CN113595950B - 一种多体制水声通信网络的信号兼容方法 - Google Patents

一种多体制水声通信网络的信号兼容方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多体制水声通信网络的信号兼容方法。其方法为：节点A和B均能利用多种通信体制传输信息，首先A发送控制帧信号RTS至B，B利用RTS感知信道特征并结合先验信息，选择最优通信体制，将选择结果传回A；然后A发送信息至B，B解码信息，根据结果更新通信体制解码性能数据库，如果解码正确，告知A：信息传输正确，过程结束，如果解码不正确，选择最优通信体制，将选择结果通过ACK传回A，并告知A：信息传输错误，重新开始下一回合RTS‑>CTS‑>数据‑>ACK的交互过程，直至传输正确或到达预设最大交互次数N。本发明通过实时感知信道并结合历史数据来实现多种通信体制的兼容和优选，提高了水声通信网络的环境适配和任务自适应能力。

Description

一种多体制水声通信网络的信号兼容方法
技术领域
本发明涉及水声通信技术，主要是一种多体制水声通信网络的信号兼容方法。
背景技术
水声通信网络在海洋科学研究和资源开发中的应用越来越广泛，其可以通过多节点联合定位，实现对水下潜器的辅助导航；可以通过多节点多跳中继，实现水下作业设备的远程遥控；可以通过多节点组网信息交互，实现大范围海洋感知与监视等任务。而每种应用服务都需要特定的通信体制进行支持，例如水下辅助导航需要节点间信息高速交互，以保证导航的实时性，因此节点需要选择通信速率高的通信体制；远程遥控需要远距离、无误码的信息传输，因此节点需要选择抗干扰能力强的通信体制；大范围海洋感知与监测就需要节点选择兼顾通信速率和抗干扰能力的通信体制。所以单一的通信体制无法满足水声通信网络多种多样的应用需求。
另一方面水声信道是时-空-频变信道，信道环境复杂多变，其对通信主要影响包括：1、水声信道的多径效应造成的码间干扰；2、由于海水介质不均匀引起的能量损失、频率偏移和相位偏移；3、海洋环境噪声等，而每种通信体制都有其应对信道影响因素的长处和短板，所以单一的通信体制无法满足水声通信网络对多变海洋环境的适应性需求。
目前，水声通信的主流通信体制包括直接序列扩频(DSSS)、正交频分复用(OFDM)、多频移键控(MFSK)、多相移键控(MPSK)等。其中，DSSS体制将信息携带在长码序列上，在抗干扰、抗多途性能上有优势，缺点是通信速率低，主要用于远距离的信息传输；OFDM体制将信息携带在多个并行传输的子载波相位上，通信速率可以很高，缺点是信号峰平比高，主要用于近距离的高速通信；MFSK体制将信息携带在多个子载波能量上，通信速率和传输可靠性介于DSSS和OFDM体制之间；MPSK体制将信息携带在单个载波的相位上的，信号峰平比低，通信速率高，但是性能受限于水声时变多途信道引起的复杂码间干扰，一般适用于信道条件较好的环境。这些水声通信体制在通信能力、可靠性、隐蔽性等方面具有各自优势，互补性强。
因此面对日益增长的应用服务需求和复杂多变的海洋环境，传统的单一通信体制的水声通信网络，存在环境适配和多任务支持能力弱的问题，多体制通信是提升水声通信环境适配和多任务支持能力的有效方法，但是如何在节点间完成多体制的兼容和优选是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决多体制节点间无法根据海洋环境变化，自适应地选择最优通信体制，建立稳健通信链路这一问题，提出一种多体制水声通信网络的信号兼容方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种多体制水声通信网络的信号兼容方法，节点A和B均能利用多种通信体制传输信息，A需将信息传至B，首先A发送控制帧信号RTS至B，B利用RTS感知信道特征并结合先验信息，选择最优通信体制，将选择结果通过控制帧信号CTS传回A；然后A以B推荐的通信体制发送信息至B，B解码信息，根据结果更新通信体制解码性能数据库，如果解码正确，通过控制帧信号ACK告知A：信息传输正确，过程结束，如果解码不正确，利用接收信息重新感知信道特征，选择最优通信体制，将选择结果通过ACK传回A，并告知A：信息传输错误，重新开始下一回合RTS->CTS->数据->ACK的交互过程，直至传输正确或到达预设最大交互次数N。该方法通过实时感知信道并结合历史数据来实现多种通信体制的兼容和优选，提高了水声通信网络的环境适配和任务自适应能力。
控制帧信号RTS、CTS和ACK的传输均采用稳健通信体制K，A和B初始状态均以通信体制K接收信号，节点B具有通信体制解码性能数据库，该库主要用于记录B具有的通信体制以及每种通信体制的通信正确率，具体通信过程如下：
(1)第一回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中不携带推荐的通信体制，然后B接收RTS，利用RTS感知信道特征，选择出最优通信体制X，并将X通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以X通信体制接收，接着A以通信体制X发送信息DATA至B，最后B解码DATA，如果解码正确，通信体制解码性能数据库中X的通信成功率更新为R＝(M+1)/(L+1)，M为累计至前回合用X传输DATA正确的次数，L为累计至前回合一共用X传输DATA的次数，随后B发送控制帧信号ACK至A，告知A：信息DATA传输正确，所有过程结束，如果解码不正确，通信体制解码性能数据库中X的通信成功率更新为R＝M/(L+1)，随后B利用DATA重新感知信道特征，选择出最优通信体制X1，将X1通过ACK传回A，并告知A：信息DATA传输错误，重新开始下回合传输，发送完ACK之后，B将自身设置成以K通信体制接收；
