CN110996284B - 面向任务的水下声磁异构网络组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向任务的水下声磁异构网络组网方法，选择水下设备组成簇，在水面控制中心发布水面控制指令时，与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的一簇水下设备接收所述水面控制指令，向所述水面控制中心反馈第一回应信息，并探测新的组织者，在当前组织者的数量足够后，所有组织者组网执行探测任务，在当前组织者的数量还不足够时，返回组织者以协同式MIMO探通一体化的形式探测与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的目标簇水下设备，确定新的组织者的过程，直至当前组织者的数量足够，可以使探测任务执行过程中各簇水下设备灵活组网，以提高相应组网方式的灵活性，保证所执行的探测任务的有效性。

Description

面向任务的水下声磁异构网络组网方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种面向任务的水下声磁异构网络组网方法。

背景技术

水下无线传感器网络通过将多个传感器节点随机布放到感兴趣水域组成一个自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给接收者，可以广泛应用于海洋资源勘测、污染监测、辅助导航和入侵检测等领域，受到国内外学者的广泛关注。但是水下复杂的环境以及任务的差异性对无线传感器网络系统的设计提出了极大的挑战，同时由于水下传感器节点的能量有限，如何针对任务的差异性高效快速的组网成为不可忽视的重要问题。传统方案往往需要预定哪些设备为一组或一簇，哪些簇或组设备形成相应的通信网络，该种组网方式存在灵活性低的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种面向任务的水下声磁异构网络组网方法。

为实现本发明的目的，提供一种面向任务的水下声磁异构网络组网方法，包括如下步骤：

S10，任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇；

S20，在水面控制中心发布水面控制指令时，与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的一簇水下设备接收所述水面控制指令，向所述水面控制中心反馈第一回应信息，并成为组织者；

S30，所述组织者以协同式MIMO探通一体化的形式探测与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的目标簇水下设备，确定新的组织者；

S40，确定当前组织者的数量是否足够；

S50，若是，所有组织者组网执行探测任务；若否，返回步骤S30。

在其中一个实施例中，任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇包括：

各个任务类型不同的主设备依据其属性将无差别的水下设备确定为同簇水下设备，同簇水下设备数事先确定。

作为一个实施例，所述任务类型包括计算优先簇，移动追踪簇，近距离探测簇以及远距离探测簇。

在其中一个实施例中，所述确定当前组织者的数量是否足够包括：

所有组织者依据所述水面控制指令发布水下控制指令；所述水下控制指令与所述水面控制指令的指令类型相同；

与所述水下控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的其他簇水下设备反馈第二回应信息，成为目标簇水下设备；

