本发明属于通信
技术领域：
，具体地说，是涉及一种自适应光声切换的水下无线通信方法及系统。
背景技术：
：水下声通信是目前最为成熟的水下无线通信技术，但声波在水中传输速率仅为1.5×103米/秒，与光在水中传播速率（3×108米/秒）相差5个数量级。同时军事声呐等不断加剧的海洋噪声正在严重影响着海豚、鲸等海洋哺乳动物的生活，甚至致其听力丧失或死亡。虽然水声通信传播延迟大、通信带宽低、多径效应严重、影响海洋生态，但其最大优势是可实现较远传输距离。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，为解决长期水下目标探测、通信等关键难题奠定了坚实基础。无线光通信以高速率、低功耗、较小尺寸和保密性好而著称。虽然无线光通信在速率、功耗、体积等方面有一定优势，然而其通信距离短的缺点制约了光通信在水下无线传感网领域进一步发展。技术实现要素：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种自适应光声切换的水下无线通信方法，可以根据通信信道状况自适应选择通信模式；一种自适应光声切换的水下无线通信方法，具有位于水下的多个通信节点，包括以下步骤：首先检测两个通信节点间的信道信噪比；根据所述信道信噪比，选择采用固定的声通信模式或者不同的光通信模式作为上述两个通信节点间的约定通信模式；根据所述约定通信模式，执行两个通信节点间的数据传输。本技术方案的有益效果是根据通信信道状况自适应选择通信模式（光通信或声通信），以适应不同水下环境的通信需求以提高水下无线传输的效率。进一步的，所述信道信噪比越高，选择采用通信速率越高的光通信模式；信道信噪比越低，选择采用通信速率越低的光通信模式或固定的声通信模式；通过采用不同的信道编码调制方法得到不同通信速率的光通信模式，其有益效果是根据通信信道状况自适应选择通信模式（光通信或声通信）和编码调制策略（不同编码调制模式对应不同通信速率），以适应不同水下环境的通信需求以提高水下无线传输的效率。进一步的，检测两个通信节点间的信道信噪比的具体方法是：第一节点向第二节点通过声通信模式发送请求发送信号，第二节点接收所述请求发送信号，并向其余节点发送清除发送信号；用于停止其余节点向第二节点发送请求信号；第一节点向第二节点通过光通信模式发送检测信号，第二节点接收所述检测信号，解析得到信道信噪比，其有益效果是首先采用声通讯模式发送请求发送信号，可以确保请求发送信号到达目的节点，具体而言就是第二节点，在第二节点接收到以后，第一节点以光通信模式发送检测信号，可以检测当前的通信信道，在这种声通信模式+光通信模式的传输下，高效得检测通信信道的环境。进一步的，两个通信节点间每传输固定数量的数据后，再次检测所述两个通信节点间的信道信噪比，根据信道信噪比重新确立约定通信模式，并执行数据传输，其有益效果是可以根据环境的改变，实时变换传输策略，高效高质得传输数据。进一步的，当所述两个通信节点间的数据传输完毕后，第一节点或第二节点向其余节点发送完毕信号，作为一次数据传输完毕的标志，其有益效果是可以向外界发送完毕信号，有效通知外界目前传输数据的状态，作为进行下一步工作的基础。本发明还提供了一种基于上述方法的自适应光声切换的水下无线通信系统，包括处理器、声通信发射机、声通信接收机、光通信发射机、光通信接收机和电源电路；所述处理器生成待发射的命令信号或通信数据，通过声通信发射机或光通信发射机转换为声信号或光信号向外发射，所述命令信号包括数据传输请求信号、信道信噪比检测信号、数据接收暂停信号或数据传输完毕信号；所述声通信接收机或光通信接收机，接收声信号或光信号并转化为电信号，并发送至处理器，处理器解析所述电信号为命令信号或通信数据，若为命令信号则执行相应命令。进一步的，所述声通信发射机包括声发射换能器和声发射电路；声通信接收机包括声接收换能器和声接收电路；所述声发射电路接收处理器生成的命令信号或通信数据，对其进行编码调制，然后发送至声发射换能器转换为声信号进行发射；所述声接收换能器接收声信号并将其转换为电信号，发送至声接收电路，声接收电路对所述电信号译码解调，然后发送至处理器。进一步的，所述声发射电路包括TURBO编码电路和PSK调制电路，TURBO编码电路与PSK调制电路相连；所述声接收电路包括TURBO译码电路和PSK解调电路，TURBO译码电路与PSK解调电路相连。该技术方案的有益效果是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。声通信工作模式选择PSK调制+TURBO信道编码，系统传输速率可达8kbps，通信距离超过100米。进一步的，所述光通信发射机包括光编码电路、光调制器和光发送器；光通信接收机包括光译码电路、光解调器和光接收器；所述光编码电路接收处理器生成的命令信号或通信数据，对其进行交织编码，然后发送至光调制器进行调制，经调制后的信号发送至光发送器进行发射；所述光接收器接收光信号并将其转换为电信号，发送至光解调器，光解调器对所述电信号进行解交织解调，经解交织解调后的信号再发送至光译码电路进行译码，经译码后的信号发送至处理器。