(2)第二回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中携带推荐通信体制X1，然后B接收RTS，利用RTS感知信道特征，计算出可推荐通信体制为X2，如果X1和X2相同，则选择X2为最优通信体制，令X＝X2，如果X1和X2不相同，则若X1和X2都属于通信体制解码性能数据库，则比较两者的通信成功率，选成功率高的通信体制为最优通信体制，令X＝(X1和X2中通信成功率高者)，若X1属于通信体制解码性能数据库，X2不属于通信体制解码性能数据库，令X＝X2，若X2属于通信体制解码性能数据库，X1不属于通信体制解码性能数据库，令X＝X1，若X1和X2都不属于通信体制解码性能数据库，令X＝X2，B选择出最优通信体制X后，将X通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以X通信体制接收，接着A以通信体制X发送信息DATA至B，最后B解码DATA，如果解码正确，通信体制解码性能数据库中X的通信成功率更新为R＝(M+1)/(L+1)，随后B发送控制帧信号ACK至A，告知A：信息DATA传输正确，所有过程结束，如果解码不正确，通信体制解码性能数据库中X的通信成功率更新为R＝M/(L+1)，随后B利用DATA重新感知信道特征，选择出最优通信体制X1，将X1通过ACK传回A，并告知A：信息DATA传输错误，重新开始下回合传输，发送完ACK之后，B将自身设置成以K通信体制接收；
(3)第三至第N-1回合与第二回合相同；
(4)第N回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中携带推荐通信体制X1，然后B接收RTS，直接选择K为最优通信体制，并通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以K通信体制接收，接着A以通信体制K发送信息DATA至B，最后B解码DATA，更新K的通信成功率，将解码结果通过ACK告知A，所有过程结束。
本发明的有益效果为：
1、本发明可令多体制节点在复杂多变的水声信道下选择最优通信体制进行稳健通信。
2、本发明有利于多体制水声通信网络满足多样化的应用需求。
附图说明
图1为多体制水声通信网络信号兼容通信过程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：
本实施例中节点A需将信息DATA传至节点B，预设最多传输4个回合，每个回合包括：A传控制帧信号RTS至B，B回复控制帧信号CTS至A，A传送DATA至B，B回复控制帧信号ACK至A。通信中心频率4.5kHz，带宽为3kHz，采样率64kHz，A和B均兼容四种通信体制，分别为直接序列扩频(后面用DSSS代替)、多频移键控(后面用MFSK代替)、多相移键控(后面用MPSK代替)和正交频分复用(后面用OFDM代替)。控制帧信号RTS、CTS和ACK的传输均采用DSSS通信体制，A和B最初状态为：均以通信体制DSSS接收；。
(1)第一回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中不携带推荐的通信体制，然后B接收RTS，利用RTS感知信道特征，选择出最优通信体制为OFDM，并将选择结果通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以OFDM通信体制接收，接着A以通信体制OFDM发送信息DATA至B，最后B解码DATA，通过校验码可知解码结果错误，因为累计至前回合用OFDM传输DATA正确的次数为25次，累计至前回合一共用OFDM传输DATA的次数为50次，所以通信体制解码性能数据库中OFDM的通信成功率更新为R＝M/(L+1)＝25/(50+1)＝49.0％，随后B利用DATA重新感知信道特征，选择出最优通信体制MPSK，将MPSK通过ACK传回A，并告知A：信息DATA传输错误，重新开始下回合传输，发送完ACK之后，B将自身设置成以DSSS通信体制接收。
(2)第二回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中携带推荐通信体制MPSK，然后B接收RTS，利用RTS感知信道特征，计算出可推荐通信体制为OFDM，查看通信体制解码性能数据库，发现通信体制解码性能数据库中没有MPSK的记录，所以选择最优通信体制为MPSK，将选择结果通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以MPSK通信体制接收，接着A以通信体制MPSK发送信息DATA至B，最后B解码DATA，通过校验码可知解码结果错误，通信体制解码性能数据库添加MPSK，其通信成功率更新为R＝M/(L+1)＝0/(1)＝0％，随后B利用DATA重新感知信道特征，选择出最优通信体制MFSK，将MFSK通过ACK传回A，并告知A：信息DATA传输错误，重新开始下回合传输，发送完ACK之后，B将自身设置成以DSSS通信体制接收。