所述组织者统计接收的第二回应信息的数目，根据所述第二回应信息的数目确定当前组织者的数量，若当前组织者的数量大于等于预设簇数，则判定当前组织者的数量足够。

在其中一个实施例中，所有组织者组网执行探测任务包括：

在一个簇内主设备和各个从设备发射信号形成空间波束进行探测；其中，所述从设备为相应簇水下设备中除主设备外的其他水下设备；

各个从设备依次向主设备汇报探测信息；

所述主设备汇聚探测信息，并向簇内各从设备广播汇聚后的探测信息；

主设备和各个从设备将汇聚后的探测信息编码进发射信号中，使汇聚后的探测信息叠加入发射信号的主瓣，并将发射信号向所述水面控制中心汇报。

作为一个实施例，组织者在执行探测任务的过程中，其中每个水下设备的发射信号为：

其中，s(t)表示发射信号，d(mN+n)为第m个OFDM符号在第n个子载波的加载数据，

为矩形窗函数，M表示OFDM符号的总数，N表示子载波的总数，t表示时间变量，T表示采样周期，f_n表示第n个子载波的载波频率。

作为一个实施例，接收端的接收信号为：

其中，y(t)表示接收信号，A表示振幅，h表示水声信道衰落，t表示时间变量，w表示预编码矢量，

表示相位偏差，

表示第i个水下设备的相位偏差，i＝1,…,K，K为振元的个数，n(t)表示均值为0方差为σ²的高斯白噪声。

作为一个实施例，w的最优解的确定过程包括：

将满足约束条件且使目标函数取得最大值的矢量参数确定为w的最优解；所述目标函数包括：

所述约束条件包括：

||w||²≤1。

作为一个实施例，

其中，w^*表示w的最优解。

上述面向任务的水下声磁异构网络组网方法，通过任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇，在水面控制中心发布水面控制指令时，与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的一簇水下设备接收所述水面控制指令，向所述水面控制中心反馈第一回应信息，并成为组织者，组织者以协同式MIMO探通一体化的形式探测与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的目标簇水下设备，确定新的组织者，在当前组织者的数量足够后，所有组织者组网执行探测任务，在当前组织者的数量还不足够时，返回组织者以协同式MIMO探通一体化的形式探测与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的目标簇水下设备，确定新的组织者的过程，直至当前组织者的数量足够，可以使探测任务执行过程中各簇水下设备灵活组网，以提高相应组网方式的灵活性，保证所执行的探测任务的有效性。

附图说明

图1是一个实施例的面向任务的水下声磁异构网络组网方法流程图；

图2是一个实施例的各簇水下设备示意图；

图3是一个实施例的组网示意图；

图4是一个实施例的一簇水下设备的输出波束图；

图5是另一个实施例的面向任务的水下声磁异构网络组网方法流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的面向任务的水下声磁异构网络组网方法流程图，包括如下步骤：

S10，任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇。

上述属性可以包括任务类型等表征相应主设备属性特征的信息。上述主设备为一类特定的水下设备，比如主设备的控制中心相较于其他水下设备具有更为强大的计算功能。水下设备布放在水下区域，搭载有磁感应通信系统、声波通信系统、控制中心、传感器以及推进设备。在任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇后，一簇水下设备包括主设备和多个从设备，一簇水下设备中的各个从设备可受主设备控制实现探测、通信功能。

在一个示例中，可以在水域投放面向任务的主设备，还可以在水下投放无差别水下设备，上述水下设备中可以搭载有磁感应通信系统、声波通信系统、控制中心、传感器以及推进设备，可受主设备控制成簇组成协同式MIMO实现探测、通信功能。

进一步地，面向不同任务的主设备装备与任务特征相应的系统及预先设定，并且可依据任务需求选择相应数量水下设备组成簇，并在水面控制中心发布的控制指令下组网完成探测任务。

在一个实施例中，任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇包括：

各个任务类型不同的主设备依据其属性将无差别的水下设备确定为同簇水下设备，同簇水下设备数事先确定。

上述同簇水下设备数可以依据相应簇的通信探测功能以及所投放水下设备的特征设置，比如设置为3、4或者5等值。主设备可以预先设置对应的任务类型。

在一个示例中，任务类型不同的各个主设备可以就近选择一定数量的水下设备组成簇，以确定同簇水下设备数的一簇水下设备。

作为一个实施例，所述任务类型包括计算优先簇，移动追踪簇，近距离探测簇以及远距离探测簇。

具体地，各类型的簇具有如下特征：计算优先簇的主设备的控制中心拥有强大的计算功能，能够实时处理监测数据。移动追踪簇的主设备拥有较大的电池容量，可满足持续追踪监测所需的能耗需求。远距离探测簇的主设备依据任务需求汇聚较多的水下设备成簇，适用于远距离通信，建立远距离可靠通信链路。近距离探测簇的主设备选择较少的水下设备成簇即可满足探测通信一体化需求，适用于近距离的水下探测任务。

S20，在水面控制中心发布水面控制指令时，与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的一簇水下设备接收所述水面控制指令，向所述水面控制中心反馈第一回应信息，并成为组织者。

各簇水下设备的当前状态包括空闲状态或工作状态，若某簇水下设备当前且未在工作中，表明该水下设备的当前状态为空闲状态；若某簇水下设备当前正在工作中，表明该水下设备的当前状态为工作状态。

上述水面控制指令携带探测任务以及探测任务对于的任务类型，某簇水下设备在识别到上述水面控制指令时，可以判断本地任务类型是否与水面控制指令类型(即水面控制指令携带的探测任务类型)是否一致，若本地任务类型与水面控制指令类型一致，则进一步判断当前是否处于空闲状态，若该簇水下设备与上述水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态，则向水面控制中心反馈第一回应信息，成为组织者。

