專利名稱：一種水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及一種水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及 方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，通信己經(jīng)成為一個(gè)陸海空三維一體的需求 網(wǎng)絡(luò)，特別是以海洋為代表的水下通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為各國(guó)國(guó)防、通訊、監(jiān)視、 探測(cè)等活動(dòng)中不可或缺的一部分。
水聲信道是一個(gè)十分復(fù)雜的隨機(jī)參數(shù)多徑傳輸信道，其嘈雜的環(huán)境噪聲、 有限的可用帶寬、多普勒頻移、大傳播延時(shí)等諸多不利因素使得實(shí)現(xiàn)水下的高 數(shù)據(jù)率低誤碼率通信十分困難，而在水下無(wú)線組網(wǎng)方面，目前還處于初步階段。
在利用電磁波進(jìn)行水下通信時(shí)，由于海水是無(wú)線電的不良導(dǎo)體，即使是使
用超低頻的通信系統(tǒng)，在海水中的穿透深度也只能達(dá)到80米，很難滿足數(shù)據(jù)通 信的要求，而且超低頻的通信系統(tǒng)天線構(gòu)造復(fù)雜、價(jià)格昂貴、數(shù)據(jù)率低，所以 傳統(tǒng)的水下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一般采用超聲波傳輸，即水聲網(wǎng)絡(luò)。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(wàn)分之一，所以 水聲網(wǎng)絡(luò)的主要難點(diǎn)之一就是如何解決聲信道的長(zhǎng)傳播延時(shí)帶來(lái)的數(shù)據(jù)碰撞問(wèn) 題。
在水聲網(wǎng)絡(luò)中利用超聲波作為信令載體建立通信鏈路時(shí)，路由算法常常因 為數(shù)據(jù)碰撞無(wú)法收斂，所以需要尋求新的信令載體。波長(zhǎng)范圍在450納米-550 納米的藍(lán)綠激光在海水中傳播時(shí)有藍(lán)綠窗口效應(yīng)，最大穿透深度可達(dá)600米， 在水中的傳播速度為22萬(wàn)公里/秒，傳播延時(shí)只是超聲波的十萬(wàn)分之一，在指定 小范圍內(nèi)可以用作信令的新載體，從而解決了超聲波傳播大延時(shí)造成水下網(wǎng)絡(luò) 通信鏈路建立困難的問(wèn)題。但是水下環(huán)境復(fù)雜，有礁石、水草等障礙物阻擋視 線時(shí)，藍(lán)綠激光無(wú)法直接進(jìn)行視線傳輸，需要經(jīng)歷水下其他節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)， 將會(huì)占用大量網(wǎng)絡(luò)帶寬。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)的水聲網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)通信鏈路建立過(guò)程中，由于超聲波信令的 大傳播延時(shí)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)碰撞和通信鏈路建立成功率低下的問(wèn)題，本發(fā)明的首要 目的是提供一種水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低了數(shù)據(jù)在傳播過(guò)程中的 碰撞機(jī)率，提高了通信鏈路建立的成功率，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐
本發(fā)明的另一目的是提供一種水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)上述首要目的 一種水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng)，包括若干個(gè)獨(dú)立的水下節(jié)點(diǎn)，每一水下節(jié)點(diǎn)與至少另一水下節(jié)點(diǎn)對(duì)等連 接，其特征在于所述每一水下節(jié)點(diǎn)包括發(fā)射光學(xué)天線、接收光學(xué)天線、光源、 光調(diào)制器、光接收機(jī)、水聲換能器/接收換能器、數(shù)字信號(hào)處理器，以及設(shè)有旋 轉(zhuǎn)裝置、用于完成光源和光接收機(jī)之間對(duì)準(zhǔn)的定位模塊；其中發(fā)射光學(xué)天線、 光源、光調(diào)制器、數(shù)字信號(hào)處理器依次信號(hào)連接，接收光學(xué)天線、光接收機(jī)、 數(shù)字信號(hào)處理器依次信號(hào)連接，數(shù)字信號(hào)處理器還分別與定位模塊、水聲換能 器/接收換能器信號(hào)連接；光源為藍(lán)綠激光源。
本發(fā)明所提供的一種水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于所述每一水
下節(jié)點(diǎn)具有藍(lán)綠激光和超聲波兩種收發(fā)模式；在建立通信鏈路時(shí)，水下節(jié)點(diǎn)工
作在藍(lán)綠激光收發(fā)模式，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通信鏈路上的水下節(jié)點(diǎn)工作在超聲波
收發(fā)模式，且包括以下步驟步驟l，網(wǎng)絡(luò)初始化，數(shù)字信號(hào)處理器記錄每一水
下節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置和IP地址，進(jìn)行路由計(jì)算，建立路由表，設(shè)定定位模塊的旋
轉(zhuǎn)速度和藍(lán)綠激光信標(biāo)發(fā)射持續(xù)時(shí)間；步驟2,數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)水下節(jié)點(diǎn)的坐
標(biāo)位置、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)IP地址及路由表，將請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)發(fā)送給數(shù)據(jù)
