一种广域分布式水声协作分集通信系统的制作方法

1.本发明涉及水声通信技术领域，特别涉及一种广域分布式水声协作分集通信系统。


背景技术：

2.近年来随着人类海洋活动的增加,海洋资源勘探、水下作业、海洋环境监测等领域均对水声通信有着广泛需求。但是，由于水声信号可用频率带宽极窄，水声传播速率仅约1500米/秒，导致其通信能力很低、时延较大；同时海洋中多变的水文气候环境、海面和海底的粗糙度、湍流引起的热微结构、内波引起的声速变化等诸多复杂时变域变因素形成了水声信号场的随机起伏与散射、多径效应、多普勒频移等特性，极大的限制了水声信号的传输性能与链路鲁棒性，使得水声通信出现点对点传输链路不稳定、速率低以及通信距离短等问题。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种广域分布式水声协作分集通信系统，以解决现有技术中水声通信不稳定，速率低和通信距离短的问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
5.一种广域分布式水声协作分集通信系统，包括多个节点浮标和多个网关浮标，所述网关浮标和水下用户发射端均设置有水声调制解调器，所述节点浮标与所述水下信号发射端通信，一个所述节点浮标仅与一个所述网关浮标通信，一个所述网关浮标与至少一个所述节点浮标通信，所述网关浮标与接收端通信，
6.所述节点浮标用于接收所述水下信号发射端发送的水声信号并将所述水声信号转换为采样信号发送至对应的所述网关浮标，和/或用于接收所述网关浮标发送的控制信号并将所述控制信号转换为指令信号发送至所述水下信号发射端；
7.所述网关浮标用于接收所述采样信号和所述水下信号并发送给所述水声调制解调器，所述水声调制解调器用于将所述采样信号和所述水下信号分集合并得到目标信号并将所述目标信号发送至接收端，和/或用于接收所述接收端发送的控制信号并将所述控制信号转换为指令信号发送至所述水下信号发射端或将所述控制信号转发至所述节点浮标；所述水下信号发射端接收所述指令信号并分集合并得到执行信号。
8.进一步的：所述节点浮标之间互联通信，所述网关浮标之间也互联通信。
9.进一步的：所述节点浮标与所述网关浮标之间通过超短波通信网络通信。
10.进一步的：所述节点浮标和所述网关浮标均包括：浮标电子舱、浮标主体、电源模块、水声换能模块、超短波通信模块、无线数传模块和主控模块，所述电源模块、所述超短波通信模块、所述无线数传模块和所述主控模块安装在所述浮标电子舱内，所述浮标电子舱安装在所述浮标主体上，所述水声换能模块设置在所述浮标电子舱底部舱外，所述水声换能模块通过水密接插件与所述主控模块连接，所述主控模块还分别连接所述电源模块和所
述超短波通信模块，所述超短波通信模块用于实现所述浮标与所述网关浮标之间通信，所述无线数传模块用于实现所述节点浮标之间和所述网关浮标组网。
11.进一步的：所述网关浮标还包括卫星通信模块，所述卫星通信模块与所述主控模块连接，所述网关浮标通过所述卫星通信模块与所述接收端通信。
12.进一步的：所述节点浮标和所述网关浮标均为跨介质浮标。
13.进一步的：所述节点浮标和所述网关浮标之间通过mesh无线自组网通信。
14.采用上述技术方案，由于采用广域分布式水声协作分集通信系统，可以在抑制无线信道衰落的基础上，基于空间协作能力获取空时分集增益，有效降低信息网络节点的传输功率，延长网络生存期，提高系统性能及容量；另一方面广域分布式系统网络可以提高频谱利用率，具有高容量、广覆盖、低功耗和易扩展的独特优势；同时可以实现水上水下互联互通、资源共享，充分利用海面以上的天临空地一体化空间信息网络已经形成的服务及支撑能力来克服海洋复杂环境的制约及水声信号固有的局限，提高水下信息系统的服务能力、可靠性、及网络覆盖。与现有技术的点对点的变参信道相比，使用一条点对多点/多点对点的准恒参平稳信道，通过浮标网络协作通信使多径水声信号在网关浮标处分集合并，并进行同步和信道均衡，获得信号多径传播增益，提高了数据传输的可靠性，从根本上提升水下通信网络传输能力和传播距离能力。