S30，所述组织者以协同式MIMO探通一体化的形式探测与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的目标簇水下设备，确定新的组织者。

上述新的组织者即为探测确定的目标簇水下设备。

具体地，水面控制中心发布的水面控制指令可以携带探测任务的信息(如任务类型等)。相应地，依据上述水面控制指令所生成的水下控制指令也包括上述探测任务的信息。

S40，所有组织者确定当前组织者的数量是否足够；

在一个实施例中，所述确定当前组织者的数量是否足够包括：

所有组织者依据所述水面控制指令发布水下控制指令；所述水下控制指令与所述水面控制指令的指令类型相同；

与所述水下控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的其他簇水下设备反馈第二回应信息，成为目标簇水下设备；

所述组织者统计接收的第二回应信息的数目，根据所述第二回应信息的数目确定当前组织者的数量，若当前组织者的数量大于预设簇数，则判定当前组织者的数量足够。

上述预设簇数可以依据具体地探测任务设定，比如设置为5等值。

S50，若是，所有组织者组网执行探测任务；若否，返回步骤S30。

上述水面控制指令还可以携带探测任务的探测区位置信息。若上述组织者和目标簇水下设备当前位于水下区域的部署区，与需要进行探测的探测区位置不同，则可以先移向探测区，在探测区执行探测任务，以保证所执行的探测任务的有效性。

上述面向任务的水下声磁异构网络组网方法，通过任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇，在水面控制中心发布水面控制指令时，与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的一簇水下设备接收所述水面控制指令，向所述水面控制中心反馈第一回应信息，并成为组织者，组织者以协同式MIMO探通一体化的形式探测与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的目标簇水下设备，确定新的组织者，在当前组织者的数量足够后，所有组织者组网执行探测任务，在当前组织者的数量还不足够时，返回组织者以协同式MIMO探通一体化的形式探测与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的目标簇水下设备，确定新的组织者的过程，直至当前组织者的数量足够，可以使探测任务执行过程中各簇水下设备灵活组网，以提高相应组网方式的灵活性，保证所执行的探测任务的有效性。

在一个实施例中，所有组织者组网执行探测任务包括：

在一个簇内主设备和各个从设备发射信号形成空间波束进行探测；其中，所述从设备为相应簇水下设备中除主设备外的其他水下设备；

各个从设备依次向主设备汇报探测信息；

所述主设备汇聚探测信息，并向簇内各从设备广播汇聚后的探测信息；

主设备和各个从设备将汇聚后的探测信息编码进发射信号中，使汇聚后的探测信息叠加入发射信号的主瓣，并将发射信号向所述水面控制中心汇报。

具体地，汇聚后的探测信息以预编码矢量的形式叠加入发射信号的主瓣，以实现探通一体化功能。

作为一个实施例，水下设备在执行探测任务的过程中，若考虑多个水下设备同时发送同一信号，可以采用实现简单、抗干扰能力强的正交频分复用信号，可实现高效的数据传输，其中每个水下设备的发射信号可表示为：

