一種水聲網絡的數據傳輸系統及方法
2023-05-31 09:33:01 2
專利名稱：一種水聲網絡的數據傳輸系統及方法
技術領域：
本發明涉及水下通信網絡領域，特別涉及一種水聲網絡的數據傳輸系統及 方法。
背景技術：
隨著現代信息技術的飛速發展，通信己經成為一個陸海空三維一體的需求 網絡，特別是以海洋為代表的水下通信網絡已經成為各國國防、通訊、監視、 探測等活動中不可或缺的一部分。
水聲信道是一個十分複雜的隨機參數多徑傳輸信道，其嘈雜的環境噪聲、 有限的可用帶寬、都卜勒頻移、大傳播延時等諸多不利因素使得實現水下的高 數據率低誤碼率通信十分困難，而在水下無線組網方面，目前還處於初步階段。
在利用電磁波進行水下通信時，由於海水是無線電的不良導體，即使是使
用超低頻的通信系統，在海水中的穿透深度也只能達到80米，很難滿足數據通 信的要求，而且超低頻的通信系統天線構造複雜、價格昂貴、數據率低，所以 傳統的水下無線網絡一般採用超聲波傳輸，即水聲網絡。但超聲波在水中的傳 輸速度為1500米/秒，僅僅為電磁波在空氣中傳播速度的二十萬分之一，所以 水聲網絡的主要難點之一就是如何解決聲信道的長傳播延時帶來的數據碰撞問 題。
在水聲網絡中利用超聲波作為信令載體建立通信鏈路時，路由算法常常因 為數據碰撞無法收斂，所以需要尋求新的信令載體。波長範圍在450納米-550 納米的藍綠雷射在海水中傳播時有藍綠窗口效應，最大穿透深度可達600米， 在水中的傳播速度為22萬公裡/秒，傳播延時只是超聲波的十萬分之一，在指定 小範圍內可以用作信令的新載體，從而解決了超聲波傳播大延時造成水下網絡 通信鏈路建立困難的問題。但是水下環境複雜，有礁石、水草等障礙物阻擋視 線時，藍綠雷射無法直接進行視線傳輸，需要經歷水下其他節點中繼轉發數據， 將會佔用大量網絡帶寬。
發明內容
為了解決傳統的水聲網絡在網絡通信鏈路建立過程中，由於超聲波信令的 大傳播延時導致的數據碰撞和通信鏈路建立成功率低下的問題，本發明的首要 目的是提供一種水聲網絡的數據傳輸系統，該系統降低了數據在傳播過程中的 碰撞機率，提高了通信鏈路建立的成功率，節約了網絡帶寬，提高了網絡吞吐
本發明的另一目的是提供一種水聲網絡的數據傳輸方法。
本發明採用以下技術方案，實現上述首要目的 一種水聲網絡的數據傳輸 系統，包括若干個獨立的水下節點，每一水下節點與至少另一水下節點對等連 接，其特徵在於所述每一水下節點包括發射光學天線、接收光學天線、光源、 光調製器、光接收機、水聲換能器/接收換能器、數位訊號處理器，以及設有旋 轉裝置、用於完成光源和光接收機之間對準的定位模塊；其中發射光學天線、 光源、光調製器、數位訊號處理器依次信號連接，接收光學天線、光接收機、 數位訊號處理器依次信號連接，數位訊號處理器還分別與定位模塊、水聲換能 器/接收換能器信號連接；光源為藍綠雷射源。
本發明所提供的一種水聲網絡的數據傳輸方法，其特徵在於所述每一水
下節點具有藍綠雷射和超聲波兩種收發模式；在建立通信鏈路時，水下節點工
作在藍綠雷射收發模式，在傳輸數據時，通信鏈路上的水下節點工作在超聲波
收發模式，且包括以下步驟步驟l，網絡初始化，數位訊號處理器記錄每一水
下節點的坐標位置和IP位址，進行路由計算，建立路由表，設定定位模塊的旋
轉速度和藍綠雷射信標發射持續時間；步驟2,數據發送節點根據水下節點的坐
