10b (f)/10,其中,b(f)为吸收损失,由下式计算得到:
其中,f为信号的频率。
其中,需要预先知道,方法就是每个节点将自己的以功率P0发送给其他节点。P0为大于或等于任意节点能成功发送数据至其他所有节点所需的最小发射功率;也就是说,任一节点都能以功率P0成功发送数据包至其他节点,且其他节点均能收到该数据包。
步骤2)获取每个位于水下任意位置的潜标与位于水面的浮标之间正常通信时的第二最小发射功率;具体地,
根据公式(5),获取第二最小发射功率:
其中,为第j个潜标能正常发送数据包至浮标所需要的第二最小发射功率;P1 N为浮标的环境噪声功率;γ1为浮标能正确接收信号的信噪比最低值;Pc为预设的常数,αj,1为信号从第j个潜标传输至浮标的功率衰减系数;其中,根据公式(6),获取αj,1:
其中,dj,1是第j个潜标到浮标的距离;k=1.5为几何扩散因子;a=10b(f)/10,其中,b(f)为吸收损失,由下式计算得到:
其中,f为信号的频率;
其中,需要预先知道,方法就是每个节点将自己的以功率P0发送给其他节点。
浮标和每个潜标在信道空闲时,检测环境噪声功率,并使用功率P0广播上述环境噪声功率;其中,P0为大于或等于任意节点能成功发送数据至其他所有节点所需的最小发射功率。当浮标和所有潜标均将各自的环境噪声功率广播完毕后,每个节点将潜标内的其他节点接收的环境噪声功率保存在一个列表中。
步骤3)采用中继转发方法,获取将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标的最优路径;所述最优路径为传输数据包时所需要消耗的能量最少的路径;具体地,
根据公式(3),采用遍历的方法,搜索并获取采用中继转发方式将每个位于水下任意位置的潜标发送的数据包传输至浮标时所消耗能量最少的路径,记为最优路径
其中,L为数据包的长度;j为路径R中节点的序号;M′为路径R中包含节点的数目;为第j个潜标能正确发送信息至第j+1个潜标所需要的最小发射功率。
步骤4)在数据包的包头中增加数据优先级字段和剩余的中继转发次数字段;
步骤5)根据数据包上标注的优先级,确定发送上述数据包的剩余转发次数,获取位于最优路径上的M个中继目的节点;其中,前M-1个中继目的节点均为潜标,最后一个中继目的节点为浮标;其中,在本实施例中,以距离浮标最远的节点为例,Ri min中包含3个中继目的节点和最终的中继目的节点(即浮标),因此M=4。对于优先级为1的数据,tmax=3,可以计算得到N=1;
步骤6)潜标发送的数据包以第一最小发射功率从第一个中继目的节点开始转发,根据数据包中标注的剩余转发次数,进行下一个中继目的节点的转发,直至将数据包以第二最小发射功率转发至最后一个中继目的节点;
其中,所述下一个中继目的节点的确定具体包括:
根据公式(4),获取下一个中继目的节点:
其中,N为下一个中继目的节点,即下一个要发送转发的数据包的中继目的节点;M为Ri min中包含的节点数,即第i个潜标到浮标的最优路径中包含的节点数;例如,当i=1时,M为第一个潜标到浮标的最优路径R1 min中包含的节点数;t为该数据包优先级对应的剩余转发次数;表示不大于的最大整数。
在本实施例中,在进行中继转发的过程中,中继目的节点就是指的是位于水下任意位置的潜标。
在本实施例中,将数据包的优先级分为3级;优先级越高,对应的中继转发次数越少;其具体包括:
优先级为1时,对应的剩余转发次数t为3,获取目的节点为Ri min中的第1个中继目的节点,对应于实时性低的监测数据;
优先级为2时,对应的剩余转发次数t为2,获取目的节点为Ri min中的第2个中继目的节点,对应于实时性高的监测数据;
优先级为3时,对应的剩余转发次数t为0,即不转发直接通信,对应于报警信息和需即时响应的控制指令,获取目的节点为Ri min中的第N个中继目的节点,记为最终目的节点,确定该最终目的节点为浮标。
因此,潜标发送包含优先级为1的数据的数据包时,获取目的节点为Ri min中的第1个中继目的节点;则潜标发送的数据包以第一最小发射功率从该中继目的节点开始转发,并将数据包转发至下一个中继目的节点;
潜标发送包含优先级为2的数据的数据包时,获取目的节点为Ri min中的第2个中继目的节点;则潜标发送的数据包以第一最小发射功率转发至该中继目的节点;
潜标发送包含优先级为3的数据的数据包时,获取目的节点为Ri min中的第4个中继目的节点,记为最终目的节点,即浮标;则潜标发送的数据包以第二最小发射功率转发至该中继目的节点;传输结束;
如果该节点不是最终的中继目的节点,则需要继续转发,直至将数据包以第二最小发射功率转发至浮标;完成数据传输。
其中,所述7个潜标1和1个位于海平面的浮标均配备全方向、半双工水声调制解调器。由于最远的潜标与浮标的距离超过3000米,因此,直接与浮标用水声通信的方式传输数据包时需要较大的发射功率,潜标电池消耗较快。采用本发明提供的方法可以有效地减少潜标传输数据的能耗,延长潜标电池的使用时间,并提供数据传输的优先级控制。
在其他具体实施例中,如果最优路径Ri min中的中继目的节点不是距离浮标最远的潜标,而是距离浮标最近的潜标,则不需要确定剩余转发次数,也不考虑优先级为多少,直接将当前中继目的节点发送的数据包传输至浮标。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。