附图说明
15.图1为本发明实施例广域分布式水声协作分集通信系统的结构框图；
16.图2为本发明实施例广域分布式水声协作分集通信系统中节点浮标的结构示意图；
17.图3为本发明实施例广域分布式水声协作分集通信系统中网关浮标的结构示意图；
18.图4为本发明实施例广域分布式水声协作分集通信系统的上行链路通信示意图；
19.图5为本发明实施例广域分布式水声协作分集通信系统的下行链路通信示意图；；
20.图6为本发明实施例一种广域分布式水声协作分集通信仿真方法中上行链路仿真方法流程图；
21.图7为本发明实施例一种广域分布式水声协作分集通信仿真方法中产生的水声多径信号声线图；
22.图8为本发明实施例一种广域分布式水声协作分集通信仿真方法中误码率的对比图；
23.图9本发明实施例一种广域分布式水声协作分集通信仿真方法中下行链路仿真方法流程图；
24.图中，1
‑
浮标主体，2
‑
浮标电子舱，3
‑
主控模块，4
‑
电源模块，51
‑
超短波通信电路，52
‑
超短波通信天线，61
‑
无线数传电路，62
‑
无线数传天线，7
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水密接插件，81
‑
水声射频前端，82
‑
水声换能器，91
‑
卫星通信电路，92
‑
卫星通信天线。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于
这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.实施例
27.一种广域分布式水声协作分集通信系统，如图1所示，包括多个节点浮标和多个网关浮标，网关浮标设置有水声调制解调器，节点浮标与水下信号发射端通信，一个节点浮标仅与一个网关浮标通信，一个网关浮标与至少一个节点浮标通信，网关浮标与接收端通信，节点浮标之间互联通信，网关浮标之间也互联通信；节点浮标与网关浮标之间通过超短波通信网络通信。
28.本发明的广域分布式水声协作分集通信系统的通信方式包括上行链路，即水下信号发射端将信号发送至卫星岸站，和下行链路，即卫星岸站将信号发送至水下信号发射端两种方式：
29.节点浮标用于接收水下信号发射端发送的水声信号并将水声信号转换为采样信号发送至对应的网关浮标，和/或用于接收网关浮标发送的指令信号并将指令信号转换为执行信号发送至水下信号发射端；
30.网关浮标用于接收采样信号和水下信号并发送给水声调制解调器，水声调制解调器用于将采样信号和水下信号分集合并得到目标信号并将目标信号发送至接收端，和/或用于接收接收端发送的控制信号并将控制信号转换为指令信号发送至节点浮标或水下信号发射端。
31.图2和图3分别为节点浮标和网关浮标的结构示意图，节点浮标和网关浮标均包括：浮标电子舱2、浮标主体1、电源模块4、水声换能模块、超短波通信模块和主控模块4，电源模块4、超短波通信模块、无线数传模块和主控模块4安装在浮标电子舱2内，浮标电子舱2安装在浮标主体1上，水声换能模块设置在浮标电子舱2底部舱外，水声换能模块通过水密接插件7与主控模块4连接，主控模块4还分别连接电源模块4和超短波通信模块，超短波通信模块用于实现浮标与网关浮标之间通信，无线数传模块用于实现所述节点浮标之间和所述网关浮标之间组网。
32.网关浮标还包括卫星通信模块和水声调制解调器，卫星通信模块与主控模块4连接，网关浮标通过卫星通信模块与接收端通信，水声调制解调器对接收到的信号进行同步均衡分集合并处理。
33.由于网关浮标和节点浮标是设置在海面上的跨介质通信浮标，因此设置有浮标主体1帮助浮标浮起在海面上，浮标主体1的材质在此对其不做限定。
