基于北斗导航系统的水下无线传感器网络网关及通信方法与流程

本发明涉及数据交换技术，尤其是涉及一种基于北斗导航系统的水下无线传感器网络网关及通信方法。

背景技术：

中国是陆地大国，同时也是一个海洋大国，海洋面积居世界前列。一方面，我国的海上石油、天然气资源，潮汐能/风能资源，渔业资源等海洋资源丰富；另一方面，海洋安全是国家安全的重要组成部分与重要保证。因此，有效地开发和保护海洋资源、维护海洋安全具有很高的经济价值和战略意义。

在众多新兴的海洋科技领域中，水下无线传感器网络因近年来在水体污染监控、水下资源勘探、海洋地理气象数据收集、地震/海啸灾难预防、国防安全领域等方面的应用受到日益广泛的关注。例如，在海洋地理数据收集方面，水下无线传感器网络利用水面、水下布放的传感器，协作采集三维海洋地理数据。因此，该技术对沿海地区水文气象数据采集，灾害灾难预报方面有着重要意义。

然而，在远海海上缺乏无线通信运营商的信号覆盖，迫切需要有效的海上通信手段。现在的海洋通信一般使用甚高频(veryhighfrequency，简称vhf)电台，支持单工和双工通信。但是，vhf电台存在最大的问题是通信距离有限，最大通信距离一般不超过30千米，对于浩瀚的海洋来说，通信信号的覆盖范围远远不足，且无法有效的进行海上数据通信。

技术实现要素：

为了解决水下无线传感网络远距离通信能力不足的缺陷，本发明提出一种基于北斗导航系统的水下无线传感器网络网关，这种网关兼具卫星通信能力和水下声通信能力，实现水下无线传感器网络数据与岸基信息数据的远距离有效交换。

一种基于北斗导航系统的水下无线传感器网络网关，该网关包括：

北斗数据收发模块，用于接收北斗导航系统下发的控制命令，并将来自水下无线传感器网络的感知数据按预设格式的数据包分包发送给北斗导航系统；

网络协议栈转换模块，用于在北斗导航系统协议栈与水下无线传感器网络协议栈之间的相互转换处理，将控制命令转换成水下无线传感器网络的数据帧通信格式，将感知数据转换成北斗导航系统的数据帧通信格式；

通信模块，用于与水下无线传感器网络进行通信；

核心控制模块，用于控制北斗数据收发模块、网络协议栈转换模块及通信模块的工作，将控制命令转发给水下无线传感器网络，以及将感知数据发送给北斗导航系统。

预设格式的数据包是由包头、分包编号、总分包数量、起始包标记、结束包标记及数据这6部分组成。

网络服务管理模块包括：网络连接管理单元；与网络连接管理单元相连的网络资源管理单元、异构网络调度单元及异构网络自适应单元。

北斗数据收发模块包括相连的北斗导航系统接口、网络接口控制器和数据压缩处理器，由数据压缩处理器对数值预报产品数据采用huffman算法压缩处理、对ascii码的保障数据采用lzw算法进行压缩处理。

该网关还包括：设置在北斗数据收发模块与网络协议栈转换模块之间的网络服务管理模块，用于优化网关的网络资源，确保网关能够与北斗导航系统之间进行通信。

网络服务管理模块包括：网络连接管理单元；与网络连接管理单元相连的网络资源管理单元、异构网络调度单元及异构网络自适应单元。

相应的，本发明还公开一种基于北斗导航系统的水下无线传感器网络网关的通信方法，该通信方法包括数据发送的处理与数据接收的处理；

其中，数据发送的处理包括：由通信模块接收来自水下传感器网络节点的感知数据，由网络协议栈转换模块将感知数据转换成北斗导航系统的数据帧通信格式，并由北斗数据收发模块按预设格式的数据包将感知数据分包发送给北斗导航系统；

其中，数据接收的处理包括：由北斗数据收发模块接收来自北斗导航系统的控制命令，由网络协议栈转换模块将北斗导航系统的控制命令数据帧转换成水下无线传感器网络的数据帧通信格式，再由通信模块将控制命令转发给水下无线传感器网络。

所述基于北斗导航系统的水下无线传感器网络网关的通信方法还包括优化网关的网络资源配置以确保网关能够与北斗导航系统之间进行通信的步骤。

所述基于北斗导航系统的水下无线传感器网络网关的通信方法还包括：在北斗数据收发模块对感知数据分包处理之前，还包括对数据进行压缩处理的步骤，该压缩处理包括对数值预报产品数据采用huffman算法压缩处理、对ascii码的保障数据采用lzw算法进行压缩处理。

本发明提出的网关具有结构简单、实现容易的优点，克服了水下无线传感器网络远距离通信能力的不足，实现了水下无线传感器网络数据的远距离传输北斗导航系统空间信息技术与分布式水下传感器网络之间协同通信技术相结合，研制兼具卫星通信能力与水下声通信能力的水面网关模块，通过该模块实现水下无线传感器网络数据与岸基信息数据的远距离有效交换。

