一種異步的水下全速率協作通信方法
2023-09-23 11:39:25
一種異步的水下全速率協作通信方法
【專利摘要】本發明公開了一種異步的水下全速率協作通信方法，包含以下步驟：步驟1、源節點獲取信道的使用權並發送數據；步驟2、當本次傳輸中可用的中繼節點數目大於或等於2個時，進入全速率協作傳輸模式；步驟3、將可用的中繼節點分為N組，各組中繼節點偵聽源節點發送的數據幀，當第n組中繼節點偵聽到第i幀數據時，如果i除以N的餘數為n，則該組中繼節點接收該幀數據，否則，繼續偵聽；目的節點接收源節點發送的數據幀和各組中繼節點轉發的數據幀；步驟4、源節點的數據發送結束後，發送停止信令，中繼節點接收到停止信令並轉發後停止中繼傳輸，目的節點接收到停止信令後停止接收。具有提高了傳輸速率，成本和功耗低等優點。
【專利說明】一種異步的水下全速率協作通信方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水聲通信技術，特別涉及一種異步的水下全速率協作通信方法。【背景技術】
[0002]多途幹擾是影響水聲通信速率的主要因素之一。聲波在水中傳播時，由於水中界面的邊界反射以及聲線在傳播過程中發生彎曲造成在發射節點和接收節點之間存在著大量的傳輸路徑，引起接收信號幅度的隨機起伏和信號的時延擴散。與陸上電磁波信道相比，水聲信道的多途效應具有時延擴展長、隨機時-空-頻變等特點，處理起來更為困難。分集是一種抵抗多徑衰落的有效技術，由於水下可用的頻帶窄、時延長，因此基於空間分集的MIMO (Mult1-1nput Mult1-Out)技術在水下有著廣闊的應用前景。然而，由於MMO系統需要在通信鏈路的發送端和接收端架設的多根天線，並且天線間的距離需要大於信號的波長，因此對設備的尺寸和成本等方面有著較高的要求，在信號波長長(例如，IkHz的信號在聲速為1500m/s的水中波長為1.5米,遠大於陸上電磁波的波長)、換能器成本高的水聲通信應用中有著較大的局限性。例如，在需要大量小型廉價節點的水聲傳感器網絡和小型無人航行器等應用中，節點可供安裝的換能器個數和距離通常難以很好地滿足MMO的要求。
[0003]為了解決MMO技術用於小型無線設備時多天線安裝困難的問題，近年來陸上MIMO的研究中提出了協作通信的概念。協作通信的基本思想是在多用戶環境下，每個用戶除了發送自己信息之外，也可以幫助協作用戶傳輸信息，使得每個用戶在通信過程中既利用自己的信道也利用了參與協作用戶的空間信道，從而形成了虛擬的MMO信道，獲得空間分集增益。研究表明協作分集同樣可以達到完全分集的效果，從而可以在不改變用戶天線數目的情況下提高系統的傳輸性能。協作通信技術克服了 MIMO技術應用中對天線數目和天線距離的限制，拓寬了 MMO技術的應用範圍，因此成為近幾年MMO技術研究的熱點，並在2006年開始陸續被應用到水聲通信當中。
[0004]現有的水下協作通信普遍沿用了陸上的傳統同步協作模式，但由於水聲信道的特殊性，將陸上的傳統同步協作模式直接用於水下存在著以下不足:
[0005](I)在半雙工的情況下中繼節點需要先偵聽後發送，使得源節點只能間歇發送信息，即工作在半速率的模式，降低了源節點的發送速率，對傳輸速率本已較低的水聲通信帶來不良的影響。傳統的同步協作通信中，協作的過程分為兩個階段:第一階段源節點發送信息，中繼節點和目的節點接收信息，第二階段源節點停止發送信息，中繼節點向目的節點發送第一階段中接收到的信息，其信息傳輸的過程如圖1 (a)和圖1 (b)所示。從圖1 (a)和圖1 (b)可以看到，源節點只在第一階段發送信息，第二階段處於空閒狀態，顯著降低了源節點的信息發送速率。
