CN113904735B - 一种跨介质组网通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨介质组网通信设备，属于通信技术领域。该设备复合天线通过射频水密线缆组件连接在电子舱外顶部的舱盖上；信号处理模块、信号调理模块及水声通信功放通过金属销固定在电子舱舱壁上；所述锂电池通过夹具安装固定在电子舱内；所述换能器、多元接收阵通过水密连接器连接在电子舱外的底部。本发明能够降低值守与维护作业人员与物力成本，提升水下信息收集时效性。

Description

一种跨介质组网通信设备
技术领域
本发明涉及到通信技术领域，特别涉及一种跨介质组网通信设备。
背景技术
随着海洋开发与利用的逐步深入，海洋探测能力需求日渐迫切，水下无人装备取得了长足发展，然而受限于复杂的水下环境，单个水下节点作业能力有限，无法满足大范围资源探测、地形测绘、搜救及情报侦察等需求，如何实现水下装备间有效互联互通、组网协同作业实现能力倍增，如何将水下各节点状态及数据进行快速回传，以便生成水下作业态势、进行任务动态调整等是快速、高效的进行区域探测是急需解决的问题。
声波在水与空气界面反射严重，无法直接采用声信号进行水下、水面高速数据传输，现有水下节点数据回传手段主要有：1)采用水声通信将信号传输至水面浮标节点后，通过短波、超短波等无线数传电台进行数据回传至岸站，这种方式受限于天线高度，无法进行远距离数据交互，限制了平台的布放范围；2)采用回收水下节点的方式进行数据回收，这种方式成本高、难度大，且无法进行实时数据交互；3)采用北斗短报文方式，这种方式数据回传速率低，不满足大量数据回传需求；4)采用铱星通信，通信速率较高，但技术不可控、保密性不强、资费高。这些传统手段面临传输距离近、设备集成度低、回传速率不足、信息安全性无法保障等问题，无法满足水下信息系统远程高速数据回传、跨域跨介质通信组网、信息加密传输等需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种跨介质组网通信设备。该设备能够降低值守与维护作业人员与物力成本，提升水下信息收集时效性。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种跨介质组网通信设备，包括天通通信单元和水声通信前端，还包括信号处理模块；所述水声通信前端包括信号调理模块、水声通信功放、换能器和多元接收阵；
所述天通通信单元用于完成卫星通信链路收发功能；所述天通通信单元包括复合天线，所述复合天线用来完成天通卫星S波段的双向通信，其包括S天线、BD天线和GPS天线，实现天通卫星通信可与北斗定位授时的同时，将北斗短报文与GPS定位导航作为辅助备份；
执行接收任务时，首先通过复合天线进行对星、入网，收到卫星通信信号经射频单元放大、滤波、解调、解码后，将数据转发给基带芯片进行处理，获取数据、指令、授时定位信息，并将数据信息存储；
执行发射任务时，首先在基带芯片对发送数据进行分类存储，随后将数据推送至射频单元进行编码、调制与放大，经由复合天线完成发射；
所述信号处理模块用于实现天通通信单元和水声通信前端的数据融合处理，并进行任务调度、路由维护、加密解密数据处理；其适配通信速率差异显著的两种通信链路，进行数据拥塞控制，生成任务日志并存储；
所述信号调理模块用于将换能器与多元接收阵获取到的信号放大、滤波以便进行信号采集，并根据信号处理模块给出的控制参数进行增益调整；
所述水声通信功放通过匹配网络与换能器进行阻抗匹配，其受控于信号处理模块并将故障信息进行反馈，将信号处理模块产生的信号放大并激励换能器发射声信号；
所述换能器用于实现水声通信电声/声电信号的转换；
所述多元接收阵为多个圆柱形标量/矢量水听器组成垂直阵，每个水听器均连接有提升抗干扰能力的前置放大电路；
