水下无线传感网组网方法及水下无线传感网节点装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说，是涉及一种基于光声融合的水下无线传感网组网方法及水下无线传感网节点装置。

背景技术

海洋强国竞争、战略资源竞争和蓝色圈地是当今海洋科技发展的国际大背景。建设水下无线传感网（Underwater Wireless Sensor Network，简称UWSN），提供高时空分辨率、大时空尺度的海洋探测数据对于加强生态环境监测、海洋能源开发利用、海洋科学研究和高技术开发、维护国家海洋权益和安全、促进国民经济可持续发展具有重大意义。

水下声通信是目前最为成熟的水下无线通信及组网技术，但水声通信固有的传播延迟大、传输速率低及功耗大等缺点使得水声无线传感网只能传输小容量数据，而不能高速传输视频或图像等大容量数据。但水声通信的最大优势是可实现较远传输距离且信号可广播式传播，这对于实现大范围水下组网具有重要的意义。

水下无线光通信是一种以光波作为信息载体的通信方式。海水对450～550nm波段内蓝绿光衰减比对其他光波段衰减要小很多。无线光通信以高速率、低功耗、较小尺寸和保密性好而著称，水下光通信最大的不足在于传输距离较短，不适合水下大范围组网。然而远距离传输和组网是一对相互牵制的因素，采用全向光传输易于组网但因光在水下衰减严重导致传输距离大幅度降低，采用定向光通信可增大传输距离却带来组网难问题，采用声为载体传输信息可增大传输距离同时组网复杂度也低，却无法满足实时高速视频图像数据传输的需求。

发明内容

本发明为了解决现有水下无线传感网络通信当传输大数据量的数据时，若采用全向光传输易于组网但因光在水下衰减严重导致传输距离大幅度降低，采用定向光通信可增大传输距离却带来组网难问题，采用声为载体传输信息可增大传输距离同时组网复杂度也低，却无法满足实时高速视频图像数据传输的需求的问题，提出了一种基于光声融合的水下无线传感网组网方法，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于光声融合的水下无线传感网组网方法，所述水下无线传感网至少包括控制中心、汇聚节点、移动节点以及固定节点，所述固定节点固定于海底，所述移动节点悬浮或者漂浮于海中，所述固定节点或者移动节点完成数据收集并进行多跳依次发送至位于其上层的其他节点，最终发送至所述控制中心，所述水下无线传感网两节点通信时包括以下步骤：

（1）、第一节点采用声通信模式向第二节点发送请求信号；

（2）、第二节点收到来自第一节点的请求信号后，向水下其他所有节点以声通信模式发出清除发送信号，表明该第二节点已准备就绪接收，而其他所有节点暂停向所述第二节点发送数据；

（3）、第一节点收到清除发送信号后，对第一节点和第二节点的各个收发面进行光束训练，获取第一节点和第二节点的最优收发面，分别为p，q，以及获取最优收发面p和最优收发面q通信时的信噪比SNR(p,q)；

（4）、判断信噪比SNR(p,q)是否达到光通信信噪比阈值；

（5）、若达到光通信信噪比阈值，则通过最优收发面p和最优收发面q采用光通信模式进行有效数据通信，若未达到光通信信噪比阈值，则采用声通信模式进行有效数据通信。

进一步的，步骤（5）之后还包括以下步骤：

（6）、在有效数据通信过程中每隔固定时间进行信噪比检测，若当前光通信信噪比低于光通信信噪比阈值则自适应切换至声通信模式，在采用声通信模式进行有效数据通信过程中，继续每隔固定时间切换至光通信模式进行光信噪比检测，若当前光信噪比超过光通信信噪比阈值则自适应停留在光通信模式，否则继续切回到声通信模式。

进一步的，步骤（6）之后还包括以下步骤：

（7）、当第一节点中数据包的所有数据帧发送完毕，且第二节点全部接收后，第二节点向水下其他所有节点以声通信模式发送确认字符信号，通知第一节点及其他节点接收完毕，此次发送接收过程结束。

进一步的，还包括每隔固定时间对所有节点通过采用三个水声接收换能器进行单基站二维定位的步骤以获得与控制中心相对的二维水平相对位置坐标，通过水下压力传感器获得第三维垂直坐标，继而根据控制中心绝对位置获取所有节点当前的绝对位置，在步骤（5）中进行有效数据通信时，第一节点同时向第二节点发送包含绝对位置信息在内的探测数据。