[0006](2)同步的協作機制在長時延的水下環境使用時存在著同步時間長、傳輸效率低的不足。由於電磁波在空氣中的傳播速度非常快，因此目前陸上的全速率協作通信均採用了同步的傳輸機制。但當這些同步的協作機制應用到時延長、同步困難的水下環境時，會因同步等待的時間過長而造成傳輸效率低下。圖1 (a)和圖1 (b)分別為傳統同步協作通信用於陸上和水下的時序示意圖，從圖中可以看到同步協作用於水下時的同步等待時間遠大於陸上。
[0007]為了提高源節點信息的發送速率，在陸上的協作通信研究中提出了全速率協作通信的方法，其基本思想是通過多個中繼節點輪流偵聽和發送信息等方式來保證源節點信息發送的連續不中斷，但這些方法仍是基於同步的協作機制，在水下應用時同樣存在著同步時間長、傳輸效率低的缺點。圖2 (a)和圖2 (b)分別為一種典型的雙中繼全速率協作通信用於陸上和水下時的傳輸時序示意圖。從圖中可以看到將同步的全速率協作通信技術用於水下時的局限性。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於克服現有的水下協作通信技術傳輸效率低、速度慢等缺點與不足，提供一種異步的水下全速率協作通信方法，該方法採用全速率的協作方式來提高源節點信息的發送速率，並利用異步的傳輸機制來減少同步等待的時間，從而顯著提高傳輸的效率和速度。圖3為一種可能的雙中繼異步切換的水下全速率協作通信時序示意圖，從圖中可以看出源節點連續發送數據，中繼節點以幀的邊界作為中繼節點偵聽和轉發的切換時機，無需等待同步，從而提高了傳輸的速率。本發明還能根據中繼節點的數目自適應地選擇合適的協作模式進行傳輸，因此可廣泛應用於多種水下組網通信的應用場合中，特別適合水聲傳感器網絡、小型無人航行器等需要較大量小型、廉價節點的水聲應用。
[0009]本發明的目的通過下述技術方案實現:一種異步的水下全速率協作通信方法，包含以下步驟:
[0010]步驟1:源節點需要發送數據時，首先獲取信道的使用權；
[0011]步驟2:源節點獲得信道的使用權後，確定本次傳輸中可用的中繼節點，如果可用的中繼節點數目大於或等於2個，進入全速率協作傳輸模式；
[0012]步驟3:進入全速率協作傳輸模式後，將可用的中繼節點分為N組，N > 2，源節點向目的節點和中繼節點連續發送數據巾貞；各組中繼節點偵聽源節點發送的數據巾貞，當第η組中繼節點偵聽到第i幀數據時，如果i除以N的餘數為n，則該組中繼節點接收該幀數據，並在接收完畢後向目的節點轉發該幀數據，否則則繼續偵聽；目的節點接收源節點發送的數據幀和各組中繼節點轉發的數據幀，合併幀序號相同的各幀數據；
[0013]步驟4:源節點的數據發送結束後，發送停止信令，中繼節點接收到停止信令並轉發後停止中繼傳輸，目的節點接收到停止信令後停止接收。
[0014]上述步驟2中，如果可用中繼節點數目為I個，進入半速率協作傳輸模式，具體步驟如下:
[0015]步驟2.1:源節點向目的節點和中繼節點發送一幀數據後偵聽中繼節點使用的信道，當偵聽到中繼節點轉發完畢後，發送下一幀數據；
[0016]步驟2.2:中繼節點偵聽到源節點發送的數據後，接收該幀數據並將數據轉發給目的節點；
[0017]步驟2.3:目的節點接收源節點發送的數據幀和中繼節點轉發的數據幀後，合併幀序號相同的各幀數據；
[0018]步驟2.4:源節點的數據發送結束後，發送停止信令，中繼節點接收到停止信令並轉發後停止中繼傳輸，目的節點接收到停止信令後停止接收。
[0019]上述步驟2中，如果可用中繼節點數為0，採用非協作傳輸模式，源節點直接將數據發送到目的節點。