接收節(jié)點(diǎn)；步驟3，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)水下節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP
地址及路由表，將允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)回復(fù)給數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，接著啟動(dòng)接收
換能器準(zhǔn)備接收超聲波數(shù)據(jù)；步驟4，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)關(guān)閉定位模塊，提取藍(lán)綠激
光信標(biāo)中的預(yù)計(jì)發(fā)送計(jì)時(shí)器字段，等待計(jì)時(shí)器超時(shí)后重新開(kāi)啟定位模塊，接著 啟動(dòng)水聲換能器開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)；步驟5，通過(guò)水聲換能器/接收換能器，利用超
聲波在數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)之間直接傳輸數(shù)據(jù)。
作為本發(fā)明數(shù)據(jù)傳輸方法的一個(gè)優(yōu)選方案，步驟2所述的請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激 光信標(biāo)，由其他水下節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)；步驟3所述的允許發(fā)送藍(lán) 綠激光信標(biāo)，由其他水下節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 使用藍(lán)綠激光信標(biāo)建立通信鏈路，替代了現(xiàn)有水聲網(wǎng)絡(luò)中利用超聲波建 立通信鏈路的方法，利用藍(lán)綠激光在水下傳播的高速率避免了超聲波信令大傳 播延時(shí)引起的大量數(shù)據(jù)碰撞，提高了通信鏈路建立的成功率，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐
2、 在藍(lán)綠激光建立通信鏈路后，基于超聲波具有很好的全相性這一特點(diǎn)， 利用超聲波在數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)之間直接傳輸數(shù)據(jù)，替代了復(fù)雜水 下環(huán)境有障礙物阻擋激光視線時(shí)，需要其他水下節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方法，節(jié) 約了網(wǎng)絡(luò)的帶寬，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
3、 采用水下自由空間藍(lán)綠激光傳輸，替代了傳統(tǒng)激光網(wǎng)絡(luò)中使用光纖連接 鏈路的方法，節(jié)約了水下組網(wǎng)的成本，提高了水下組網(wǎng)的靈活性和快速性。
4、 水下雙模網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，如路由算法的改進(jìn)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置的改變等，可
以通過(guò)升級(jí)數(shù)字信號(hào)處理器中的軟件實(shí)現(xiàn)，不需要更換硬件設(shè)備，節(jié)約了水下 網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)成本。


圖1為本發(fā)明的水下雙模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D2為本發(fā)明的水下雙模網(wǎng)絡(luò)水下節(jié)點(diǎn)裝置結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明的水下雙模網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖4為本發(fā)明方法的流程圖5為本發(fā)明水下節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方 式不限于此。
本發(fā)明系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖1所示，為一個(gè)主要由若干個(gè)獨(dú)立的水下節(jié)點(diǎn)組 成的多跳網(wǎng)絡(luò)，該多跳網(wǎng)絡(luò)支持水下節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加和減少。其中每一水下節(jié) 點(diǎn)具有藍(lán)綠激光和超聲波兩種收發(fā)模式，水下節(jié)點(diǎn)之間為對(duì)等連接關(guān)系，相互
連接的水下節(jié)點(diǎn)之間采用激光鏈路連接；即在建立通信鏈路時(shí)，水下節(jié)點(diǎn)工作 在藍(lán)綠激光收發(fā)模式，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通信鏈路上的水下節(jié)點(diǎn)工作在超聲波收 發(fā)模式。在圖1所示的拓?fù)鋱D中，共有6個(gè)水下節(jié)點(diǎn)，而礁石和水草為視線阻 礙物；第一水下節(jié)點(diǎn)和第二水下節(jié)點(diǎn)、第二水下節(jié)點(diǎn)和第三水下節(jié)點(diǎn)、第二水下節(jié)點(diǎn)和第五水下節(jié)點(diǎn)、第三水下節(jié)點(diǎn)和第四水下節(jié)點(diǎn)、第四水下節(jié)點(diǎn)和第六 水下節(jié)點(diǎn)、第五水下節(jié)點(diǎn)和第六水下節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)藍(lán)綠激光鏈路連接，通過(guò)超 聲波傳輸數(shù)據(jù)。