上行通信过程：多元接收阵与换能器拾取水下网络节点水声通信信号，信号调理模块将水声通信信号进行放大、滤波发送至信号处理模块，信号处理模块采集处理接收模拟信号，以获取水声通信数据与路由信息，并由信号处理模块将需要上传数据加密后发送给天通通信单元；
下行通信过程：天通通信单元将接收到的卫星信号放大、滤波和解调后，输送至信号处理模块，信号处理模块解译卫星通信信号并转换为水声通信信号进行下发至水声通信功放，水声通信功放将水声通信信号放大、滤波与匹配后驱动发射换能器进行信号发射。
进一步的，还包括电子舱和锂电池，所述复合天线通过射频水密线缆组件连接在电子舱外顶部的舱盖上；信号处理模块、信号调理模块及水声通信功放通过金属销固定在电子舱舱壁上；所述锂电池通过夹具安装固定在电子舱内；所述换能器、多元接收阵通过水密连接器连接在电子舱外的底部。
进一步的，所述复合天线内部交替采用左、右极化方式集成S天线、BD天线和GPS天线。
进一步的，所述信号调理模块采用动态增益控制。
进一步的，所述水声通信功放采用线性D类功率放大器。
进一步的，所述信号处理模块通过分集接收处理克服信道衰落造成的对水声通信的影响。
进一步的，所述换能器的压电陶瓷环外覆有氨酯材料和防水橡胶。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明将水声通信组网与卫星通信相结合，采用专用网络协议栈建立跨介质通信网络，并添加轻量级加密保障设备通信安全，满足海洋开发、海洋物联网、水下无人设备集群等应用需求。
2、本发明的所有处理芯片、基带芯片和射频芯片均采用国产芯片，使用自主天通卫星通信系统，降低对进口元器件与设备的依赖，产品延续性、安全性有保障。
3、本发明采用复合天线设计，通过左右旋极化交替的方式将S、GPS、BD天线集成到同一天线，同时实现天通卫星通信与BD/GPS定位与授时，减少设备体积与接口数量。
4、本发明设备在保障性能与可靠性的前提下，采用低功耗、低成本、小体积设计，降低对应用平台的搭载能力要求。
附图说明
图1为本发明实施例的组成框图；
图2为本发明实施例结构示意图；
图3为本发明实施例为天通通信模块接口示意图；
图4为本发明实施例的工作原理框图；
图5为本发明实施例的通信组网工作原理图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本实施例主要由复合天线、天通通信模块、信号处理模块、信号调理模块、水声通信功放、锂电池、电子舱、换能器、多元接收阵等组成，组成框图如图1所示。
所述复合天线101用来完成天通卫星S波段双向通信，内部集成BD、GPS天线，各天线交替采用左旋、右旋极化方式，以降低相互间干扰。
所述天通通信模块102为设备卫星通信与组网处理模块，采用国产基带芯片、射频芯片搭建收发电路，通过复合天线101进行对星、入网、定位与授时，实现语音、数据、短消息等终端业务等功能。
所述信号处理模块103是整个设备的信号处理与控制中心，主要用于完成：水声通信信号产生与功放状态控制；水声通信信号采集、检测、解调、解码与增益调节；天通通信模块数据交互与状态控制；跨介质通信网络路由维护；值班控制等功能。
所述信号调理模块104将换能器与接收阵列获取到的小信号放大、滤波以便进行信号采集，并根据信号处理模块给出的控制参数进行增益调整。
所述水声通信功放105通过匹配网络与换能器进行阻抗匹配，水声通信功放受控于信号处理模块并将故障信息进行反馈，将信号处理模块产生的小信号放大并激励换能器发射声信号。
所述换能器106为收发合置换能器，采用压电陶瓷环拼接而成，外敷聚氨酯材料，实现水声通信电声/声电信号转换。
所述多元接收阵107，采用多个圆柱形标量/矢量水听器组成垂直阵，每个水听器就近连接一个前置放大电路，提升抗干扰能力。所述多元接收阵通过分集接收与波束合成技术，有效克服信道衰落造成的对水声通信的影响。