34.其中，电源模块4用于给节点浮标和网关浮标中的用电模块供电，由于节点浮标和网关浮标是放在海面上使用的，因此在本发明的实施例中，电源模块4为大容量电池。
35.节点浮标的超短波通信模块是用于实现节点浮标与网关浮标之间通信的，超短波通信模块的传播方式具有稳定性高、受季节和昼夜变化的影响小的特点。超短波通信模块为节点浮标和网关浮标进行水面组网提供mesh组网支撑，节点浮标可通过超短波通信模块将采样信号通过mesh网以单跳多跳的形式共享至网关浮标，同时也可接收网关浮标转发的指令信号。
36.节点浮标的主控模块是基于arm cortex
‑
m3内核的32位通用微控制器开发的并集成各个数据接口以及相应的电源输入、输出接口，各个数据接口用于连接水声换能模块、超
短波通信模块以及存储调试模块等部分，电源输入、输出接口用于连接电源模块4，节点浮标的主控模块主要控制水声换能模块、超短波通信模块的唤醒与休眠，并进行数据接收、分集合并、打包处理。
37.水声换能模块是用于接收水下信号的，因此设置在浮标电子舱2底部舱外，在本发明的实施例中，水声换能模块包括水声射频前端81和水声换能器82，其中，水声换能器82用于将声音信号转换为电压信号，水声射频前端81用于将水声换能器82接收到的信号放大；节点浮标和网关浮标通过水声换能模块与水下信号发射端以水声通信的方式进行信息交互。
38.具体的，水声射频前端81包括带通滤波器、功率放大器和a/d采样，主要将水声换能器82接收的水声信号进行预处理和a/d采样，产生供主控模块要处理的数字信号。
39.存储调试模块为浮标提供大容量数据存储、备份，以及系统日常工作运行日志的存储，便于后期维护和检修。
40.网关浮标的主控模块基于arm cortex
‑
m4内核的32位通用微控制器开发并集成各个数据接口以及相应的电源输入、输出接口，各个数据接口用于连接水声换能模块、超短波通信模块、卫星通信模块、水声调制解调器以及存储调试模块等部分，电源输入、输出接口用于连接电源模块4，网关浮标的主控模块主要控制卫星通信模块、超短波通信模块、水声调制解调器、水声换能模块的唤醒与休眠，并进行数据接收、分集合并、打包处理。
41.水声调制解调器用于对接收到的采样信号和水下信号进行信号处理，处理完毕的信号再通过串口与网关浮标的主控模块进行通信，将数据交由网关浮标的主控模块进行处理。
42.网关浮标的超短波通信模块为节点浮标和网关浮标进行水面组网提供mesh组网支撑，网关浮标可通过该模块单元收集各个节点浮标共享的同一信息进行多源合并处理，同时将接收端下达的控制信号与节点浮标进行转发。
43.卫星通信模块是实现卫星定位、通信的关键部分，集成了北斗、天通等定位、通信模块，网关浮标可将各多源分集合并后的信息通过北斗短报文、天通数据/短信的形式向接收端进行回传，交互。
44.在本发明的实施例中，接收端为卫星岸站，卫星岸站通过卫星与网关浮标通信。
45.卫星通信模块包括卫星通信电路91和卫星通信天线92，超短波通信模块包括超短波通信电路51和超短波通信天线52，无线数传模块包括无线数传电路61和无线数传天线62，由于卫星通信模块、超短波通信模块和无线数传模块具体的模块构造为现有技术，在此不再详细说明。
46.下面具体说明本发明的广域分布式水声协作分集通信系统的通信方式：假设在本发明的实施例中，设置有三个网关浮标：n1，n2，n3，其中网关浮标n1对应三个节点浮标n1，n2，n3，网关浮标n2对应两个节点浮标n4，n5，网关浮标n3对应两个节点浮标n6，n7。
47.上行链路：水下信号发射端将信号传输给岸站的过程，如图4所示。
48.水下信号发射端在水下发送水声信号x，该水声信号为声音信号；
49.节点浮标和网关浮标都可以通过各自的水声换能模块接收水声信号x，并将该声音信号转换为采样信号y；
50.例如：节点浮标n1的水声换能器82接收水声信号x并将其转换为电压信号y11，节