圖1拓?fù)鋱D中的每一水下節(jié)點(diǎn)，均具有如圖2所示的裝置結(jié)構(gòu)。如圖2-所 示，水下節(jié)點(diǎn)主要由發(fā)射光學(xué)天線21、接收光學(xué)天線24、光源22、光調(diào)制器 28、光接收機(jī)23、數(shù)字信號(hào)處理器25、定位模塊26、水聲換能器/接收換能器 27構(gòu)成。其中，發(fā)射光學(xué)天線21與光源22連接，光源22與光調(diào)制器28信號(hào) 連接，光調(diào)制器28與數(shù)字信號(hào)處理器25信號(hào)連接，接收光學(xué)天線24與光接收 機(jī)23信號(hào)連接，光接收機(jī)23與數(shù)字信號(hào)處理器25信號(hào)連接，數(shù)字信號(hào)處理器 25與定位模塊26信號(hào)連接，數(shù)字信號(hào)處理器25與水聲換能器/接收換能器27 信號(hào)連接，定位模塊26與光源22和光接收機(jī)23機(jī)械綁定。
發(fā)射光學(xué)天線21用于壓縮光束發(fā)射角，對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束。接收光學(xué) 天線24用于接收微弱光信號(hào)并匯聚到探測(cè)器表面，增大探測(cè)器的有效面積。光 源22為藍(lán)綠激光源，用于提供波長(zhǎng)為450納米-550納米的藍(lán)綠激光。光調(diào)制器 28用于調(diào)制激光信號(hào)。光接收機(jī)23用于檢測(cè)激光信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理器25是 整個(gè)系統(tǒng)的核心，用于進(jìn)行路由算法分析，提取判斷藍(lán)綠激光信標(biāo)中信標(biāo)類型、 數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)IP地址、預(yù)計(jì)發(fā)送時(shí)間計(jì)時(shí)器，控制激光 電路、超聲波電路和定位模塊。定位模塊26設(shè)有旋轉(zhuǎn)裝置，用于完成光源22 和光接收機(jī)23之間的對(duì)準(zhǔn)，定位方式為采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)光源旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)下 一跳接收節(jié)點(diǎn)和帶動(dòng)光接收機(jī)360度勻速旋轉(zhuǎn)檢測(cè)藍(lán)綠激光信標(biāo)。水聲換能器 能用于按規(guī)定信號(hào)激發(fā)產(chǎn)生超聲波，接收換能器用于不失真的接收水中的超聲 波信號(hào)。
在本實(shí)施例中，圖2所示水下節(jié)點(diǎn)的硬件裝置如下發(fā)射光學(xué)天線21、接 收光學(xué)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(diào)QNd: YAD倍頻激光器，工作在532納米波 長(zhǎng)時(shí)，重復(fù)頻率10赫茲，脈沖能量200毫焦；脈沖寬度6納秒；光調(diào)制器28 選用Gooch & Housege公司的M111-10C-TR7高損傷閾值調(diào)制器，工作頻段為 514納米-532納米，射頻功率小于5瓦；光接收機(jī)23選用高靈敏的PIN檢測(cè)， 為了抑制背景雜散光的干擾，在光信道上使用了光窄帶濾波器；數(shù)字信號(hào)處理 器25選用ARM DMC-S3C2440開(kāi)發(fā)板，其中串口用于光學(xué)數(shù)據(jù)采集，音頻輸入 輸出用于聲學(xué)數(shù)據(jù)采集；定位模塊26選用高靈敏馬達(dá)帶動(dòng)360度旋轉(zhuǎn)的機(jī)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(fā)射器，工作頻率范圍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(duì)水下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行防水封裝后，按照如圖1所示安裝6個(gè)水下節(jié)點(diǎn)，使用鉸 鏈將其與水下固定，調(diào)整鉸鏈長(zhǎng)度保證6個(gè)水下節(jié)點(diǎn)都位于50米深處，開(kāi)機(jī)上 電初始化后，水下雙模網(wǎng)絡(luò)即可開(kāi)始工作。在圖2所示的水下節(jié)點(diǎn)硬件裝置結(jié) 構(gòu)中，數(shù)字信號(hào)處理器中設(shè)有路由算法程序、對(duì)激光電路和超聲波電路的控制 程序，定位模塊中設(shè)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)程序。
本發(fā)明方法在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，主要流程如圖4所示，主要包括以下步驟-
(1) 在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，數(shù)字信號(hào)處理器首先記錄每一水下節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位 置和IP地址，進(jìn)行路由計(jì)算，建立路由表，設(shè)定定位模塊的旋轉(zhuǎn)速度和藍(lán)綠激 光信標(biāo)發(fā)射持續(xù)時(shí)間。
其中，藍(lán)綠激光信標(biāo)的內(nèi)容包括信標(biāo)類型、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址、數(shù)據(jù)接 收節(jié)點(diǎn)IP地址、預(yù)計(jì)發(fā)送時(shí)間計(jì)時(shí)器。而信標(biāo)類型用于區(qū)分請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光 信標(biāo)和允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址用于指示數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的 網(wǎng)絡(luò)地址，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)IP地址用于指示數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，預(yù)計(jì)發(fā)送 時(shí)間計(jì)時(shí)器用于指示數(shù)據(jù)發(fā)送所預(yù)計(jì)需要的時(shí)間。