標位置、數據接收節點IP位址及路由表，將請求發送藍綠雷射信標發送給數據
接收節點；步驟3，數據接收節點根據水下節點的坐標位置、數據發送節點IP
地址及路由表，將允許發送藍綠雷射信標回復給數據發送節點，接著啟動接收
換能器準備接收超聲波數據；步驟4，數據發送節點關閉定位模塊，提取藍綠激
光信標中的預計發送計時器欄位，等待計時器超時後重新開啟定位模塊，接著 啟動水聲換能器開始發送數據；步驟5，通過水聲換能器/接收換能器，利用超
聲波在數據發送節點和數據接收節點之間直接傳輸數據。
作為本發明數據傳輸方法的一個優選方案，步驟2所述的請求發送藍綠激 光信標，由其他水下節點中繼轉發給數據接收節點；步驟3所述的允許發送藍 綠雷射信標，由其他水下節點中繼轉發給數據發送節點。本發明與現有技術相比具有以下優點
1、 使用藍綠雷射信標建立通信鏈路，替代了現有水聲網絡中利用超聲波建 立通信鏈路的方法，利用藍綠雷射在水下傳播的高速率避免了超聲波信令大傳 播延時引起的大量數據碰撞，提高了通信鏈路建立的成功率，提高了網絡吞吐
2、 在藍綠雷射建立通信鏈路後，基於超聲波具有很好的全相性這一特點， 利用超聲波在數據發送節點和數據接收節點之間直接傳輸數據，替代了複雜水 下環境有障礙物阻擋雷射視線時，需要其他水下節點中繼轉發數據的方法，節 約了網絡的帶寬，進一步提高了網絡吞吐量。
3、 採用水下自由空間藍綠雷射傳輸，替代了傳統雷射網絡中使用光纖連接 鏈路的方法，節約了水下組網的成本，提高了水下組網的靈活性和快速性。
4、 水下雙模網絡的升級，如路由算法的改進、節點坐標位置的改變等，可
以通過升級數位訊號處理器中的軟體實現，不需要更換硬體設備，節約了水下 網絡的升級成本。
圖1為本發明的水下雙模網絡拓撲圖2為本發明的水下雙模網絡水下節點裝置結構圖3為本發明的水下雙模網絡數據發送流程圖4為本發明方法的流程圖5為本發明水下節點的工作狀態轉移圖。
具體實施例方式
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。
本發明系統的拓撲圖如圖1所示，為一個主要由若干個獨立的水下節點組 成的多跳網絡，該多跳網絡支持水下節點數量的增加和減少。其中每一水下節 點具有藍綠雷射和超聲波兩種收發模式，水下節點之間為對等連接關係，相互
連接的水下節點之間採用雷射鏈路連接；即在建立通信鏈路時，水下節點工作 在藍綠雷射收發模式，在傳輸數據時，通信鏈路上的水下節點工作在超聲波收 發模式。在圖1所示的拓撲圖中，共有6個水下節點，而礁石和水草為視線阻 礙物；第一水下節點和第二水下節點、第二水下節點和第三水下節點、第二水下節點和第五水下節點、第三水下節點和第四水下節點、第四水下節點和第六 水下節點、第五水下節點和第六水下節點之間通過藍綠雷射鏈路連接，通過超 聲波傳輸數據。
圖1拓撲圖中的每一水下節點，均具有如圖2所示的裝置結構。如圖2-所 示，水下節點主要由發射光學天線21、接收光學天線24、光源22、光調製器 28、光接收機23、數位訊號處理器25、定位模塊26、水聲換能器/接收換能器 27構成。其中，發射光學天線21與光源22連接，光源22與光調製器28信號 連接，光調製器28與數位訊號處理器25信號連接，接收光學天線24與光接收 機23信號連接，光接收機23與數位訊號處理器25信號連接，數位訊號處理器 25與定位模塊26信號連接，數位訊號處理器25與水聲換能器/接收換能器27 信號連接，定位模塊26與光源22和光接收機23機械綁定。