点浮标n1的水声射频前端81将电压信号y11预处理放大为采样信号y1并发送给节点浮标n1的主控模块，主控模块开启超短波通信模块，将采样信号y1发送给节点浮标n1归属的网关浮标n1。
51.节点浮标n4的水声换能器82接收水声信号x并将其转换为电压信号y14，节点浮标n4的水声射频前端81将电压信号y14预处理放大为采样信号y4并发送给节点浮标n4的主控模块，主控模块开启超短波通信模块，将采样信号y4发送给节点浮标n4归属的网关浮标n2。其他节点浮标接收水声信号x，并将该声音信号转换为采样信号的过程类似，在此不再赘述。
52.网关浮标n1的水声换能器82接收水声信号x并将其转换为电压信号y21，网关浮标n1的水声射频前端81将电压信号y21预处理放大为采样信号y31并发送给网关浮标n1的主控模块，主控模块将采样信号y31发送至水声调制解调器进行信号处理；
53.网关浮标n2的水声换能器82接收水声信号x并将其转换为电压信号y22，网关浮标n2的水声射频前端81将电压信号y22预处理放大为采样信号y32并发送给网关浮标n2的主控模块，主控模块将采样信号y32发送至水声调制解调器进行信号处理；
54.网关浮标接收节点浮标发送的采样信号并发送至水声调制解调器进行信号处理；
55.网关浮标n1的超短波通信模块接收节点浮标n1发送的采样信号y1，节点浮标n2发送的采样信号y2，节点浮标n3发送的采样信号y3，并发送给网关浮标n1的主控模块，主控模块将采样信号y1、采样信号y2和采样信号y3发送至水声调制解调器进行信号处理。
56.水声调制解调器对接收到的采样信号进行信号分集合并得到目标信号y1并将目标信号y1通过卫星发送至岸站。
57.例如网关浮标n1的水声调制解调器接收到的采用信号包括：采样信号y1、采样信号y2、采样信号y3和采样信号y31，水声调制解调器将这四个采样信号进行信号分集合并最终得到目标信号y1。
58.水声调制解调器分集合并的过程在实施例2中进行详细叙述。
59.下行链路：岸站将信号传输给水下信号发射端的过程，如图5所示。
60.岸站通过卫星发送控制信号至网关浮标；
61.网关浮标接收控制信号并将控制信号转换为指令信号发送至水下信号发射端，且可以将控制信号通过超短波通信模块转发给节点浮标；
62.例如：网关浮标n1接收到岸站发送的控制信号z，一方面，可以通过超短波通信模块将控制信号z转发给其下属的节点浮标n1，n2和n3，另一方面可以通过水声换能模块将电压信号的控制信号z转换为水声信号的指令信号i1，
63.节点浮标接收网关浮标转发的控制信号z，并转换为指令信号发送至水下信号发射端；
64.例如：节点浮标n1通过超短波通信模块接收到网关浮标n1转发的控制信号z，通过水声换能模块将电压信号的控制信号z转换为水声信号的指令信号i11；
65.节点浮标n2通过超短波通信模块接收到网关浮标n1转发的控制信号z，通过水声换能模块将电压信号的控制信号z转换为水声信号的指令信号i12；
66.节点浮标n4通过超短波通信模块接收到网关浮标n2转发的控制信号z，通过水声换能模块将电压信号的控制信号z转换为水声信号的指令信号i21。
67.水下信号发射端通过水声调制解调器将接受到的指令信号进行信号分集合并得到执行信号i。
68.为了对上述通信系统进行验证，下面提供一种广域分布式水声协作分集通信仿真方法，包括上行链路的仿真方法和下行链路的仿真方法：
69.上行链路的仿真方法包括，如图6所示：
70.步骤100、建立水声信道冲击相应模型h；
71.步骤200、水下信号发射端发射初始信号通过水声信道冲击相应模型h生成水声信号；
72.步骤300、节点浮标接收水声信号并转换为采样信号发送至对应的网关浮标；
73.步骤400、网关浮标接收水声信号并发送至网关浮标水声调制解调器；
74.步骤500、网关浮标接收所述采样信号并发送至网关浮标水声调制解调器；