进一步的，所述光调制器至少包括QAM+OFDM调制电路、PPM调制电路或OOK调制电路中的一种；所述光解调器至少包括QAM+OFDM解调电路、PPM解调电路或OOK解调电路中的一种。当采用高速光通信模式时，光调制器采用QAM+OFDM调制电路，其有益效果是综合考虑系统实现难度以及硬件资源消耗情况，系统传输速率可达10Mbps，通信距离可达30米。当采用中速光通信模式时，光调制器采用PPM调制电路，其有益效果是具有能量传输效率高、抗干扰能力强等特点，利用PPM调制可降低平均发射功率。系统传输速率可达1M-2Mbps，通信距离可达到30-60米。当采用低速光通信模式时，光调制器采用OOK调制电路，其有益效果是可以实现简单、技术成熟，比较适合于低信噪比和较低速率的场合。系统传输速率可达100kbps，通信距离达60-100米。进一步的，所述光编码电路为RS编码电路，所述光译码电路为RS译码电路。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的自适应光声切换的水下无线通信方法，根据通信信道状况自适应选择通信模式（光通信或声通信）和编码调制策略（不同编码调制模式对应不同通信速率），以适应不同水下环境的通信需求以提高水下无线传输的效率。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信方法的一种实施例流程图；图2是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中系统结构图；图3是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中高速光通信模式发射原理方框图；图4是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中中速光通信模式发射原理方框图；图5是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中低速光通信模式发射原理方框图；图6是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中高速光通信模式接收原理方框图；图7是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中中速光通信模式接收原理方框图；图8是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中低速光通信模式接收原理方框图；图9是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中声通信模式发射原理方框图；图10是本发明提出的自适应光声切换的水下无线通信节点装置的一种实施例中声通信模式接收原理方框图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。实施例一水下通信时，一般需要布设两个或以上的通信节点进行信号传输，任一通信节点既可作为发射端，也可作为接收端，本方法以任意两个节点之间通信为例详细说明本自适应光声切换的水下无线通信方法。本实施例提出了一种自适应光声切换的水下无线通信方法，如图1所示，包括以下步骤：S1、第一节点采用水下声通信模式向第二节点发送请求信号；虽然声波在水中的传输速率很低，但是其具有传输稳定性好，传输距离远的优点，由于请求信号数据量很小，且声通信较光通信更稳定，优选采用声通信模式进行远距离稳定传输。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、第一节点以低速光通信编码调制模式向第二节点发送测试信道信噪比的导频信号；由于本发明根据光通信时的信道状况选择不同的光通信编码调制方式，因此，本实施例中首先采用低速光通信模式由发射端向接收端发送导频信号，以测试接收端的信噪比，信噪比越高，表明通信质量越高。S4、第二节点同样以低速光通信编码调制模式接收第一节点发送的导频信号，测得该节点处的导频信号信噪比SNR；S5、第二节点以接收端接收信号的信噪比SNR值作为判断条件，将其与信噪比阈值相比较，划分为四个区间，根据第二节点接收信噪比SNR选择合适的信号编码调制方式。S6、第二节点以声通信模式将所选择的信号编码调制方式发送给第一节点；同样道理的，声波具有在水中传输稳定性好，传输距离远的优点，由于所选择的信号编码调制方式信号的数据量很小，优选采用声通信模式进行远距离稳定传输。S7、第一节点以声通信模式接收到所选择的信号编码调制方式后与第二节点一同调整自身编码调制模式，开始有效数据传输。步骤S5中预设有至少三个信噪比阈值SNR1，SNR2，SNR3，且SNR1＞SNR2＞SNR3，若检测到导频信号信噪比SNR大于等于SNR1，将选择高速光通信编码调制模式；若检测到导频信噪比大于等于SNR2且小于SNR1，将选择中速光通信编码调制模式；若检测到导频信噪比大于等于SNR3且小于SNR2，将选择低速光通信编码调制模式；若检测到导频信噪比低于SNR3，将选择声通信的编码调制模式。本实施例的自适应光声切换的水下无线通信方法，根据通信信道状况自适应选择通信模式（光通信或声通信）和编码调制策略（不同编码调制模式对应不同通信速率），以适应不同水下环境的通信需求，提高水下无线传输的效率。