其中，s(t)表示发射信号，d(mN+n)为第m个OFDM符号在第n个子载波的加载数据，

为矩形窗函数，M表示OFDM符号的总数，N表示子载波的总数，t表示时间变量，T表示采样周期，f_n表示第n个子载波的载波频率。

进一步地，由于各设备位置不同导致叠加信号相位存在偏差，采用预编码矢量进行补偿，则在接收端(相应通信目标)的接收信号可表示为：

其中，y(t)表示接收信号，A表示振幅，h表示水声信道衰落，t表示时间变量，w表示预编码矢量，

表示相位偏差，

表示第i个水下设备的相位偏差，i＝1,…,K，K为振元的个数，n(t)表示均值为0方差为σ²的高斯白噪声。则可由此式计算出预编码矢量w。

在一个示例中，w的最优解的确定过程包括：

将满足约束条件且使目标函数取得最大值的矢量参数确定为w的最优解；所述目标函数包括：

所述约束条件包括：

||w||²≤1。

具体地，

其中，w^*表示w的最优解。

本实施例中，各簇水下设备在执行探测任务的过程中，是指水下设备在探测区进行探通一体化过程中，各设备同时发射信号形成空间波束进行探测，簇内从设备依次向相应主设备汇报探测信息，主设备汇聚探测信息后在簇内广播汇聚后的探测信息，所有从设备接收到广播信息后将其叠加入各自所发射的声波，此时簇内所有设备同时发射信号会产生空间波束，产生的空间波束中主瓣用于向水面控制中心汇报，旁瓣进行探测，实现探测通信一体化。

在一个示例中，各簇水下设备发射信号等指令或信号的过程，可以先进行簇内时钟同步过程，以及相应簇内通信过程，上述簇内时钟同步和簇内通信可以均采用磁感应通信方式。

在一个示例中，各簇水下设备发射信号等指令或信号的过程，所进行的簇内时钟同步过程包括：

簇内各个从设备向主设备发送本地时钟产生的从时间戳；

主设备接收到各个从时间戳后，向各个从设备发送反馈数据包，所述反馈数据包包括接收到从设备时间戳的时间，发送反馈数据包的时间，以及主设备的主时间戳；

各个从设备接收到反馈数据包后记录接收反馈数据包的时间，计算主时间戳与本地时钟产生的从时间戳之间的时间偏差，补偿时间偏差后将本地时钟同步到主设备的时钟。

具体地，为实现协同式MIMO探通一体化，簇内分布式的设备需实现精准同步，本实施例采用TPSN开环式同步机制，即主设备作为参考，其余簇内设备的时钟依次同步到主设备的时钟，主要基于同步数据包的交互，磁感应通信超高速的传播速度可满足簇内设备的同步要求，降低同步的时间误差及频率误差。

本实施例可以实现各簇水下设备中各个设备间的精准时钟同步，以保证后续进行相应探测工作的稳定性。

在一个实施例中，水下区域的各簇水下设备可以参考图2所示。图3为面向任务的水下声磁异构网络组网方法示意图，起初在水下投放许多无差别水下设备，然后投放面向任务的主设备，投放后的主设备可依据任务需求选择水下设备组成簇。当水面控制中心发布包含探测任务的控制指令后，依据任务种类不同，具有相应功能且处于空闲状态的簇向水面控制中心发出回应接受指令，接受指令的簇被称为组织者，采用探通一体化的方式进行自组网，即采用磁感应通信同步的簇内各设备组成协同式MIMO波束形成，探测周围其余的簇，并且在每个波束上叠加通信信号，在探测到相邻簇的同时通知控制指令。若被通知的簇面向任务特性与探测任务相同且处于空闲状态，则发出回应和组织者组成网络执行探测任务，并成为组织者，若此网络执行探测任务的簇的数量不够，则持续此过程直至组网完成。

参照图4，协同式MIMO可产生空间波束，且输出波束中存在主瓣与旁瓣，在自组网时，每个波瓣在实现探测功能时都携带通信信息，在探测到相邻簇的同时通知控制指令，实现快速组网。组网完成后，也可以利用探通一体化方式实时、高效地完成探测任务。

在一个实施例中，上述面向任务的水下声磁异构网络组网方法也可以参考图5所示，起初在水下投放许多无差别水下设备，然后投放面向任务的主设备，投放后的主设备可依据任务需求选择水下设备组成簇。当水面控制中心发布包含探测任务的控制指令后，依据任务种类不同，具有相应功能且处于空闲状态的簇向水面控制中心发出回应接受指令，接受指令的簇被称为组织者，采用探通一体化的方式进行自组网，即采用磁感应通信同步的簇内各设备组成协同式MIMO波束形成，探测周围其余的簇，并且在每个波束上叠加通信信号，在探测到相邻簇的同时通知控制指令。若被通知的簇面向任务特性与探测任务相同且处于空闲状态，则发出回应和组织者组成网络执行探测任务，并成为组织者(也可以成为目标簇水下设备)，若此网络执行探测任务的簇的数量不够，则持续此过程直至组网完成。