發射光學天線21用於壓縮光束髮射角，對光束進行準直和擴束。接收光學 天線24用於接收微弱光信號並匯聚到探測器表面，增大探測器的有效面積。光 源22為藍綠雷射源，用於提供波長為450納米-550納米的藍綠雷射。光調製器 28用於調製雷射信號。光接收機23用於檢測雷射信號。數位訊號處理器25是 整個系統的核心，用於進行路由算法分析，提取判斷藍綠雷射信標中信標類型、 數據發送節點IP位址、數據接收節點IP位址、預計發送時間計時器，控制雷射 電路、超聲波電路和定位模塊。定位模塊26設有旋轉裝置，用於完成光源22 和光接收機23之間的對準，定位方式為採用機械旋轉裝置帶動光源旋轉對準下 一跳接收節點和帶動光接收機360度勻速旋轉檢測藍綠雷射信標。水聲換能器 能用於按規定信號激發產生超聲波，接收換能器用於不失真的接收水中的超聲 波信號。
在本實施例中，圖2所示水下節點的硬體裝置如下發射光學天線21、接 收光學天線24均選用口徑為50毫米，焦距為100毫米的透鏡；光源22選用 Clontinum公司的SurelitelI20調QNd: YAD倍頻雷射器，工作在532納米波 長時，重複頻率10赫茲，脈衝能量200毫焦；脈衝寬度6納秒；光調製器28 選用Gooch & Housege公司的M111-10C-TR7高損傷閾值調製器，工作頻段為 514納米-532納米，射頻功率小於5瓦；光接收機23選用高靈敏的PIN檢測， 為了抑制背景雜散光的幹擾，在光信道上使用了光窄帶濾波器；數位訊號處理 器25選用ARM DMC-S3C2440開發板，其中串口用於光學數據採集，音頻輸入 輸出用於聲學數據採集；定位模塊26選用高靈敏馬達帶動360度旋轉的機械裝 置；水聲換能器/接收換能器27選用Neptune Sonar公司的Dll全向發射器，工作頻率範圍0.1赫茲-20千赫，常用工作頻率11千赫，最大全向工作深度1200 米。對水下節點進行防水封裝後，按照如圖1所示安裝6個水下節點，使用鉸 鏈將其與水下固定，調整鉸鏈長度保證6個水下節點都位於50米深處，開機上 電初始化後，水下雙模網絡即可開始工作。在圖2所示的水下節點硬體裝置結 構中，數位訊號處理器中設有路由算法程序、對雷射電路和超聲波電路的控制 程序，定位模塊中設有機械旋轉程序。
本發明方法在傳輸數據時，主要流程如圖4所示，主要包括以下步驟-
(1) 在網絡初始化階段，數位訊號處理器首先記錄每一水下節點的坐標位 置和IP位址，進行路由計算，建立路由表，設定定位模塊的旋轉速度和藍綠激 光信標發射持續時間。
其中，藍綠雷射信標的內容包括信標類型、數據發送節點IP位址、數據接 收節點IP位址、預計發送時間計時器。而信標類型用於區分請求發送藍綠雷射 信標和允許發送藍綠雷射信標，數據發送節點IP位址用於指示數據發送節點的 網絡地址，數據接收節點IP位址用於指示數據接收節點的網絡地址，預計發送 時間計時器用於指示數據發送所預計需要的時間。
在本實施例中，採用DSDV (目標序列距離矢量協議)路由算法建立路由 表，設定定位模塊旋轉一圈時間的時間為1秒，藍綠雷射信標的發送持續時間 為1.5秒。藍綠雷射信標中的信標類型佔2個比特，其中00代表請求發送藍綠 雷射信標，ll代表允許發送藍綠雷射信標；數據發送節點IP位址和數據接收節 點IP位址分配32位IP位址；預計發送時間計時器在網絡低負荷狀態時設置為 30秒，高負荷狀態時設置為60秒。