进一步的，步骤（3）中第一节点和第二节点的最优收发面的获取方法包括以下步骤，

（31）、第一节点的处理器分别控制其光路控制器通过光发送面1、光发送面2、直至光发送面M定向发送光训练序列，当通过各光发送面发送光训练序列时，第二节点的处理器控制其光路控制器分别通过光接收面1、光接收面2、直至光接收面N定向接收发送的光训练序列，并记录各光接收面接收信号的信噪比SNR(i,j)，其中，i=1,2…M；j=1,2…N，表示第一节点通过光发送面i发送，第二节点通过光接收面j接收信号的信噪比，M，N为大于1的整数；

（32）、从信噪比SNR(i,j)中找出最大信噪比SNR(p,q),并记录最大信噪比对应的最优收发面p，q。

进一步的，采用声通信模式时，信号调制编码方式采用PPM调制以及TURBO信道编码。

进一步的，采用光通信模式时，调制编码方式采用QAM调制以及RS信道编码。

基于上述的水下无线传感网组网方法，本发明同时提出了一种水下无线传感网节点装置，包括外壳和设置在所述外壳内的处理器、分别与所述处理器连接的声通信电路、光通信电路、水下传感器信息采集接口电路、电源管理电路，所述声通信电路包括水声发送换能器、水声接收换能器、声编码电路、声译码电路，所述声编码电路连接在所述处理器与所述水声发送换能器之间，所述声译码电路连接在所述水声接收换能器与所述处理电路之间，所述光通信电路包括光发送器、光接收器、光调制器、光解调器、光路控制器、光编码电路、光译码电路，所述光编码电路与所述处理器连接，所述光调制器一端与所述光编码电路连接，另外一端与所述光路控制器连接，所述光译码电路与所述处理器连接，所述光解调器连接在所述光路控制器与所述光译码电路之间，所述外壳上具有若干个光收发面，所述光路控制器用于控制选择其中一个光收发面进行光信号收发，两个传感网节点装置之间通信时包括以下步骤：

（1）、第一节点采用声通信模式向第二节点发送请求信号；

（2）、第二节点收到来自第一节点的请求信号后，向水下其他所有节点以声通信模式发出清除发送信号，表明该第二节点已准备就绪接收，而其他所有节点暂停向所述第二节点发送数据；

（3）、第一节点收到清除发送信号后，对第一节点和第二节点的各个收发面进行光束训练，获取第一节点和第二节点的最优收发面，分别为p，q，以及获取最优收发面p和最优收发面q通信时的信噪比SNR(p,q)；

（4）、判断信噪比SNR(p,q)是否达到光通信信噪比阈值；

（5）、若达到光通信信噪比阈值，则通过最优收发面p和最优收发面q采用光通信模式进行有效数据通信，若未达到光通信信噪比阈值，则采用声通信模式进行有效数据通信。

进一步的，所述若干个光收发面均匀布设在所述外壳表面，组成正多面体结构，各光收发面上设置有透镜，用于光聚集发送和光聚集接收。

进一步的，所述水声接收换能器具有三个，用于对本节点装置进行单基站二维定位以获得相对控制中心的二维水平相对位置坐标，通过水下压力传感器获得第三维垂直坐标。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的基于光声融合的水下无线传感网组网方法，首先，采用树状拓扑结构，采用底层节点数据多跳上传至控制中心的组网策略，固定节点或者移动节点完成数据收集并传至上层移动节点，然后分层传至汇聚节点由控制中心处理。其次，光链路用于近距离大量数据高速无线传输（如视频、图像），声链路用于传送控制命令和节点定位。当光通信覆盖范围无法达到或信道状态不能实现高速传输时，声链路作为备用链路以低速模式传输传感器采集的数据。再次，通过训练收发面，光通信时采用定向发送的方式，可增大传输距离。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的基于光声融合的水下无线传感网中水下两节点自适应光声切换通信的一种实施例流程图；

图2是本发明所提出的水下无线传感网节点装置的一种实施例原理方框图；

图3是本发明所提出的水下无线传感网节点装置的一种实施例中外形结构示意图；

图4是本发明所提出的水下无线传感网节点装置的一种实施例中光收发面通信示意图；

图5是本发明所提出的基于光声融合的水下无线传感网组网方法的一种实施中节点分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提出了一种基于光声融合的水下无线传感网组网方法，本方法采用树状拓扑结构，采用底层节点数据多跳上传至控制中心的组网策略。如图5所示，水下无线传感网至少包括控制中心20、汇聚节点21、移动节点22以及固定节点23，固定节点固定于海底，移动节点悬浮或者漂浮于海中，固定节点或者移动节点完成数据收集然后分层传至位于其上层的其他节点以及汇聚节点，最终发送至控制中心进行处理，鉴于水下光通信速率高功耗小的特点水下传感网采用光通信用于近距离大量数据高速无线传输（如视频、图像），鉴于水下声通信传输距离长、信号可广域传播的特性水下传感网采用声通信用于传送控制命令和节点定位。当光通信覆盖范围无法达到或信道状态不能实现高速光传输时，声链路作为备用链路以低速模式传输传感器采集的数据。本方法将使水下光声通信各尽所长，为水下无线传感网领域提供新的技术途径和理论方法。本实施例中，如图1所示，水下无线传感网两节点通信时包括以下步骤：