本实施例可以采用磁感应通信辅助的方式使簇内的水下设备组成协同式MIMO，实现探测通信一体化功能，相比于传统单一的水下探测、通信设备，具有集成化程度高、频谱利用率高的特点。此外对水下簇面向任务以及工作状态进行综合考虑，依据任务的差异性对水下无线传感器网络内的水下设备进行分类，对水下设备进行合理的规划，使水下声磁异构无线传感器网络满足不同的任务需求，是提高水下设备利用率，增强自组网有效性及鲁棒性的有效途径。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种面向任务的水下声磁异构网络组网方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇；

S20，在水面控制中心发布水面控制指令时，与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的一簇水下设备接收所述水面控制指令，向所述水面控制中心反馈第一回应信息，并成为组织者；

S30，所述组织者以协同式MIMO探通一体化的形式探测与该水面控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的目标簇水下设备，确定新的组织者；

S40，确定当前组织者的数量是否足够；

S50，若是，所有组织者组网执行探测任务；若否，返回步骤S30；

所有组织者组网执行探测任务包括：

在一个簇内主设备和各个从设备发射信号形成空间波束进行探测；其中，所述从设备为相应簇水下设备中除主设备外的其他水下设备；

各个从设备依次向主设备汇报探测信息；

所述主设备汇聚探测信息，并向簇内各从设备广播汇聚后的探测信息；

主设备和各个从设备将汇聚后的探测信息编码进发射信号中，使汇聚后的探测信息叠加入发射信号的主瓣，并将发射信号向所述水面控制中心汇报。

2.根据权利要求1所述的面向任务的水下声磁异构网络组网方法，其特征在于，任务类型不同的主设备依据其属性选择水下设备组成簇包括：

各个任务类型不同的主设备依据其属性将无差别水下设备确定为同簇水下设备，同簇水下设备数事先确定。

3.根据权利要求2所述的面向任务的水下声磁异构网络组网方法，其特征在于，所述任务类型包括计算优先簇，移动追踪簇，近距离探测簇以及远距离探测簇。

4.根据权利要求1所述的面向任务的水下声磁异构网络组网方法，其特征在于，所述确定当前组织者的数量是否足够包括：

所有组织者依据所述水面控制指令发布水下控制指令；所述水下控制指令与所述水面控制指令的指令类型相同；

与所述水下控制指令类型匹配且当前处于空闲状态的其他簇水下设备反馈第二回应信息，成为目标簇水下设备；

所述组织者统计接收的第二回应信息的数目，根据所述第二回应信息的数目确定当前组织者的数量，若当前组织者的数量大于等于预设簇数，则判定当前组织者的数量足够。

5.根据权利要求1-4任一项所述的面向任务的水下声磁异构网络组网方法，其特征在于，组织者在执行探测任务的过程中，其中每个水下设备的发射信号为：

其中，s(t)表示发射信号，d(mN+n)为第m个OFDM符号在第n个子载波的加载数据，

为矩形窗函数，M表示OFDM符号的总数，N表示子载波的总数，t表示时间变量，T表示采样周期，f_n表示第n个子载波的载波频率。

6.根据权利要求5所述的面向任务的水下声磁异构网络组网方法，其特征在于，接收端的接收信号为：

y(t)＝Ahe^2πftw^Ta_φ+n(t)，

其中，y(t)表示接收信号，A表示振幅，h表示水声信道衰落，t表示时间变量，w表示预编码矢量，

表示相位偏差，

表示第i个水下设备的相位偏差，i＝1,…,K，K为振元的个数，n(t)表示均值为0方差为σ²的高斯白噪声。

7.根据权利要求6所述的面向任务的水下声磁异构网络组网方法，其特征在于，w的最优解的确定过程包括：

将满足约束条件且使目标函数取得最大值的矢量参数确定为w的最优解；所述目标函数包括：

所述约束条件包括：

||w||²≤1。

8.根据权利要求7所述的面向任务的水下声磁异构网络组网方法，其特征在于，

其中，w^*表示w的最优解。

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