(2) 如圖3所示，當數據發送節點(如第二節點)有數據發送時，其數字 信號處理器首先査詢路由表，根據數據接收節點IP位址選擇下一跳節點(即圖 3中的水下其他節點，如第三節點)，接著查詢下一跳節點的坐標位置，由定位 模塊帶動光源旋轉對準下一跳節點，啟動光源22發送請求發送藍綠雷射信標。
(3) 下一跳節點的光接收機檢測到藍綠雷射信標時，數據發送節點的定位 模塊停止旋轉，完成藍綠雷射信標接收。下一跳節點的數位訊號處理器提取藍 綠雷射信標中的信標類型，判斷藍綠雷射信標的信標類型。
(4) 若接收到藍綠雷射信標的信標類型是請求發送藍綠雷射信標，下一跳 節點的數位訊號處理器首先提取其中的數據接收節點IP位址進行判斷本節點是 否為數據接收節點。若本節點為非數據接收節點，數位訊號處理器首先査詢路由表，根據數據接收節點IP位址選擇下一跳節點，接著查詢下一跳節點的坐標 位置，由定位模塊帶動光源旋轉對準下一跳節點，啟動光源轉發請求發送藍綠 雷射信標。若本節點是數據接收節點，數位訊號處理器提取藍綠雷射信標中的 數據發送節點IP位址，査詢路由表，根據數據發送節點IP位址選擇下一跳節點， 接著查詢下一跳節點的坐標位置，由定位模塊帶動光源旋轉對準下一跳節點， 啟動光源，回復允許發送藍綠雷射信標，如圖3所示；發送完畢後，接著啟動 接收換能器準備接收超聲波數據。
若接收到藍綠雷射信標的信標類型是非請求發送藍綠雷射信標，則繼續判 斷是否允許發送藍綠雷射信標，若非允許發送藍綠雷射信標，則說明是錯誤的 藍綠雷射信標，將其丟棄。
(5) 若接收到的藍綠雷射信標類型是允許發送藍綠雷射信標，數位訊號處 理器首先提取其中的數據發送節點IP位址，進行判斷本節點是否為數據發送節 點。若本節點為非數據發送節點，數位訊號處理器首先查詢路由表，根據數據 發送節點IP位址選擇下一跳節點，接著查詢下一跳節點的坐標位置，由定位模 塊帶動光源旋轉對準下一跳節點，啟動光源轉發允許發送藍綠雷射信標，發送 完畢後關閉定位模塊，數位訊號處理器繼續提取藍綠雷射信標中的預計發送計 時器時欄位，等待計時器時超時後重新開啟定位模塊。若本節點是數據發送節 點，首先關閉定位模塊，提取藍綠雷射信標中的預計發送計時器欄位，等待計
時器超時後重新開啟定位模塊，接著啟動水聲換能器開始發送數據，如圖3所
示。關閉定位模塊後，光接收機將停止檢測藍綠雷射信標，不再建立新的通信 鏈路。
(6) 至此，圖l所示系統就在數據發送節點與數據接收節點之間，建立起 了藍綠雷射通信鏈路，並通過水聲換能器/接收換能器，利用超聲波在數據發送 節點和數據接收節點之間直接傳輸數據，所傳輸的數據無需水下其他節點中繼 轉發，如圖3所示。
處於通信鏈路中的水下節點，其狀態轉移如圖5所示。水下節點在空閒狀 態有數據需要發送時，則發送請求發送藍綠雷射信標，發起信令建立過程；若
偵聽到請求發送藍綠雷射信標，水下節點從偵聽狀態(即空閒狀態)進入握手 狀態。數據接收節點則在回復允許發送藍綠雷射信標後，從握手狀態進入接收
狀態，等待數據；非數據接收節點則在轉發請求發送藍綠雷射信標後，將停留 在握手狀態繼續偵聽藍綠雷射信標。數據發送節點在握手狀態時偵聽到允許發 送藍綠雷射信標後，進入數據發送狀態，開始發送數據；非數據發送節點在轉發允許發送藍綠雷射信標後，從握手狀態進入休眠狀態，直至藍綠雷射信標中 的預計發送計時器時長超時後，才回到偵聽狀態(即空閒狀態)。數據發送節點 和數據接收節點在完成數據發送接收後，都回到偵聽狀態。