根据水下通信信道状况，接收信噪比由高至低依次分为4个等级，每个等级对应一定范围的信噪比值。当接收信噪比为第四等级（最差信噪比等级）时，表明水下信道传输距离或信道状况不足以支持光通信，此时应采用声通信；当接收信噪比为第一二三等级时，采用光通信。发送接收节点每发送一帧数量的数据就根据实时接收信噪比等级自适应调整信道编码和调制方式。在步骤S7之后，还包括：S8、每传输固定数量的数据帧便再次进行信道状态测试，将测试到的信噪比分别与所述三个信噪比阈值进行比较，根据比较结果重新选择信号编码调制方式，相应切换信号编码调制方式以调整传输速率。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，以相适应调整信号编码调制方式，以保证通信质量，减小信号传输的误码率。作为一个优选的实施例，步骤S5中高速光通信编码调制模式采用OFDM+QAM调制，RS信道编码；中速光通信编码调制模式采用PPM调制，RS信道编码；低速光通信编码调制模式采用OOK调制，RS信道编码；声通信的编码调制模式采用PSK调制，Turbo编码。如表1所示，给出声光融合水下无线传感网在声、光两种通信媒介下规划的四种通信模式编码调制方案。高速光通信中速光通信低速光通信声通信信道编码方式RS码RS码RS码TURBO码调制方式OFDM+QAM调制PPM调制OOK调制PSK调制通信距离0-30米30-60米60-100米>100米传输速率约10Mbps约1-2Mbps约100kbps约8kbps表1其中，1）高速光通信编码调制模式QAM（QuadratureAmplitudeModulation,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。水下无线高速通信时码元持续时间短、码间干扰严重，而OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM），即正交频分复用技术，使用并行传输可在相同数据率条件下增大码元持续时间并使用循环前缀，在接收端通过简单一阶频域信道均衡即可实现无码间干扰接收，因此高速光通信模式选用OFDM+QAM技术充分发挥彼此优势。RS码（Reed-Solomoncodes,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。综合考虑系统实现难度以及硬件资源消耗情况,高速光通信模式选择OFDM和QAM调制+RS信道编码方式。系统传输速率可达10Mbps，通信距离可达30米。2）中速光通信编码调制模式PPM调制(PulsePositionModulation,PPM）具有能量传输效率高、抗干扰能力强等特点，利用PPM调制可降低平均发射功率。中速光通信模式选择PPM调制+RS信道编码，系统传输速率可达1M-2Mbps，通信距离可达到30-60米。3）低速光通信编码调制模式OOK调制(On-OffKeying,OOK)实现简单、技术成熟，比较适合于低信噪比和较低速率的场合。低速光通信模式选择OOK调制+RS信道编码方案。系统传输速率可达100kbps，通信距离达60-100米。4）声通信工作模式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。声通信工作模式选择PSK调制+TURBO信道编码，系统传输速率可达8kbps，通信距离超过100米。步骤S8之后，还包括：S9、当第一节点中数据包的所有数据帧发送完毕，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。本申请的另一种典型的实施方式中，一种基于自适应光声切换的水下无线通信节点装置，如图2所示，包括核心处理器、水声发送换能器、水声接收换能器、声发射处理电路、声接收处理电路、光发送器、光接收器、光调制器、光解调器、光编码电路、光译码电路以及电源管理电路，所述水声发送换能器、声发射处理电路组成声通信模式发射机；所述水声接收换能器、声接收处理电路组成声通信模式接收机；所述光编码电路、光调制器、光发送器组成光发送电路，所述光译码电路、光解调器、光接收器组成光接收电路，两个无线通信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、第二节点采用声通信模式收到来自第一节点的请求信号后，向水下其他所有节点通过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、第一节点以通过光发送电路的低速光通信编码调制模式向第二节点发送测试信道信噪比的导频信号；S4、第二节点以光接收电路的低速光通信编码解调模式接收第一节点发送的导频信号，测得该第二节点处的信噪比SNR；S5、第二节点根据测试的信噪比SNR，将其与预设三个信噪比阈值比较，从高速光通信编码调制模式、中速光通信编码调制模式、低速光通信编码调制模式以及声通信模式中选择相应的信号编码调制方式；S6、第二节点采用声通信模式将所选择的信号编码调制方式发送给第一节点；S7、第一节点接收到所选择的信号编码调制方式后调整自身编码调制模式，选择该信号编码调制方式相对应的电路开始有效数据传输。