所述多元接收阵107为选配单元，可根据实际使用场景及需求判断是否加装、加装何种参数阵列。
所述电子舱108为防水、耐压舱体，可根据使用环境进行定制化设计，即可安装于浮标、舰船、无人潜航器等平台上，也可以将全部设备安装于玻璃钢浮球中单独使用。
所述锂电池109，采用高密度可充电锂电池，为整个设备提供直流供电，并可通过浮标平台太阳能电池或者外供电进行充电。
参照图1至图5，所述复合天线201采用定制化全向杆状天线，通过水密同轴电缆及水密同轴连接器202与设备进行连接，实现天通卫星通信与北斗定位授时，同时将北斗短报文与GPS定位导航作为辅助备份。
所述天通通信模块205集成基带芯片MSC01A、射频单元MSR01A、电源处理与接口单元，通过MINI_PCIE_E接口进行接口扩展，主要接口见图3。
所述信号处理模块206主处理芯片采用国产ARM芯片，进行信号产生与发射控制、信号采集与处理、卫星通信数据交互与控制、跨介质组网路由维护、信息加解密等功能，MCU选取430单片机，完成值班控制与电源管理。
所述信号调理模块207将收发合置换能器214与多元接收阵列215接收到的小信号进行放大与滤波，并根据信号处理模块206给出的控制参数进行增益调整以便有效利用ADC输入动态范围。
所述水声通信功放208采用线性D类功率放大器，经匹配网络与收发合置换能器214进行连接，信号处理模块206控制水声通信功放208开关机、使能并提供模拟发射信号激励换能器发射声信号，并通过反馈接口实时监控功放状态。
所述电子舱209采用PVC塑料材质，上端盖204、下端盖211通过双层密封胶圈实现密封，保障设备耐压、防水的基础上，降低设备质量与成本，耐压深度≥300m，满足跨介质通信场景下耐压需求。
所述锂电池210采用18650型锂离子电池串、并而成，可通过供电与通信接口203进行充电，为整个设备进行一次供电，通过各板卡上二次电源模块进行稳压、变压、隔离与滤波后为各模块进行供电。
所述收发合置换能器214为圆柱形压电换能器，通过水密电缆、水密连接器213与电子舱210进行连接，实现水声通信信号发射与信号拾取。
所述多元接收阵215为多元垂直阵，每个水听器217就近连接一个前置放大电路216，降低整个链路的噪声系数，提升抗干扰能力，阵列内部采用凯夫拉绳提升抗拉能力，末端可挂载重物，以便阵列在水下保持垂直姿态。
整个设备工作原理如图4所示。
天通通信模块完成卫星通信链路收发功能。执行接收任务时，首先通过小型全向天线进行对星、入网，收到卫星通信信号经射频单元放大、滤波、解调与解码，将数据转发给基带芯片进行处理，获取数据、指令、授时定位等信息，并将关键数据存储。执行发射任务时，首先会在基带芯片对待发送数据进行分类存储，随后将数据推送给发射单元进行编码、调制与放大，经由全向天线完成发射。
信号处理模块控制单元主要负责进行天通卫星通信模块及水声通信前端主要包括换能器、接收阵、水声通信功放、信号调理电路间数据的融合处理，进行任务调度、路由维护、加密解密等数据处理，适配通信速率差异显著的两种通信链路，进行数据拥塞控制，生成任务日志并存储。
水声通信前端主要包括收发合置换能器、多元接收阵、水声通信功放、信号调理电路、信号处理模块完成水声通信链路收发功能。执行接收任务时，首先对收发合置换能器与多元接收阵接收到的信号进行调理和采集，随后进行信号检测、解调与解码，将解析出的数据信息交由控制单元进行后续处理，期间关键数据会存放至存储单元。接收到水声通信发射任务时，首先对待发送数据进行编码、调制，产生模拟信号，通过功率放大单元将信号放大驱动水声通信换能器进行信号发射。