75.步骤600、网关浮标水声调制解调器将采样信号和水下信号分集合并得到目标信号并将目标信号发送至接收端。
76.水声信道冲击相应模型h为：
[0077][0078]
其中，n为声线的数量，l为第1条声线，a为水声的衰减，τ为水声的相对时延。
[0079]
建立水声信道冲击相应模型h是为了通过软件模拟现实水况得到水声信号，在本发明的实施例中，通过bellhop射线模型获取信号的衰减和时延，代入到水声信道冲击相应模型h中，即得到水声信号。
[0080]
在本发明的实施例中，在bellhop射线模型仿真中设置海况为0级，即海面光滑如镜或仅有涌浪存在、海底为真空的情况下，声源放置位置为距离海面80m，接收点在距离海0m深度，接收点数量为3个，三个接收点端间距1000m，声源频率为10khz，声源角度为20度，接收的最大深度为110m，最远距离为4km。图7为经过bellhop射线模型产生的水声多径信号声线图。
[0081]
其中，声源放置位置指的是水下信号发射端的位置；接收点指节点浮标或网关浮标的位置，在本发明的实施例中，是以设置有2个节点浮标，1个网关浮标为例进行说明的。
[0082]
通过建立水声信道冲击相应模型h可以模拟水下信号发射端发射的信号在水下衰减和时延情况，为下步提供数据支撑。
[0083]
假设水下信号发射端发射的信号为a(0，0，0)，
[0084]
节点浮标接收水声信号并转换为采样信号发送至对应的网关浮标；
[0085]
节点浮标接收的信号由于经过复杂的水声信道，节点浮标接收的水声信号可能变成a1(0，0，1)，a2(1，0，1)......a
n
(1，1，1)等，节点浮标通过换能器及射频前端将接收到上述水声信号转换为电信号，并进行滤波、放大以及a/d采样，采样后数据通过超短波链路实时传送到网关浮标发送给网关浮标，网关浮标接收到其下辖的节点浮标发送的采样信号后发送给其水声调制解调器。
[0086]
网关浮标接收水声信号并发送至网关浮标水声调制解调器；
[0087]
网关浮标接收的信号由于经过复杂的水声信道，网关浮标接收的水声信号可能变成b1(0，0，1)，b2(1，0，1)......b
n
(1，1，1)等，网关浮标将接收到的上述水声信号转换为电
压信号发送给水声调制解调器。
[0088]
网关浮标水声调制解调器将采样信号和水下信号分集合并得到目标信号并将目标信号发送至接收端。
[0089]
具体的：网关浮标水声调制解调器分集合并的过程为：
[0090]
步骤610、将采样信号与水下信号进行时钟同步：由于：网关浮标接收到的采样信号与水下信号不在同一时段上，因此需将相同时间发射的相关信息提取出来，在本发明的实施例中，采用qpsk costas环来进行载波同步。
[0091]
水下信号发射端发射的信号a与a
n
、b
n
之间的相位差信息通过环路滤波器后产生vco误差控制电压，通过改变vco输出的载波频率，可以达到载波同步，利用该载波进行解调得到基带信息，实现解调。
[0092]
环路滤波器在costas环路中起着非常重要的作用，不仅起到低通滤波器的作用，还对环路的校正速度起调节作用。
[0093]
载波同步进行完之后还需要进行位同步：
[0094]
位同步采用gardner定时同步，是一种独立于载波相位的时间误差检测算法。其显著特点是相位误差与载波相位无关，使时钟同步电路与载波同步环路相互独立，减小环路之间的耦合，其误差检测器的频率只需2倍符号频率，工作频率低。
[0095]
通过仿真得到的的采样频为500khz，载波频率为10khz，costas环输入频率为5hz，环路滤波器参数：c1＝2
‑3，c2＝2
‑
11
，vco频率调整频率为250khz。
[0096]
步骤620、通过信道均衡消除信道中产生的码间干扰，即采用自适应均衡器可以对传输信道进行幅度和延时的自适应补偿：
[0097]