如图2所示，光调制器包括高速光调制器、中速光调制器、低速光调制器，光解调器包括高速光解调器、中速光解调器、低速光解调器，光编码电路为RS编码电路，光译码电路为RS译码电路，如图3所示，高速光调制器包括QAM调制电路、OFDM调制电路，当采用高速光通信编码调制模式发射信号时，核心处理器产生电信号经RS编码电路进行RS编码后发送至交织电路进行交织，然后发送至QAM调制电路和OFDM调制电路分别进行QAM调制和OFDM调制后，发送至光源驱动电路驱动光发送器产生光信号并进行发射；QAM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。水下无线高速通信时码元持续时间短、码间干扰严重，而OFDM使用并行传输可在相同数据率条件下增大码元持续时间并使用循环前缀，在接收端通过简单一阶频域信道均衡即可实现无码间干扰接收，因此高速光通信模式选用OFDM+QAM技术充分发挥彼此优势。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,高速光通信模式选择OFDM和QAM调制+RS信道编码方式。系统传输速率可达1Mbps，通信距离可达5米。当采用上述电路结构的高速调制器时，如图6所示，相应的高速光解调器包括OFDM解调电路、QAM解调电路，当采用高速光通信编码调制模式接收信号时，光接收器接收高速光信号后进入光电检测器进行光电转换，生成电信号依次进入所述OFDM解调电路和解交织电路进行OFDM解调和解交织，然后发送至所述RS译码电路进行RS译码，译码后的信号发送至所述核心处理器；如图4所示，本实施例中的中速光调制器包括PPM调制电路，当采用中速光通信编码调制模式发射信号时，核心处理器产生电信号经所述RS编码电路进行RS编码后发送至交织电路进行交织，然后发送至所述PPM调制电路进行PPM调制后，发送至所述光源驱动电路驱动所述光发送器产生光信号并进行发射；PPM调制具有能量传输效率高、抗干扰能力强等特点，利用PPM调制可降低平均发射功率。中速光通信模式选择PPM调制+RS信道编码，系统传输速率可达100kbps，通信距离可达到5-20米。当采用上述电路结构形式的中速光解调器时，如图7所示，相应的中速光解调器包括PPM解调电路，当采用中速光通信编码调制模式接收信号时，光接收器接收中速光信号后进入光电检测器进行光电转换，生成电信号进入PPM解调电路和解交织电路进行PPM解调和解交织，然后发送至RS译码电路进行RS译码，译码后的信号发送至核心处理器；如图5所示，低速光调制器包括OOK调制电路，当采用低速光通信编码调制模式发射信号时，核心处理器产生电信号经RS编码电路进行RS编码后发送至交织电路进行交织，然后发送至OOK调制电路进行OOK调制后，发送至光源驱动电路驱动所述光发送器产生光信号并进行发射；OOK调制易于实现、技术成熟，比较适合于低信噪比和较低速率的场合。低速光通信模式选择OOK调制+RS信道编码方案。系统传输速率可达10kbps，通信距离达20-50米。相应的，如图8所示，低速光解调器包括OOK解调电路，当采用低速光通信编码调制模式接收信号时，所述光接收器接收低速光信号后进入所述光电检测器进行光电转换后，生成电信号进入所述OOK解调电路和解交织电路进行OOK解调和解交织，然后发送至RS译码电路进行RS译码，译码后的信号发送至所述核心处理器；如图9所示，声发射处理电路包括TURBO编码电路、PSK调制电路，当采用声通信模式发送信号时，核心处理器产生电信号经TURBO编码电路进行TURBO编码后发送至PSK调制电路进行PSK调制后，发送至水声发送换能器驱动产生声信号并进行发射；如图10所示，声接收处理电路包括PSK解调电路以及TURBO译码电路，接收的声信号经所述水声接收换能器进行转换后，生成电信号发送至所述PSK解调电路进行PSK解调，然后发送至TURBO译码电路进行TURBO译码，译码后的信号发送至所述核心处理器。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。声通信工作模式选择PSK调制+TURBO信道编码，系统传输速率可达4kbps，通信距离超过50米。本实施例的自适应光声切换的水下无线通信节点装置，根据通信信道状况及需要传送的数据类型和数据量自适应选择相应的通信电路，因此可以选择相应的通信模式（光通信或声通信）和编码调制策略（不同编码调制模式对应不同通信速率），以适应不同水下环境的通信需求，提高水下无线传输的效率。根据水下通信信道状况，接收信噪比由高至低依次分为4个等级，每个等级对应一定范围的信噪比值。当接收信噪比为第四等级（最差信噪比等级）时，表明水下信道传输距离或信道状况不足以支持光通信，此时应采用声通信；当接收信噪比为第一二三等级时，采用光通信。发送接收节点每发送一帧数量的数据就根据实时接收信噪比等级自适应调整信道编码和调制方式。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页1 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