CN115529567A - 一种极地跨冰层无线网络通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种极地跨冰层无线网络通信系统及方法，包括冰下通信网络系统和冰上通信网络系统；所述冰下通信网络系统是在冰层下，由下至上分布水声传感器节点阵列、UUV移动节点和大功率中继通信机节点阵列，所述水声传感器节点阵列与UUV移动节点负责环境信号检测与分析，所述大功率中继通信机阵列负责中继转发，跨域通信，所述冰上网络通信系统包括冰层检波器阵列、卫星和水面控制中心，所述冰层检波器阵列与冰面紧密耦合，检测来自冰层下方大功率中继通信机节点阵列的通信信号，之后利用电磁波与卫星建立通信网络并转发给控制中心；本发明无需凿穿冰面，即可构建水下‑冰上‑卫星一体化跨域信息传输网络，实现跨域信息传输。
Description
技术领域
本发明涉及极地冰下通信领域，特别的，涉及一种极地跨冰层无线网络通信系统及方法。
背景技术
近些年来，北极地区的冰下声学通信正在受到越来越多的关注，北极地区常年被冰层覆盖，为了实现冰下与水上的通信，就必须跨域冰层介质。传统声学通信链路的搭建需要将天线(水听器)放置于冰下，通过电缆连接至冰上基站，该系统存在的问题是受到通信距离，成本，环境的限制，不够灵活，难以支持北极水声通信/定位/传感一体化网络的搭建，无法构建海冰区水下作业信息保障支持系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种极地跨冰层无线网络通信系统及方法，提高了接收信号的信噪比和跨域通信的可靠性。
本发明的目的是这样实现的：
一种极地跨冰层无线网络通信系统，包括冰下通信网络系统和冰上通信网络系统；所述冰下通信网络系统是在冰层下，由下至上分布水声传感器节点阵列、UUV移动节点和大功率中继通信机节点阵列，所述水声传感器节点阵列与UUV移动节点负责环境信号检测与分析，所述大功率中继通信机阵列负责中继转发，跨域通信，所述冰上网络通信系统包括冰层检波器阵列、卫星和水面控制中心，所述冰层检波器阵列与冰面紧密耦合，检测来自冰层下方大功率中继通信机节点阵列的通信信号，之后利用电磁波与卫星建立通信网络并转发给控制中心。
一种极地跨冰层无线网络通信方法，所述通信方法利用如上所述的通信系统，具体步骤如下：
(1)水声传感器节点阵列与UUV移动节点实时检测与分析采集到的环境信号；
(2)判断步骤(1)采集到的环境信号是否为异常通信信号，如果否则视为无用数据，继续采集，如果是，则立即分析异常通信信号并传输给大功率中继通信机节点阵列；
(3)大功率中继通信机节点阵列汇总异常通信信号后，经过阵列产生大功率的指向性声学信号从而跨越冰层介质，传输至冰面上的冰层检波器阵列；
(4)冰层检波器阵列将波形信号转化为电磁波信号通过卫星转发至水面控制中心，水面控制中心得到当前冰下环境中的异常通信信号，加以分析从而作出应对。
所述异常通信信号包括单载波、扩频和OFDM体制通信信号。
冰层下，由下至上分布有固定的水声传感器节点阵列，UUV移动节点和固定的大功率中继通信机节点阵列组成冰下通信网络系统，其中固定的水声传感器节点阵列作为潜标沉于海底，监测环境信号并向外辐射声信号，UUV移动节点作为移动节点在水中巡游，大功率中继通信机节点阵列紧靠冰层下表面，接收来自水声传感器节点和UUV移动节点的通信信号，汇总后用于跨域的中继通信。冰面上，利用多个冰层检波器与冰面紧密耦合，作为接收阵列，接收来自冰层下方大功率中继通信机节点阵列向上辐射的通信信号，利用电磁波与卫星建立通信网络，将信号转发给水面控制中心。
水面控制中心，通过卫星接收来自冰面通信机的通信信号，进行分析与显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)无需凿穿冰面，即可构建水下-冰上-卫星一体化跨域信息传输网络，实现跨域信息传输；
