[發(fā)明專利]一種基于測距定位的多維水下可見光通信傳感網(wǎng)系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710822213.6
• 申請日: 2017-09-13
• 公開（公告）號: CN107872278A
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙弋菲;黃鴻基;宋一葦;熊健;范山崗;桂冠
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04B10/80
• 分類號: H04B10/80;G01S5/16
• 代理公司: 南京知識律師事務(wù)所32207
• 代理人: 李吉寬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于定位算法的多維水下可見光通信傳感網(wǎng)的傳感網(wǎng)。

背景技術(shù)

近年來，通信技術(shù)的快速發(fā)展，為我們的生活帶來了極大的便利。可見光通信是基于發(fā)光二極管等技術(shù)上發(fā)展起來的一種新型、短距離安全保密通信、高速的無線通信技術(shù)，具有很好的發(fā)展前景。水下通信在軍事、工業(yè)以及科學(xué)領(lǐng)域都具有重要地位。水下通信速率需求在幾兆到幾十兆甚至更高范圍內(nèi)。無線電波在海水中會受到高度衰減。聲波在海洋中傳輸速度為1500m/s,延遲時間長,帶寬受限,誤碼率高,聲波也會對海豚和鯨魚等海洋動物產(chǎn)生干擾等。VLC在水下可以很好地克服衰減和電磁干擾等問題，具有很大的優(yōu)勢。

就目前的情況而言，國內(nèi)外已經(jīng)開展了無線光通信技術(shù)的相關(guān)研究。2015年11月，愛沙尼亞Velmenni公司在塔林演示了Li-Fi原型燈泡，其數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)1Gbps；在實驗特定條件下，記錄的Li-Fi燈泡數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到224Gbps。2016年12月的Globecom會議上，Ki-Hong Park等分析了室內(nèi)可見光MIMO系統(tǒng)的可靠性。2017年，YahyaMohammed Al-Moliki的研究組研究了室內(nèi)可見光通信的物理層安全策略。同年2月，孫洪偉等提出了實現(xiàn)智能手機(jī)可見光定位功能的方案。同時，中國科學(xué)院的丁昆等開發(fā)了一款便攜式光天線設(shè)備。但據(jù)我們所知，國內(nèi)外尚未出現(xiàn)與多維傳感網(wǎng)可見光通信系統(tǒng)的研究。

全雙工通信是在通信設(shè)備的上行鏈路和下行鏈路同時進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。基于可見光系統(tǒng)，結(jié)合多維傳輸和定位技術(shù)的全雙工通信，將可實現(xiàn)更高的定位精度，同時提高頻譜利用率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了提高定位的精度，采用了基于定位算法的多維水下可見光通信傳感網(wǎng)的測距定位。本發(fā)明的思路首先要在信道環(huán)境良好的情況下，構(gòu)建可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)；然后，在信道環(huán)境遭到破壞時，觀察網(wǎng)絡(luò)信號的通斷，從而實現(xiàn)傳感功能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于測距定位的多維水下可見光通信傳感網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括錨節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)接入模塊、網(wǎng)絡(luò)信號處理模塊、可見光通信收發(fā)一體機(jī)A和B、電信號處理模塊、本地處理和顯示模塊、云端服務(wù)器模塊以及數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)接入模塊將網(wǎng)絡(luò)信號接入到本系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)信號處理模塊將網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行處理，形成數(shù)字信號，可見光發(fā)射機(jī)A進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成光信號通過發(fā)光二極管發(fā)射出去，接收端B再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換器加載到電信號處理模塊，終端識別后以同樣的方式傳遞給網(wǎng)絡(luò)，與此同時，云端服務(wù)器模塊將本地處理和顯示模塊分析的誤比特率、經(jīng)測距算法得出的水下位置信息實時上傳至數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過信道變化引起相應(yīng)參數(shù)變化來實現(xiàn)傳感。

進(jìn)一步，上述錨節(jié)點為監(jiān)測水域內(nèi)的節(jié)點之一，除了錨節(jié)點還有信標(biāo)節(jié)點和未知節(jié)點。

整個定位過程分為兩部分：錨節(jié)點定位和未知節(jié)點定位，定義每個節(jié)點的定位周期為T1，信標(biāo)節(jié)點通過聲波信號與錨節(jié)點直接聯(lián)系，錨節(jié)點收集至少3個以上信標(biāo)節(jié)點位置信息，利用三邊測量法來計算錨節(jié)點的位置信息。

信標(biāo)節(jié)點需部署四個以上且配備GPS。

未知節(jié)點的定位算法的基本步驟如下：

(1)定義未知節(jié)點只和它本地的一跳鄰居節(jié)點進(jìn)行聯(lián)系，通過和錨節(jié)點的本地消息傳遞來進(jìn)行自我定位；

(2)計算未知節(jié)點與錨節(jié)點的最小跳數(shù)，錨節(jié)點通過信標(biāo)節(jié)點得到自己的位置信息后，廣播其分組信息，跳數(shù)字段初始化為0，逐跳加1，廣播過程中，錨節(jié)點也要記錄自己到其他錨節(jié)點的最小跳數(shù)，未知節(jié)點記錄到每個錨節(jié)點的最小跳數(shù)，若收到來自同一節(jié)點的相同數(shù)據(jù)包或跳數(shù)字段較大的數(shù)據(jù)包，則舍棄；

(3)計算未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離，先計算錨節(jié)點的平均每跳距離D，每個錨節(jié)點將得到的D廣播分組給整個網(wǎng)絡(luò)，未知節(jié)點利用得到的D乘以未知節(jié)點j到錨節(jié)點i的跳數(shù)Nij即可得到未知節(jié)點j到錨節(jié)點i的距離Dij：

(i＝1,2,...n為錨節(jié)點編號)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

1，本發(fā)明采用多維定位，即通過多個已知錨節(jié)點的位置，確定未知節(jié)點的位置,隨著參照坐標(biāo)的增加,準(zhǔn)確度更高,定位更加精準(zhǔn)。

2，本發(fā)明使用的是傳感器節(jié)點,能耗小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明與分布式算法的定位性能比較圖。

圖3為三種節(jié)點的分布示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。