權利要求
1.一種水聲網絡的數據傳輸系統，包括若干個獨立的水下節點，每一水下節點與至少另一水下節點對等連接，其特徵在於所述每一水下節點包括發射光學天線、接收光學天線、光源、光調製器、光接收機、水聲換能器/接收換能器、數位訊號處理器，以及設有旋轉裝置、用於完成光源和光接收機之間對準的定位模塊；其中發射光學天線、光源、光調製器、數位訊號處理器依次信號連接，接收光學天線、光接收機、數位訊號處理器依次信號連接，數位訊號處理器還分別與定位模塊、水聲換能器/接收換能器信號連接；光源為藍綠雷射源。
2. 根據權利要求1所述的水聲網絡的數據傳輸系統，其特徵在於所述定 位模塊與光源、光接收機機械綁定。
3. 根據權利要求1所述的水聲網絡的數據傳輸系統，其特徵在於所述光 源為用於提供波長為450納米-550納米的藍綠雷射源。
4. 一種根據權利要求1所述系統的水聲網絡的數據傳輸方法，其特徵在於 所述每一水下節點具有藍綠雷射和超聲波兩種收發模式；在建立通信鏈路時， 水下節點工作在藍綠雷射收發模式，在傳輸數據時，通信鏈路上的水下節點工 作在超聲波收發模式，且包括以下步驟步驟1，網絡初始化，數位訊號處理器記錄每一水下節點的坐標位置和IP 地址，進行路由計算，建立路由表，設定定位模塊的旋轉速度和藍綠雷射信標發射持續時間；步驟2，數據發送節點根據水下節點的坐標位置、數據接收節點IP位址及 路由表，將請求發送藍綠雷射信標發送給數據接收節點；步驟3，數據接收節點根據水下節點的坐標位置、數據發送節點IP位址及 路由表，將允許發送藍綠雷射信標回復給數據發送節點，接著啟動接收換能器 準備接收超聲波數據；步驟4，數據發送節點關閉定位模塊，提取藍綠雷射信標中的預計發送計時 器欄位，等待計時器超時後重新開啟定位模塊，接著啟動水聲換能器開始發送 數據；步驟5，通過水聲換能器/接收換能器，利用超聲波在數據發送節點和數據 接收節點之間直接傳輸數據。
5. 根據權利要求1所述的水聲網絡的數據傳輸方法，其特徵在於步驟2所述的請求發送藍綠雷射信標，由其他水下節點中繼轉發給數據接收節點；步 驟3所述的允許發送藍綠雷射信標，由其他水下節點中繼轉發給數據發送節點。
全文摘要
本發明涉及一種水聲網絡的數據傳輸系統，包括若干個獨立的水下節點，每一水下節點與至少另一水下節點對等連接，且包括發射光學天線、接收光學天線、光源、光調製器、光接收機、水聲換能器/接收換能器、數位訊號處理器，以及設有旋轉裝置、用於完成光源和光接收機之間對準的定位模塊；發射光學天線、光源、光調製器、數位訊號處理器依次信號連接，接收光學天線、光接收機、數位訊號處理器依次信號連接，數位訊號處理器還分別與定位模塊、水聲換能器/接收換能器信號連接；光源為藍綠雷射源。本發明還涉及水聲網絡的數據傳輸方法。本發明降低了數據在傳播過程中的碰撞機率，提高了通信鏈路建立的成功率，節約了網絡帶寬，提高了網絡吞吐量。
文檔編號H04B13/02GK101567728SQ20091003925
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月6日 優先權日2009年5月6日
發明者寧更新, 軍 張, 欣 王, 崗 韋 申請人:華南理工大學