[0020]上述步驟3中，中繼節點使用解碼轉發的方式轉發源節點數據，源節點和不同組的中繼節點使用不同的信道發送數據，同組的中繼節點使用同一信道發送數據。第η組中繼節點接收源節點發送的數據後，若該組只有一個中繼節點，則該中繼節點解碼源節點發送的數據後將數據採用單輸入單輸出的方式重新編碼並轉發給目的節點；若該組有多個中繼節點，則該組中各中繼節點解碼源節點發送的數據後採用異步空時編碼的方式對數據進行編碼，並在同一信道中轉發給目的節點。
[0021]上述步驟3中，源節點和各組中繼節點在同一信道中發送數據，各中繼節點採用放大轉發的方式轉發源節點的數據，目的節點將某一中繼節點的轉發信號看作源節點信號的一條多途傳播路徑對接收信號進行均衡，然後解碼得到源節點發送的信息。
[0022]本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果:
[0023]1、本發明與現有的水下兩階段協作通信和基於同步機制的全速率協作通信技術相比，在中繼節點大於2的情況下能保證源節點信息的連續發送，同時不需要等待同步，有效地提高了傳輸速率。
[0024]2、本發明能夠根據系統中可用中繼節點的數目，自適應地選擇合適的協作或非協作模式進行傳輸，能廣泛應用於多種水下組網通信的應用場合中。
[0025]3、本發明可以在各節點使用單換能器的情況下實現MMO的傳輸效果，能在保證傳輸質量的同時減小水下節點的體積、成本和能耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1 (a)為傳統的同步協作模式用於陸上的信息傳輸時序示意圖，S為源節點，R為中繼節點，D為目的節點，Tn為發送的第η幀數據，Rn為接收的第η幀數據。
[0027]圖1 (b)為傳統的同步協作模式用於水下的信息傳輸時序示意圖，S為源節點，R為中繼節點，D為目的節點，Rn為接收的第η巾貞數據。
[0028]圖2 Ca)為同步全速率協作通信用於陸上的信息傳輸時序示意圖，S為源節點，Rl為中繼節點1，R2為中繼節點2，Tn為發送的第η幀數據，Rn為接收的第η幀數據，D為目的節點。
[0029]圖2 (b)為同步全速率協作通信用於水下的信息傳輸時序示意圖，S為源節點，Rl為中繼節點1，R2為中繼節點2，Tn為發送的第η幀數據，Rn為接收的第η幀數據，D為目的節點。
[0030]圖3為雙中繼異步切換的水下全速率協作通信時序示意圖，S為源節點，Rl為中繼節點1，R2為中繼節點2，Tn為發送的第η幀數據，Rn為接收的第η幀數據，D為目的節點。
[0031]圖4為本發明實施例1中異步全速率協作通信系統示意圖，S為源節點，D為目的節點，Rl、民、R」、Rm為中繼節點。
[0032]圖5為本發明實施例1中點協作通信的流程圖。
[0033]圖6為本發明實施例2中單信道時雙中繼全速率協作通信系統結構圖，S為源節點，D為目的節點，Rl、R2為中繼節點。[0034]圖7為本發明實施例2中單信道環境下異步並發信息的分集方法示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
[0036]實施例1
[0037]本實施例為一個包含M+2個節點的水聲通信網絡，如圖4所示，其中S為需要發送數據的源節點、D為目的節點、Ri (0〈i〈M)為處於S通信範圍內的其他節點，該網絡中所有節點之間均可一跳到達，每個節點只配備一個換能器，所以各節點的通信方式是半雙工的。系統帶寬為6kHz，聲速為1500m/s，S - Ri, S - D^R1- D這三個鏈路的最大距離為2km，數據包的大小為240個字節。若採用同步的全速率協作通信，則協作傳輸需要兩個時隙完成，而