针对跨介质通信与组网高传输时延、噪声严重、节点资源受限、平台移动等特点，设计适用于水声信道的介质访问控制协议，采用基于动态预留时隙TDMA协议，解决水声网络中移动节点的随遇接入和数据包冲突问题，提高水声网络收敛速度和整体吞吐量，通过将时间划分为周期性的帧，同时每一帧中根据网络中固定节点和移动节点数量，确定固定时隙和动态预留时隙的数量。各节点在分配给自己的时隙中进行数据发射，其余时隙中进行数据侦听，接收其他节点发送的数据，移动节点在进入网络时利用动态预留的时隙进行数据发送。其工作原理如图5所示。
上述详细介绍了本发明的优选实施例，是为了方便相关领域技术人员理解，仅作为对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种跨介质组网通信设备，包括天通通信单元和水声通信前端，其特征在于，还包括信号处理模块；所述水声通信前端包括信号调理模块、水声通信功放、换能器和多元接收阵；
所述天通通信单元用于完成卫星通信链路收发功能；所述天通通信单元包括复合天线，所述复合天线用来完成天通卫星S波段的双向通信，其包括S天线、BD天线和GPS天线，实现天通卫星通信可与北斗定位授时的同时，将北斗短报文与GPS定位导航作为辅助备份；
执行接收任务时，首先通过复合天线进行对星、入网，收到卫星通信信号经射频单元放大、滤波、解调、解码后，将数据转发给基带芯片进行处理，获取数据、指令、授时定位信息，并将数据信息存储；
执行发射任务时，首先在基带芯片对发送数据进行分类存储，随后将数据推送至射频单元进行编码、调制与放大，经由复合天线完成发射；
所述信号处理模块用于实现天通通信单元和水声通信前端的数据融合处理，并进行任务调度、路由维护、加密解密数据处理；其适配通信速率差异显著的两种通信链路，进行数据拥塞控制，生成任务日志并存储；
所述信号调理模块用于将换能器与多元接收阵获取到的信号放大、滤波以便进行信号采集，并根据信号处理模块给出的控制参数进行增益调整；
所述水声通信功放通过匹配网络与换能器进行阻抗匹配，其受控于信号处理模块并将故障信息进行反馈，将信号处理模块产生的信号放大并激励换能器发射声信号；
所述换能器用于实现水声通信电声/声电信号的转换；
所述多元接收阵为多个圆柱形标量/矢量水听器组成垂直阵，每个水听器均连接有提升抗干扰能力的前置放大电路；
上行通信过程：多元接收阵与换能器拾取水下网络节点水声通信信号，信号调理模块将水声通信信号进行放大、滤波发送至信号处理模块，信号处理模块采集处理接收模拟信号，以获取水声通信数据与路由信息，并由信号处理模块将需要上传数据加密后发送给天通通信单元；
下行通信过程：天通通信单元将接收到的卫星信号放大、滤波和解调后，输送至信号处理模块，信号处理模块解译卫星通信信号并转换为水声通信信号进行下发至水声通信功放，水声通信功放将水声通信信号放大、滤波与匹配后驱动发射换能器进行信号发射。
2.根据权利要求1所述的一种跨介质组网通信设备，其特征在于，还包括电子舱和锂电池，所述复合天线通过射频水密线缆组件连接在电子舱外顶部的舱盖上；信号处理模块、信号调理模块及水声通信功放通过金属销固定在电子舱舱壁上；所述锂电池通过夹具安装固定在电子舱内；所述换能器、多元接收阵通过水密连接器连接在电子舱外的底部。
3.根据权利要求1所述的一种跨介质组网通信设备，其特征在于，所述复合天线内部交替采用左、右极化方式集成S天线、BD天线和GPS天线。
4.根据权利要求1所述的一种跨介质组网通信设备，其特征在于，所述信号调理模块采用动态增益控制。
5.根据权利要求1所述的一种跨介质组网通信设备，其特征在于，所述水声通信功放采用线性D类功率放大器。
6.根据权利要求1所述的一种跨介质组网通信设备，其特征在于，所述信号处理模块通过分集接收处理克服信道衰落造成的对水声通信的影响。
7.根据权利要求1所述的一种跨介质组网通信设备，其特征在于，所述换能器的压电陶瓷环外覆有氨酯材料和防水橡胶。
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