[發(fā)明專利]一種基于行船中繼節(jié)點(diǎn)的水聲數(shù)據(jù)多跳協(xié)作傳輸方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710351200.5
• 申請日: 2017-05-18
• 公開（公告）號: CN107181534B
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳友淦;湯煜熒;余偉健;吳劍明;許肖梅;張小康;黃身欽
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04B7/026;H04B7/155;H04W40/22;H04W52/46
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下通信，尤其是涉及一種基于行船中繼節(jié)點(diǎn)的水聲數(shù)據(jù)多跳協(xié)作傳輸方法。

背景技術(shù)

當(dāng)前，水下數(shù)據(jù)傳輸在保衛(wèi)國家海洋安全、海底資源勘探、海洋災(zāi)難預(yù)警與擴(kuò)大國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間的等方面均發(fā)揮著重大作用。隨著海底科學(xué)觀測網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)和實施，發(fā)展水聲通信及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立可靠的水下數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)今海洋高技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

水下聲傳播速度緩慢、海水對聲波的吸收以及海水介質(zhì)的復(fù)雜、多變性等因素，都將對水聲信號產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。由于水聲信道的固有屬性，要實現(xiàn)高速水聲通信，必須提高工作頻率，但傳輸距離卻受限，因此為實現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離水下數(shù)據(jù)傳輸，通常采用多跳的方式進(jìn)行傳輸(W.Zhang,et al.Analysis of a Linear Multihop Underwater Acoustic Network[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2010,35(4):961-970)。與直接進(jìn)行長距離通信相比，通過短距離多跳實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)整體所消耗的能量更低(Gregory J.Pottie,et al.Embedding the Internet:Wireless Integrated Network Sensors[J].Communications of the ACM,2000,43(5):51–58)。

同時，通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以有效降低通信誤碼率、提高水聲通信的帶寬利用率和系統(tǒng)容量、擴(kuò)大覆蓋范圍，是水聲通信網(wǎng)絡(luò)極具發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€研究方向(陳友淦.水聲網(wǎng)絡(luò)信道編碼與協(xié)作關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廈門:廈門大學(xué)博士學(xué)位論文,2012)。

此外，在水聲多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，越長距離的水聲數(shù)據(jù)傳輸則需布放更多的中繼節(jié)點(diǎn)，作為水聲網(wǎng)絡(luò)的基本單元，水下節(jié)點(diǎn)長期工作在水下，不僅節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)和傳輸功率受限，而且水下節(jié)點(diǎn)的布放和維護(hù)難度都很大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供可降低現(xiàn)有水聲多跳通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸成本及能量損耗，利用航道上服從一定概率分布出現(xiàn)的行船，搭載水聲數(shù)據(jù)收發(fā)裝置，通過合理設(shè)置發(fā)送功率，建立船載中繼節(jié)點(diǎn)及船載協(xié)作節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行水聲數(shù)據(jù)多跳協(xié)作傳輸?shù)臋C(jī)制?？梢杂行г黾铀晹?shù)據(jù)傳輸距離，同時降低水下中繼節(jié)點(diǎn)、協(xié)作節(jié)點(diǎn)的布放和維護(hù)成本，進(jìn)而降低水聲數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的整體代價的一種基于行船中繼節(jié)點(diǎn)的水聲數(shù)據(jù)多跳協(xié)作傳輸方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)統(tǒng)計近海海域航道中行船出現(xiàn)的概率分布，同時將統(tǒng)計得到的各船之間的距離d的范圍記為：

d_max＞d＞d_min(1)

其中，d_max和d_min分別表示各船之間的最大距離和最小距離；水聲數(shù)據(jù)發(fā)射接收的有效接收距離為L，源節(jié)點(diǎn)S每隔時間T廣播發(fā)射一個數(shù)據(jù)包信號；定義以水聲數(shù)據(jù)發(fā)射點(diǎn)為圓心以L為半徑的圓范圍內(nèi)為水聲數(shù)據(jù)發(fā)射的有效接收范圍；

2)在近海海域，當(dāng)航道上配備有水聲數(shù)據(jù)收發(fā)裝置的行船進(jìn)入有效接收范圍時，則接收來自源節(jié)點(diǎn)S的信號；

3)若同時有兩艘行船出現(xiàn)在有效接收范圍內(nèi)，距離目的節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的一艘行船選為協(xié)作節(jié)點(diǎn)C₁，其距離設(shè)為l₁，距離目的節(jié)點(diǎn)較近的另一艘行船選為中繼節(jié)點(diǎn)R₁，其距離設(shè)為l₂。因此，l₁、l₂關(guān)系應(yīng)滿足：

L＞l₂＞l₁(2)

根據(jù)航道中行船的船間距分布確定L的取值。例如，船間距d分布在d_min～d_max之間，則：

L≥d_max(3)

假設(shè)行船的平均航速為V，航道寬度為H且源節(jié)點(diǎn)S在航道正中，要使得水聲數(shù)據(jù)傳輸過程中行船不駛出航道，必須滿足以下關(guān)系式：

其中c為海水中聲傳播的速度。

4)協(xié)作節(jié)點(diǎn)C₁將接收到的信號解碼轉(zhuǎn)發(fā)給中繼節(jié)點(diǎn)R₁，中繼節(jié)點(diǎn)R₁將來自源節(jié)點(diǎn)S和協(xié)作節(jié)點(diǎn)C₁的信號進(jìn)行聯(lián)合解碼；