S1、第一节点采用声通信模式向第二节点发送请求信号；由于请求信号数据量小，可以充分利用水下声通信传输距离长、信号可广域传播的特性，采用声通信模式传输请求信号。

S2、第二节点收到来自第一节点的请求信号后，向水下其他所有节点以声通信模式发出清除发送信号，表明该第二节点已准备就绪接收，而其他所有节点暂停向所述第二节点发送数据；为了提高信号在水中传输的稳定性，优选一对一传输，也就是说，一个接收节点同时只能接收来自于一个发射节点发送的信号。

S3、第一节点收到清除发送信号后，对第一节点和第二节点的各个收发面进行光束训练，获取第一节点和第二节点的最优收发面，分别为p，q，以及获取最优收发面p和最优收发面q通信时的信噪比SNR(p,q)；通过训练收发面，光通信时采用定向发送的方式，可增大传输距离。

S4、判断信噪比SNR(p,q)是否达到光通信信噪比阈值；

S5、若达到光通信信噪比阈值，则通过最优收发面p和最优收发面q采用光通信模式进行有效数据通信，若未达到光通信信噪比阈值，则采用声通信模式进行有效数据通信。光链路用于近距离大量数据高速无线传输（如视频、图像），声链路用于传送控制命令和节点定位。当光通信覆盖范围无法达到或信道状态不能实现高速传输时，声链路作为备用链路以低速模式传输传感器采集的数据。充分利用水下光通信速率高功耗小以及水下声通信传输距离长、信号可广域传播的优点。

当采用光通信时，高速数据采集（视频和图像数据）优选采用蓝绿光为载体的通信方式。

由于水下环境随时可能发生变化，因此，需要周期性进行信道状态测试，以相适应调整信号光或声通信模式，以保证通信质量，减小信号传输的误码率。

步骤S5之后还包括以下步骤：

S6、在有效数据通信过程中每隔固定时间进行信噪比检测，若当前光通信信噪比低于光通信信噪比阈值则自适应切换至声通信模式，在采用声通信模式进行有效数据通信过程中，继续每隔固定时间切换至光通信模式进行光信噪比检测，若光信噪比超过光通信信噪比阈值则自适应停留在光通信模式，否则继续切回到声通信模式。

步骤S6之后还包括以下步骤：

S7、当第一节点中数据包的所有数据帧发送完毕，且第二节点全部接收后，第二节点向水下其他所有节点以声通信模式发送确认字符信号，通知第一节点及其他节点接收完毕，此次发送接收过程结束。

由于节点所采集的各种数据当结合其位置信息时具有更有价值的研究意义，由于海洋动力原因，移动节点会随着洋流发生位置变化，因此，还包括每隔固定时间对所有节点进行单基站定位的步骤，获取所有节点当前的绝对位置，在步骤S5中进行有效数据通信时，第一节点同时向第二节点发送包括其绝对位置信息在内的探测数据。本实施例中，水下节点定位利用水下节点的汇聚节点声发送部件发送，三个声接收部件接收的单基站定位策略获得节点二维相对位置信息，结合水下压力传感器获得的垂直位置信息后根据控制中心位置获得水下节点绝对位置。控制中心应具备GPS或北斗定位系统，以获得控制中心的绝对位置信息，进而用于对其他节点根据相对位置信息进行定位。

每隔固定时间对所有节点通过采用三个水声接收换能器进行单基站二维定位的步骤以获得与控制中心相对的二维水平相对位置坐标，通过水下压力传感器获得第三维垂直坐标，继而根据控制中心绝对位置获取所有节点当前的绝对位置，在步骤S5中进行有效数据通信时，第一节点同时向第二节点发送其包含绝对位置信息在内的探测数据。

本方法中节点装置，优选具有若干个光收发面的类球状多面体结构，每个光收发面均包含透镜实现光聚集发送和聚集接收，可通过指定光收发面发出定向光束，步骤S3中第一节点和第二节点的最优收发面的获取方法包括以下步骤：