采用def(decision feedback equalization)判决反馈均衡，是一种非线性时域均衡器，其实现形式为横向滤波器，由一个前馈滤波器(fff)和后馈滤波器(fbf)组成。dfe的基本思路是一旦一个信息符号被检测并被判定后，就可以在检测后续符号之前并消除由这个信息符号带来的码间干扰。假设均衡器fff为n1 n2 1阶，fbf为n3阶，则其输出为：
[0098][0099]
其中，为前馈滤波器抽头系数，x(n)为输入均衡器的抽样序列为后馈滤波器抽头系数，y(i)是判决器输出信号，为均衡器输出，判决器判决之前的值。
[0100]
自适应均衡技术的原理就是按照某种准则和算法对其系数进行调整，最终使自适应均衡器的代价函数最小化，达到最佳均衡的目的。本发明采用rls(recursive least square)递归最小二乘算法，对从初始时刻到当前时刻所有误差的平方进行平均并使其最小化，再按照之一准则确定滤波器的加权系数，这种方法虽然会带来复杂的运算过程，但会使均衡器更快的收敛。rls算法的代价方程为：
[0101][0102]
其中，λ为遗忘因子，是一个可以改变均衡器性能的抽头系数，0＜λ≤1，如果信道是非时变的，那么λ可以设为1。而通常的λ取值为0.8＜λ＜1。λ值对收敛速率没有影响，但是它影响均衡器的跟踪能力。λ值越小，均衡器的跟踪能力越强。但是，如果λ值太小，均衡器将
会不稳定。上述描述的递归最小二乘算法称作kalman rls算法，它每次迭代的运算量为2.5n2 4.5n。仿真时均衡器抽头系数为40。
[0103]
步骤630、通过最大比合并抑制水声信道信号的衰落以还原得到目标信号。具体包括：
[0104]
步骤631：根据多径信号的信噪比获得总信噪比γ；
[0105]
假定每一条合并支路噪声相互独立，则最大比合并输出总的平均噪声功率就是各支路的噪声和：
[0106][0107]
则合并输出的信噪比为：
[0108][0109]
因为各支路信噪比代入上式可得：
[0110][0111]
步骤632：利用施瓦茨不等式，获得最大信噪比γ
max
，即：
[0112][0113]
或表示成：
[0114][0115]
通过上式可得到如下结论；最大比合并输出可能得到的最大信噪比为各支路信噪比之和。即：
[0116][0117]
步骤633、获得最大信噪比时各径信号的加权系数wi；
[0118][0119]
从上式可以看出，当最大比合并器的输出信噪比最大时，每一分集支路的加权系数与本支路的信号幅度及噪声功率有关，其变化是随支路信号幅度増大而增大，随噪声功率增大而减小。如果每一支路的噪声功率相等，则合并器的加权系数只于本支路的信号幅度呈正比关系。显然，最大比合并之所以能得到最大的信噪比，是因为在分集支路中信噪比大的支路对合并器的贡献也就大，而信噪比小的分集支路对合并器的贡献小。经过分集合并之后的误码率如图8所示，在相同信噪比的情况下，可以获得更小的误码率，获取更大的增益效果。
[0120]
步骤634、将多径信号的电压相加，获得总信号电压u，所述总信号电压u为目标信号。
[0121][0122]
式中，n为分集数，u
i
表示每一分集支路信号电压的幅度。
[0123]
最后，通过卫星将目标信号u发送至接收端。
[0124]
下行链路的仿真方法包括，如图9所示：
[0125]
步骤100、接收端发送控制信号至网关浮标；
[0126]
步骤200、网关浮标将控制信号转发至节点浮标或将控制信号转换为指令信号并发送至水下信号发射端；
[0127]
步骤300、节点浮标接收控制信号并转换为指令信号发送至水下信号发射端；
[0128]
步骤400、水下信号发射端接收指令信号并通过水下信号发射端水声调制解调器分集合并得到执行信号。
[0129]
由于下行链路的仿真方法与上行链路的仿真方法基本类似，因此不再赘述。
[0130]
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。