附图说明

图1是本发明提出的网关的结构示意图；

图2是数据包分包格式的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于北斗导航系统的水下无线传感器网络网关，该网关兼具卫星通信能力和水下声通信能力，实现水下无线传感器网络数据与岸基信息数据的远距离有效交换。

如图1所示，本发明提出的网关包括：核心控制模块10；连接核心控制模块10的存储模块11、通信模块12及网络协议栈转换模块13；以及通过网络服务管理模块14与网络协议栈转换模块13相连的北斗数据收发模块15；为上述各个模块提供电能的能量供应模块16。

北斗数据收发模块15用于与北斗导航系统进行通信。北斗数据收发模块包括相连的北斗导航系统接口、网络接口控制器和数据压缩处理器，由数据压缩处理器对数值预报产品数据采用huffman算法压缩、ascii码的保障数据采用lzw算法进行压缩。由于数据压缩处理器对于各种报文数据采用无损压缩，不但可以降低通信数据数量，降低通信费用，而且可以提高通信效率，缩短通信时间。当然，该网关中还可以包括支持其他网络的收发模块，以解决现有单一制式网关对其他系统不兼容的缺点，更好的实现水下无线网络数据与岸基信息数据的远距离有效交换。

另外，北斗导航系统的报文长度有一定的限制，该系统每次数据通信的长度为98个字节，如通信数据数量如果超过最大报文长度，必须分包进行发送，从而解决现有卫星导航系统的数据通信协议只支持短报文传输的缺点。其中，北斗数据收发模块15对长报文数据进行分包格式如图2所示，该分包结构包括包头、分包编号、总分包数量、起始包标记、结束包标记及数据这6部分组成。

网络服务管理模块14包括：网络连接管理单元；与网络连接管理单元相连的网络资源管理单元、异构网络调度单元及异构网络自适应单元。网络服务管理模块14在于优化网关的网络资源，确保网关能够与北斗导航系统之间进行通信。其中，网络连接管理单元以生物影响、网络吞吐量和节点能量消耗等参数为评价指标，采用博弈论、与认知环境下的信道建模相结合的方法，建立双模式、多用户、多信道的网络最大化(num)系统优化信道接入模型；建立多系统接入博弈模型和生物节点行为预测模型，并建立水下网络时空不确定模型。网络资源管理单元利用上述网络效用最大化理论模型，设计多目标效用函数，结合方向性水声modem传输等特性和基于博弈的功率控制算法。运用博弈论设计分布式信道分配算法；以基于时隙预约方式的多址接入协议为基础，通过节点间交换控制包获取可用信道信息，求解多节点最优接入与最优功率分配的博弈问题，提出适用于水下认知网络的多信道接入机制。

网络协议栈转换模块13用于实现北斗导航系统协议栈与水下无线传感器网络协议栈之间的相互转换处理，处理过程包括对与北斗导航系统、vhf等网络协议栈的对接与融合、逐层数据格式转换、业务数据区分、数据封装与数据解析的处理操作。

通信模块12用于实现网关与水下无线传感器网络进行通信。通信模块12主要包括射频电路及与之相连的高频全向天线。

核心控制模块11是网关的调度中心，实现水下无线传感器网络任务的全局处理、数据融合和信息提取，完成北斗与水下无线传感器网络资源管理、连接管理及自适应切换。该核心控制模块11主要包括中央控制装置(比如单片机)、控制系统时钟及设备接口，该设备接口为与其它类型网络(例如vhf网络)接入所预留以便于进一步的开发。

能量供应模块16主要包括能量获取装置及能量存储装置，为网关的各个模块提供必要的电力供应。

本发明提出的网关，其工作原理如下：

1.网关进行数据发送的过程如下：由通信模块12接收来自水下传感器网络节点的感知数据，通过核心控制模块10将接收的感知数据缓存到存储模块11，接着核心控制模块10将存储模块11存储的感知数据转发给网络协议栈转换模块13，由网络协议栈转换模块13把感知数据转换成北斗导航系统的数据帧通信格式，再通过核心控制模块10控制北斗数据收发模块将感知数据进行发送。

2.网关进行数据接收的过程如下：北斗数据收发模块15接收来自北斗导航系统的控制命令，通过核心控制模块10将控制命令的数据包缓存到存储模块11，接着核心控制模块10将存储模块11存储的控制命令数据包转发给网络议栈转换模块14，由网络议栈转换模块14把北斗导航系统的控制命令数据帧转换成水下无线传感器网络的数据帧通信格式，再通过核心控制模块10控制通信模块12将控制命令转发给水下无线传感器网络。

综上，本发明提出的网关具有结构简单、实现容易的优点，克服了水下无线传感器网络远距离通信能力的不足，实现了水下无线传感器网络数据的远距离传输北斗导航系统空间信息技术与分布式水下传感器网络之间协同通信技术相结合，研制兼具卫星通信能力与水下声通信能力的水面网关模块，通过该模块实现水下无线传感器网络数据与岸基信息数据的远距离有效交换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。