S31、第一节点的处理器分别控制其光路控制器通过光发送面1、光发送面2、直至光发送面M定向发送光训练序列，当通过各光发送面发送光训练序列时，第二节点的处理器控制其光路控制器分别通过光接收面1、光接收面2、直至光接收面N定向接收发送的光训练序列，并记录各光接收面接收信号的信噪比SNR(i,j)，其中，i=1,2…M；j=1,2…N，表示第一节点通过光发送面i发送，第二节点通过光接收面j接收信号的信噪比，M，N为大于1的整数；

S32、从信噪比SNR(i,j)中找出最大信噪比SNR(p,q),并记录最大信噪比对应的最优收发面p，q。

PSK调制也即相移键控调制，具有能量传输效率高、抗干扰能力强等特点，利用PSK调制可增加通信距离。TURBO码接近于随机码, 有很好的距离特性, 因而有较强抗衰减和抗干扰能力。TURBO码经理想交织后在加性高斯白噪声信道中的性能与未编码相比有数分贝的增益, 只要接收机能检测到哪些频点受到干扰, 对信号进行删除纠错译码, 则可得到其它码难以达到的性能, 因而特别适合于恶劣环境及远距离通信。采用声通信模式时，信号调制编码方式采用PPM调制以及TURBO信道编码，系统传输速率可达4kbps，通信距离超过50米。

QAM（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）调制也即正交振幅调制，通过相位和振幅联合控制得到更高频谱效率，从而可在限定频带内传输更高速率的数据。RS码（Reed-solomon codes，RS码）纠错性能适中，在码长很短时也有较好纠错性能而且RS码硬件实现相对简单，在近距离通信时系统误码率较低。综合考虑系统实现难度以及硬件资源消耗情况, 在光通信时均选择RS码作为信道编码方式。采用光通信模式时，优选调制编码方式采用QAM调制以及RS信道编码。

实施例二

基于实施例一中的水下无线传感网组网方法，本实施例提出了一种水下无线传感网节点装置，如图2所示，为节点装置内部结构原理方框图，包括外壳（图2中未示出）和设置在外壳内的处理器、分别与处理器连接的声通信电路、光通信电路、水下传感器信息采集接口电路、电源管理电路，声通信电路包括水声发送换能器、水声接收换能器、声编码电路、声译码电路，声编码电路连接在处理器与水声发送换能器之间，声译码电路连接在水声接收换能器与处理电路之间，光通信电路包括光发送器、光接收器、光调制器、光解调器、光路控制器、光编码电路、光译码电路，光编码电路与所述处理器连接，光调制器一端与光编码电路连接，另外一端与光路控制器连接，光译码电路与处理器连接，光解调器连接在光路控制器与光译码电路之间，外壳上具有若干个光收发面，光路控制器用于控制选择其中一个光收发面进行光信号收发，两个传感网节点装置之间通信时包括以下步骤：

S1、第一节点采用声通信模式向第二节点发送请求信号；

S2、第二节点收到来自第一节点的请求信号后，向水下其他所有节点以声通信模式发出清除发送信号，表明该第二节点已准备就绪接收，而其他所有节点暂停向所述第二节点发送数据；

S3、第一节点收到清除发送信号后，对第一节点和第二节点的各个收发面进行光束训练，获取第一节点和第二节点的最优收发面，分别为p，q，以及获取最优收发面p和最优收发面q通信时的信噪比SNR(p,q)；

S4、判断信噪比SNR(p,q)是否达到光通信信噪比阈值；

S5、若达到光通信信噪比阈值，则通过最优收发面p和最优收发面q采用光通信模式进行有效数据通信，若未达到光通信信噪比阈值，则采用声通信模式进行有效数据通信。

如图3、图4所示，若干个光收发面均匀布设在外壳10表面，组成正多面体结构，各光收发面上设置有透镜11，用于光聚集发送和光聚集接收，光路控制器可以控制指定光收发面进行光信号收发，通过比较两个节点两两平面的信噪比，查找出两个节点的最优收发面，进行光信号定向传输。

水声接收换能器具有三个，用于对本节点装置进行单基站定位。固定节点部署在海底，固定节点和移动节点均包含声发送部件、三个声接收部件（用于定位获得X轴、Y轴相对坐标）、光发送器和光接收器、摄像头（用于采集视频和图像）、压力传感器（用于获得Z轴深度）及用于获取温度、湿度、盐度、剖面流量等海洋环境参数的各种传感器。水声接收换能器用于对本节点装置进行单基站二维定位以获得相对控制中心的二维水平相对位置坐标，通过水下压力传感器获得第三维垂直坐标。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。