在本實(shí)施例中，采用DSDV (目標(biāo)序列距離矢量協(xié)議)路由算法建立路由 表，設(shè)定定位模塊旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)間的時(shí)間為1秒，藍(lán)綠激光信標(biāo)的發(fā)送持續(xù)時(shí)間 為1.5秒。藍(lán)綠激光信標(biāo)中的信標(biāo)類型占2個(gè)比特，其中00代表請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠 激光信標(biāo)，ll代表允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)；數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址和數(shù)據(jù)接收節(jié) 點(diǎn)IP地址分配32位IP地址；預(yù)計(jì)發(fā)送時(shí)間計(jì)時(shí)器在網(wǎng)絡(luò)低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)設(shè)置為 30秒，高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)設(shè)置為60秒。
(2) 如圖3所示，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)(如第二節(jié)點(diǎn))有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，其數(shù)字 信號(hào)處理器首先査詢路由表，根據(jù)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)IP地址選擇下一跳節(jié)點(diǎn)(即圖 3中的水下其他節(jié)點(diǎn)，如第三節(jié)點(diǎn))，接著查詢下一跳節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，由定位 模塊帶動(dòng)光源旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)下一跳節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)光源22發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)。
(3) 下一跳節(jié)點(diǎn)的光接收機(jī)檢測(cè)到藍(lán)綠激光信標(biāo)時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的定位 模塊停止旋轉(zhuǎn)，完成藍(lán)綠激光信標(biāo)接收。下一跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器提取藍(lán) 綠激光信標(biāo)中的信標(biāo)類型，判斷藍(lán)綠激光信標(biāo)的信標(biāo)類型。
(4) 若接收到藍(lán)綠激光信標(biāo)的信標(biāo)類型是請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，下一跳 節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器首先提取其中的數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)IP地址進(jìn)行判斷本節(jié)點(diǎn)是 否為數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。若本節(jié)點(diǎn)為非數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)處理器首先査詢路由表，根據(jù)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)IP地址選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，接著查詢下一跳節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo) 位置，由定位模塊帶動(dòng)光源旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)下一跳節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)光源轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠 激光信標(biāo)。若本節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)處理器提取藍(lán)綠激光信標(biāo)中的 數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址，査詢路由表，根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址選擇下一跳節(jié)點(diǎn)， 接著查詢下一跳節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，由定位模塊帶動(dòng)光源旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)下一跳節(jié)點(diǎn)， 啟動(dòng)光源，回復(fù)允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，如圖3所示；發(fā)送完畢后，接著啟動(dòng) 接收換能器準(zhǔn)備接收超聲波數(shù)據(jù)。