每個時隙至少需要132s(#^ +，= 2.32)，如此長的時隙將嚴重降低信道容量。因此
6x10 1500
在上述實施例中，節點間採用異步的全速率協作通信方法，能夠有效地提高源節點信息的發送速率，而且減少同步等待的時間，從而能顯著提高傳輸的效率與速度。
[0038]本施例採用以下步驟來實現異步的水下全速率協作通信，其節點的工作流程如圖5所示:
[0039]步驟1:源節點需要發送數據時，首先獲取信道的使用權；
[0040]本實施例中，源節點S採用T-Lohi協議通過預約的方式獲得信道的使用權，每個時間幀包含一個預約信道時間段和數據發送時間段，預約信道時間段由一系列的時間片組成。在預約信道時間段，節點S需要發送數據時，首先發送一個短的預約幀，如果在這個時間片裡只有節點S預約信道，則節點S獲得信道的使用權；如果有其他節點與S同時預約信道，則節點S避退W個預約時間片，其中we [0，r]，r為預約信道的節點數。如果在避退期間，節點S收到其他節點的預約幀，則節點S設置為阻塞狀態，等到下個時間幀再發送預約幀，如果沒收到其他節點的預約幀，則在避退時間結束後重新發送預約幀，直到預約信道成功。
[0041]步驟2:源節點獲得信道的使用權後，確定本次傳輸中可用的中繼節點，如果可用的中繼節點數目大於或等於2個，進入全速率協作傳輸模式。
[0042]在本實施例中，源節點S獲得信道的使用權後，選擇在目的節點處的輸出信噪比大於門限值的中繼節點作為本次傳輸可用的中繼節點。設上述實施例中可用的中繼節點數為3個，分別為H R3,則本次傳輸採用全速率的協作模式；
[0043]步驟3:進入全速率協作傳輸模式後，將可用的中繼節點分為N組，N > 2 ;源節點向目的節點和中繼節點連續發送數據幀；各組中繼節點偵聽源節點發送的數據幀，當第η組中繼節點偵聽到第i幀數據時，如果i除以N的餘數為n，則該組中繼節點接收該幀數據，並在接收完畢後向目的節點轉發該幀數據，否則則繼續偵聽；目的節點接收源節點發送的數據幀和各組中繼節點轉發的數據幀，合併幀序號相同的各幀數據。
[0044]將3個可用中繼節點分為2組，其中第一組中繼節點為％、R2，第二組中繼節點為R30源節點在傳輸時連續向目的節點和中繼節點發送數據幀，無需等待同步。兩幀數據之間插入保護時間，以保證中繼節點切換過程中無數據丟失。由於中繼節點分為2組，因此在源節點開始發送數據後，所有中繼節點偵聽源節點發送的數據幀，當第一組中繼節點R1和R2偵聽到奇數幀數據時，接收並轉發該幀數據，否則則繼續偵聽；同樣，當第二組中繼節點R3偵聽到偶數幀數據時，接收並轉發該幀數據，否則則繼續偵聽。
[0045]源節點、第一組中繼節點和第二組中繼節點使用不同的信道來發送數據。信道的劃分可以採用頻分復用(FDMA)或碼分復用(CDMA)等方式來實現，本實施例中採用了頻分復用，將系統6kHz帶寬平均分為三個子信道，其中源節點S在第一條子信道上將數據直接發送給目的節點，第一組中繼節點R1和R2在第二條子信道上轉發源節點的數據給目的節點，第二組中繼節點R3在第三條子信道上轉發源節點的數據給目的節點。第一組中繼節點和第二組中繼節點均偵聽第一條子信道中源節點發送的信息，目的節點同時在三條子信道上接收信息。
[0046]中繼節 點使用解碼轉發的方式轉發源節點數據，第η組中繼節點接收源節點發送的數據後，若該組只有一個中繼節點，則該中繼節點解碼源節點發送的數據後將數據採用單輸入單輸出的方式重新編碼並轉發給目的節點；若該組有多個中繼節點，則該組中各中繼節點解碼源節點發送的數據後採用異步空時編碼的方式對數據進行編碼，並在同一信道中轉發給目的節點。