(3)第三回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中携带推荐通信体制MFSK，然后B接收RTS，利用RTS感知信道特征，计算出可推荐通信体制为OFDM，查看通信体制解码性能数据库发现，MFSK和OFDM的通信成功率分别为57.1％和49.0％，所以选择最优通信体制为MFSK，将选择结果通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以MFSK通信体制接收，接着A以通信体制MFSK发送信息DATA至B，最后B解码DATA，通过校验码可知解码结果错误，通信体制解码性能数据库中MFSK的通信成功率更新为R＝M/(L+1)＝40/(70+1)＝56.3％，随后B利用DATA重新感知信道特征，选择出最优通信体制MPSK，将MPSK通过ACK传回A，并告知A：信息DATA传输错误，重新开始下回合传输，发送完ACK之后，B将自身设置成以DSSS通信体制接收。
(4)第四回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中携带推荐通信体制MPSK，然后B接收RTS，直接选择DSSS为最优通信体制，并通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以DSSS通信体制接收，接着A以通信体制DSSS发送信息DATA至B，最后B解码DATA，通过校验码可知解码结果正确，通信体制解码性能数据库中DSSS的通信成功率更新为R＝(M+1)/(L+1)＝(82+1)/(99+1)＝83.0％，将解码结果通过ACK告知A，随后B将自身设置成以DSSS通信体制接收，所有过程结束。
本方法通过不断感知信道特征，同时结合先验信息来更新选用传输信息的最优通信体制，实现环境自适应稳健通信，已通过了理论和仿真验证，正应用于项目“多体制水声通信异构网络系统技术”。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种多体制水声通信网络的信号兼容方法，其特征在于：节点A和B均能利用多种通信体制传输信息，A需将信息传至B，首先A发送控制帧信号RTS至B，B利用RTS感知信道特征并结合先验信息，选择最优通信体制，将选择结果通过控制帧信号CTS传回A；然后A以B推荐的通信体制发送信息至B，B解码信息，根据结果更新通信体制解码性能数据库，如果解码正确，通过控制帧信号ACK告知A：信息传输正确，过程结束，如果解码不正确，利用接收信息重新感知信道特征，选择最优通信体制，将选择结果通过ACK传回A，并告知A：信息传输错误，重新开始RTS->CTS->数据->ACK的交互过程，直至传输正确或到达预设最大交互次数N；
控制帧信号RTS、CTS和ACK的传输均采用稳健通信体制K，A和B初始状态均以通信体制K接收信号，节点B具有通信体制解码性能数据库，该库用于记录B具有的通信体制以及每种通信体制的通信正确率，具体步骤：
（1）第一回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中不携带推荐的通信体制，然后B接收RTS，利用RTS感知信道特征，选择出最优通信体制X，并将X通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以X通信体制接收，接着A以通信体制X发送信息DATA至B，最后B解码DATA，如果解码正确，通信体制解码性能数据库中X的通信成功率更新为R=(M+1)/(L+1)，M为累计至前回合用X传输DATA正确的次数，L为累计至前回合一共用X传输DATA的次数，随后B发送控制帧信号ACK至A，告知A：信息DATA传输正确，所有过程结束，如果解码不正确，通信体制解码性能数据库中X的通信成功率更新为R=M/(L+1)，随后B利用DATA重新感知信道特征，选择出最优通信体制X1，将X1通过ACK传回A，并告知A：信息DATA传输错误，重新开始下回合传输，发送完ACK之后，B将自身设置成以K通信体制接收；
（2）第二回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中携带推荐通信体制X1，然后B接收RTS，利用RTS感知信道特征，计算出可推荐通信体制为X2，如果X1和X2相同，则选择X2为最优通信体制，令X=X2，如果X1和X2不相同，则若X1和X2都属于通信体制解码性能数据库，则比较两者的通信成功率，选成功率高的通信体制为最优通信体制，令X=（X1和X2中通信成功率高者），若X1属于通信体制解码性能数据库，X2不属于通信体制解码性能数据库，令X=X2，若X2属于通信体制解码性能数据库，X1不属于通信体制解码性能数据库，令X=X1，若X1和X2都不属于通信体制解码性能数据库，令X=X2，B选择出最优通信体制X后，将X通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以X通信体制接收，接着A以通信体制X发送信息DATA至B，最后B解码DATA，如果解码正确，通信体制解码性能数据库中X的通信成功率更新为R=(M+1)/(L+1)，随后B发送控制帧信号ACK至A，告知A：信息DATA传输正确，所有过程结束，如果解码不正确，通信体制解码性能数据库中X的通信成功率更新为R=M/(L+1)，随后B利用DATA重新感知信道特征，选择出最优通信体制X1，将X1通过ACK传回A，并告知A：信息DATA传输错误，重新开始下回合传输，发送完ACK之后，B将自身设置成以K通信体制接收；
（3）第三至第N-1回合与第二回合相同；
（4）第N回合，首先A发送控制帧信号RTS至B，RTS中携带推荐通信体制X1，然后B接收RTS，直接选择K为最优通信体制，并通过控制帧信号CTS传回A，随后B将自身设置成以K通信体制接收，接着A以通信体制K发送信息DATA至B，最后B解码DATA，更新K的通信成功率，将解码结果通过ACK告知A，所有过程结束。
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