(2)大功率的中继通信机节点阵列，能够汇总水下网络传递的有用信号，以大功率向冰面上转发，并且可以通过阵列形成指向性，提高能量利用效率、冰面检波器接收信号的信噪比与可靠性；
(3)UUV等无人潜航器作为移动节点可随时接入冰下网络，增强了系统灵活性。
附图说明
图1为极地跨冰层无线网络通信方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
本发明为一种极地跨冰层无线网络通信系统及方法，可以用于侦察，探测，定位和通信等多种应用场景，为了更好的解释本发明的工作流程，下面以通信信号侦察的过程为例进行说明：
如图1所示，水声传感器节点以阵列的形式布放在极地冰下水域内的海底，利用水听器采集环境声信号，同时，UUV移动节点在指定冰下水域内进行航行，固定水声传感器节点与UUV移动节点均通过通信设备和处理器实时分析采集到的信号，辨别环境内有无异常通信信号，当判断采集的信号为环境噪声时，则视为无用数据，继续采集。当发现单载波，扩频和 OFDM体制的异常通信信号后，则立即分析通信信号的调制方式、载波频率、帧长、映射方式等信息，并与冰层下的大功率中继通信机节点阵列建立声学链路，将侦察得到的有用信息传输上去。
大功率中继通信机节点阵列通过自身结构浸没在冰层下表面的水体内，在汇总来自水下传感器节点和UUV节点的信号信息后，通过阵列形成指向性，并将信号进行功率放大，从而跨越冰层介质，传输至冰面上的冰层检波器阵列，最后冰层检波器将波形信号转化为电磁波信号通过卫星转发至水面控制中心，因此水面控制中心就可以得到当前冰下环境中的异常信号，加以分析从而作出应对，通过以上描述的通信链路实现了无线跨冰层通信，提高了接收信号的信噪比和跨域通信的可靠性。
冰层下，由下至上分布有固定的水声传感器节点阵列，UUV移动节点和固定的大功率中继通信机节点阵列，共同组成冰下通信网络系统；冰面上，多个冰层检波器与冰面紧密耦合作为接收阵列，检测来自冰层下方大功率中继通信机节点阵列的通信信号，并利用电磁波与卫星建立通信网络，将信号转发给水面控制中心，构成冰上通信网络系统。
Claims (3)
1.一种极地跨冰层无线网络通信系统，其特征在于：包括冰下通信网络系统和冰上通信网络系统；所述冰下通信网络系统是在冰层下，由下至上分布水声传感器节点阵列、UUV移动节点和大功率中继通信机节点阵列，所述水声传感器节点阵列与UUV移动节点负责环境信号检测与分析，所述大功率中继通信机阵列负责中继转发，跨域通信，所述冰上网络通信系统包括冰层检波器阵列、卫星和水面控制中心，所述冰层检波器阵列与冰面紧密耦合，检测来自冰层下方大功率中继通信机节点阵列的通信信号，之后利用电磁波与卫星建立通信网络并转发给控制中心。
2.一种极地跨冰层无线网络通信方法，其特征在于：所述通信方法利用如权利要求1所述的通信系统，具体步骤如下：
(1)水声传感器节点阵列与UUV移动节点实时检测与分析采集到的环境信号；
(2)判断步骤(1)采集到的环境信号是否为异常通信信号，如果否则视为无用数据，继续采集，如果是，则立即分析异常通信信号并传输给大功率中继通信机节点阵列；
(3)大功率中继通信机节点阵列汇总异常通信信号后，经过阵列产生大功率的指向性声学信号从而跨越冰层介质，传输至冰面上的冰层检波器阵列；
(4)冰层检波器阵列将波形信号转化为电磁波信号通过卫星转发至水面控制中心，水面控制中心得到当前冰下环境中的异常通信信号，加以分析从而作出应对。
3.根据权利要求2所述的极地跨冰层无线网络通信方法，其特征在于：所述异常通信信号包括单载波、扩频和OFDM体制通信信号。
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