若接收到藍(lán)綠激光信標(biāo)的信標(biāo)類型是非請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，則繼續(xù)判 斷是否允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，若非允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，則說(shuō)明是錯(cuò)誤的 藍(lán)綠激光信標(biāo)，將其丟棄。
(5) 若接收到的藍(lán)綠激光信標(biāo)類型是允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，數(shù)字信號(hào)處 理器首先提取其中的數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址，進(jìn)行判斷本節(jié)點(diǎn)是否為數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié) 點(diǎn)。若本節(jié)點(diǎn)為非數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)處理器首先查詢路由表，根據(jù)數(shù)據(jù) 發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，接著查詢下一跳節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，由定位模 塊帶動(dòng)光源旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)下一跳節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)光源轉(zhuǎn)發(fā)允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，發(fā)送 完畢后關(guān)閉定位模塊，數(shù)字信號(hào)處理器繼續(xù)提取藍(lán)綠激光信標(biāo)中的預(yù)計(jì)發(fā)送計(jì) 時(shí)器時(shí)字段，等待計(jì)時(shí)器時(shí)超時(shí)后重新開(kāi)啟定位模塊。若本節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié) 點(diǎn)，首先關(guān)閉定位模塊，提取藍(lán)綠激光信標(biāo)中的預(yù)計(jì)發(fā)送計(jì)時(shí)器字段，等待計(jì)
時(shí)器超時(shí)后重新開(kāi)啟定位模塊，接著啟動(dòng)水聲換能器開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖3所
示。關(guān)閉定位模塊后，光接收機(jī)將停止檢測(cè)藍(lán)綠激光信標(biāo)，不再建立新的通信 鏈路。
(6) 至此，圖l所示系統(tǒng)就在數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)之間，建立起 了藍(lán)綠激光通信鏈路，并通過(guò)水聲換能器/接收換能器，利用超聲波在數(shù)據(jù)發(fā)送 節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)之間直接傳輸數(shù)據(jù)，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無(wú)需水下其他節(jié)點(diǎn)中繼 轉(zhuǎn)發(fā)，如圖3所示。
處于通信鏈路中的水下節(jié)點(diǎn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖5所示。水下節(jié)點(diǎn)在空閑狀 態(tài)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，則發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，發(fā)起信令建立過(guò)程；若
偵聽(tīng)到請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，水下節(jié)點(diǎn)從偵聽(tīng)狀態(tài)(即空閑狀態(tài))進(jìn)入握手 狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)則在回復(fù)允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)后，從握手狀態(tài)進(jìn)入接收
狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)；非數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)則在轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)后，將停留 在握手狀態(tài)繼續(xù)偵聽(tīng)藍(lán)綠激光信標(biāo)。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在握手狀態(tài)時(shí)偵聽(tīng)到允許發(fā) 送藍(lán)綠激光信標(biāo)后，進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)；非數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)后，從握手狀態(tài)進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至藍(lán)綠激光信標(biāo)中 的預(yù)計(jì)發(fā)送計(jì)時(shí)器時(shí)長(zhǎng)超時(shí)后，才回到偵聽(tīng)狀態(tài)(即空閑狀態(tài))。