[發明專利]一種異步的水下全速率協作通信方法

有效

• 申請號: 201310487885.8
• 申請日: 2013-10-17
• 公開（公告）號: CN103580815B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 張軍;李婷;馮義志;寧更新;季飛;余華;陳芳炯;韋崗
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H04L1/06
• 分類號: H04L1/06;H04L5/00;H04B13/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

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

多途干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，由于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，由于水下可用的頻帶窄、時延長，因此基于空間分集的MIMO（Multi-Input Multi-Out）技術在水下有著廣闊的應用前景。然而，由于MIMO系統需要在通信鏈路的發送端和接收端架設的多根天線，并且天線間的距離需要大于信號的波長，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，1kHz的信號在聲速為1500m/s的水中波長為1.5米，遠大于陸上電磁波的波長）、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MIMO的要求。

為了解決MIMO技術用于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MIMO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MIMO技術的應用范圍，因此成為近幾年MIMO技術研究的熱點，并在2006年開始陸續被應用到水聲通信當中。

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，但由于水聲信道的特殊性，將陸上的傳統同步協作模式直接用于水下存在著以下不足：

（1）在半雙工的情況下中繼節點需要先偵聽后發送，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，第二階段處于空閑狀態，顯著降低了源節點的信息發送速率。

（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。由于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采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于陸上和水下的時序示意圖，從圖中可以看到同步協作用于水下時的同步等待時間遠大于陸上。

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，但這些方法仍是基于同步的協作機制，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于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于水下時的局限性。

發明內容

本發明的目的在于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，該方法采用全速率的協作方式來提高源節點信息的發送速率，并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，因此可廣泛應用于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。

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：

步驟1：源節點需要發送數據時，首先獲取信道的使用權；