[0047]由於第一組中繼節點包括R1和R2,因此要在同一信道中傳輸，需要採用異步空時編碼的方式來對轉發數據進行編碼，具體實現方法如下:
[0048]將源節點的每幀數據s(t)分為兩個連續的符號塊S1 (t)和&(0，每個符號塊的長度為N，假設時延已包含在信道響應中，則RpR2接收的一幀數據可以表示為:
[0049]
【權利要求】
1.一種異步的水下全速率協作通信方法，其特徵在於，包含以下步驟: 步驟1、源節點獲取信道的使用權並發送數據； 步驟2、源節點確定本次傳輸中可用的中繼節點數目；當可用的中繼節點數目大於或等於2個時，進入全速率協作傳輸模式； 步驟3、進入全速率協作傳輸模式後，將可用的中繼節點分為N組，N > 2，源節點向目的節點和中繼節點連續發送數據巾貞；各組中繼節點偵聽源節點發送的數據巾貞，當第η組中繼節點偵聽到第i幀數據時，如果i除以N的餘數為n，則該組中繼節點接收該幀數據，並在接收完畢後向目的節點轉發該幀數據，否則，繼續偵聽；目的節點接收源節點發送的數據幀和各組中繼節點轉發的數據幀,合併幀序號相同的各幀數據； 步驟4、源節點的數據發送結束後，發送停止信令，中繼節點接收到停止信令並轉發後停止中繼傳輸，目的節點接收到停止信令後停止接收。
2.根據權利要求1所述的異步的水下全速率協作通信方法，其特在在於，所述步驟2中，當所述可用的中繼節點數目為I個時，進入半速率協作傳輸模式，所述進入半速率協作傳輸模式的具體步驟如下: 步驟2.1、源節點向目的節點和中繼節點發送一幀數據後偵聽中繼節點使用的信道，當偵聽到中繼節點轉發完畢後，發送下一幀數據； 步驟2.2、中繼節點偵聽到源節點發送的數據後，接收該幀數據並將數據轉發給目的節佔.步驟2.3、目的節點接收源節點發送的數據幀和中繼節點轉發的數據幀後，合併幀序號相同的各幀數據； 步驟2.4、源節點的數據發送結束後，發送停止信令，中繼節點接收到停止信令並轉發後停止中繼傳輸，目的節點接收到停止信令後停止接收。
3.根據權利要求1所述的異步的水下全速率協作通信方法，其特在在於，所述步驟2中，當可用的中繼節點數目為O時，採用非協作傳輸模式，源節點直接將數據發送到目的節點。
4.根據權利要求1所述的異步的水下全速率協作通信方法，其特在在於，所述步驟3中，所述中繼節點使用解碼轉發的方式轉發源節點數據，源節點和不同組的中繼節點使用不同的信道發送數據，同組的中繼節點使用同一信道發送數據；第η組中繼節點接收源節點發送的數據後，若該組只有一個中繼節點，則該中繼節點解碼源節點發送的數據後將數據採用單輸入單輸出的方式重新編碼並轉發給目的節點；若該組有多個中繼節點，則該組中各中繼節點解碼源節點發送的數據後採用異步空時編碼的方式對數據進行編碼，並在同一信道中轉發給目的節點。
5.根據權利要求1所述的異步的水下全速率協作通信方法，其特在在於，所述步驟3中，源節點和各組中繼節點在同一信道中發送數據，各中繼節點採用放大轉發的方式轉發源節點的數據，目的節點將某一中繼節點的轉發信號視為源節點信號的一條多途傳播路徑對接收信號進行均衡，然後解碼得到源節點發送的信息。
【文檔編號】H04L5/00GK103580815SQ201310487885
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月17日 優先權日:2013年10月17日
【發明者】張軍, 李婷, 馮義志, 寧更新, 季飛, 餘華, 陳芳炯, 韋崗 申請人:華南理工大學