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn) 和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)在完成數(shù)據(jù)發(fā)送接收后，都回到偵聽(tīng)狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括若干個(gè)獨(dú)立的水下節(jié)點(diǎn)，每一水下節(jié)點(diǎn)與至少另一水下節(jié)點(diǎn)對(duì)等連接，其特征在于所述每一水下節(jié)點(diǎn)包括發(fā)射光學(xué)天線、接收光學(xué)天線、光源、光調(diào)制器、光接收機(jī)、水聲換能器/接收換能器、數(shù)字信號(hào)處理器，以及設(shè)有旋轉(zhuǎn)裝置、用于完成光源和光接收機(jī)之間對(duì)準(zhǔn)的定位模塊；其中發(fā)射光學(xué)天線、光源、光調(diào)制器、數(shù)字信號(hào)處理器依次信號(hào)連接，接收光學(xué)天線、光接收機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器依次信號(hào)連接，數(shù)字信號(hào)處理器還分別與定位模塊、水聲換能器/接收換能器信號(hào)連接；光源為藍(lán)綠激光源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述定 位模塊與光源、光接收機(jī)機(jī)械綁定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述光 源為用于提供波長(zhǎng)為450納米-550納米的藍(lán)綠激光源。
4. 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于 所述每一水下節(jié)點(diǎn)具有藍(lán)綠激光和超聲波兩種收發(fā)模式；在建立通信鏈路時(shí)， 水下節(jié)點(diǎn)工作在藍(lán)綠激光收發(fā)模式，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通信鏈路上的水下節(jié)點(diǎn)工 作在超聲波收發(fā)模式，且包括以下步驟步驟1，網(wǎng)絡(luò)初始化，數(shù)字信號(hào)處理器記錄每一水下節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置和IP 地址，進(jìn)行路由計(jì)算，建立路由表，設(shè)定定位模塊的旋轉(zhuǎn)速度和藍(lán)綠激光信標(biāo)發(fā)射持續(xù)時(shí)間；步驟2，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)水下節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)IP地址及 路由表，將請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)；步驟3，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)水下節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)IP地址及 路由表，將允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)回復(fù)給數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，接著啟動(dòng)接收換能器 準(zhǔn)備接收超聲波數(shù)據(jù)；步驟4，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)關(guān)閉定位模塊，提取藍(lán)綠激光信標(biāo)中的預(yù)計(jì)發(fā)送計(jì)時(shí) 器字段，等待計(jì)時(shí)器超時(shí)后重新開(kāi)啟定位模塊，接著啟動(dòng)水聲換能器開(kāi)始發(fā)送 數(shù)據(jù)；步驟5，通過(guò)水聲換能器/接收換能器，利用超聲波在數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù) 接收節(jié)點(diǎn)之間直接傳輸數(shù)據(jù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于步驟2所述的請(qǐng)求發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，由其他水下節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)；步 驟3所述的允許發(fā)送藍(lán)綠激光信標(biāo)，由其他水下節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括若干個(gè)獨(dú)立的水下節(jié)點(diǎn)，每一水下節(jié)點(diǎn)與至少另一水下節(jié)點(diǎn)對(duì)等連接，且包括發(fā)射光學(xué)天線、接收光學(xué)天線、光源、光調(diào)制器、光接收機(jī)、水聲換能器/接收換能器、數(shù)字信號(hào)處理器，以及設(shè)有旋轉(zhuǎn)裝置、用于完成光源和光接收機(jī)之間對(duì)準(zhǔn)的定位模塊；發(fā)射光學(xué)天線、光源、光調(diào)制器、數(shù)字信號(hào)處理器依次信號(hào)連接，接收光學(xué)天線、光接收機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器依次信號(hào)連接，數(shù)字信號(hào)處理器還分別與定位模塊、水聲換能器/接收換能器信號(hào)連接；光源為藍(lán)綠激光源。本發(fā)明還涉及水聲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法。本發(fā)明降低了數(shù)據(jù)在傳播過(guò)程中的碰撞機(jī)率，提高了通信鏈路建立的成功率，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
文檔編號(hào)H04B13/02GK101567728SQ20091003925
公開(kāi)日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者寧更新, 軍 張, 欣 王, 崗 韋 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)