一种基于BICM的通信方法及系统与流程

本发明涉及声通信技术领域，特别涉及一种基于bicm的通信方法及系统。

背景技术：

依据《国家级海洋牧场示范区建设规划(2017-2025年)》，福建省共规划建设9个国家级海洋牧场示范区。为实现渔业可持续健康发展，推动福建省海洋牧场建设和管理科学化、规范化，现代化海洋牧场建设应该在智能化方面有所体现。智能化就是对海域生态环境进行智能感知，有助于海洋牧场的管理运营。构建“人工智能+物联网+生态牧场”的智能化生产体系，实现牧场信息化管理，对海洋牧场的全方位监控是基础。那么，如何利用现代海洋工程技术，对鱼类的水下活动状态、自然生态的水下修复效果、人工鱼礁的抛设后评估和海洋牧场水质状况等情况进行监控，就是眼前海洋牧场必须解决的问题。就目前的现代海洋技术而言，采用水下机器人辅助进行水下监控就是解决方案之一。海洋环境恶劣危险，潜水员的潜水深度和作业时间有限，水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业。此外，水下机器人上可以配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置，能提供实时视频、声呐图像，机械臂能抓起重物等，因此水下机器人已成为开发海洋的重要工具。水下机器人主要有两种：有缆遥控和无缆遥控。

迄今为止，国内外已开发出各种水下机器人用于海洋牧场的智能感知，它们在尺寸、功率和操纵性各不相同。由于应用的广泛性，已经出现了一种趋向于更小、更简单和更便宜的趋势。微型水下机器人在许多军事和民用应用中越来越普遍，如环境监测和港口安全。由于它们体积小，重量轻(<10千克)，因此易于部署，而且比大型传统系统更具成本效益和时间效益。

这种微型水下机器人的主要操作限制是遥控电缆，传统上用于供电和通信。这种电缆连接限制了微型水下机器人在强流或潮汐中的灵活性，并可能与海洋牧场中复杂结构纠缠在一起。因此，有缆遥控的局限性使其不能广泛用用海洋牧场智能化应用。例如海洋牧场中的人工鱼礁拍摄等例子表明了无缆遥控操作的要求。有缆的局限性促进了自主水下航行器的使用，自主水下航行器能独立于水面平台运行。但是，由于现有的海底通信技术的数据传输率有限，水面上通常获得的反馈信息最小，它限制了操作员在部署过程中进行干预的能力，并且需要准确的任务规划以确保成功运行。由于海水的导电性，电磁波在海水中传播衰减极大，频率越高衰减越大。因此，针对海水无缆通讯主要研究领域集中在以下三个方面：磁感应、光学和声学。

1.磁感应通信

磁感应(magnetoinductive，mi)通信不同于射频通信，因为能量被限制在非传播磁场中，而不是辐射到远场电磁信号中。这种技术也被称为“近场”通信。磁感应(mi)信号是一个交流磁偶极子场，几乎没有电场。由于使用的频率极低，电场受到抑制，因此，多匝线圈天线具有非常低的辐射电阻，并产生最小的电磁信号。由于线圈产生的电场不足，磁信号可以认为是非传播的。在导电介质(如盐水)中，这可以描述为扩散场。在许多磁感应应用中突出的一个主要优势是通信链路的隐蔽性或安全性。磁场的非传播特性限制了询问的范围，从而减少了从工作磁场以外的不必要的检测。另一个由mi信号的非传播特性引起的固有特性是不会有延迟的多径到达和随后的衰落。这些优势最终简化了接收器的总体设计。

对于接收器和发送器，通过增大线圈的尺寸或增加圈数，产生的磁场和接收器的灵敏度将增大，从而实现改进的范围。应该注意的是，在大多数应用中都有一个最佳点，随着匝数的增加，不仅会造成铜损耗和芯损耗，而且由于铜绕组重量的增加，同样具有实际工程意义。此外，在发送器处，通过线圈增加电流可以产生更大的磁场。然而，功率损耗和核心损耗都会再次产生影响，从而降低整个系统的效率。

在整个系统的尺寸、重量和功率需求之间，磁感应系统的折衷是显而易见的。当应用于微型水下机器人，为确保足够操作范围所需天线的尺寸和重量将严重限制微型水下机器人的移动。此外，由于没有使用电缆，所有系统都将由便携式电源供电，部署时间和传输功率之间将需要进行折衷。因此，磁感应系统通常被认为不适用于在微型水下机器人平台上进行部署。

2.光通信

近十年来，水下通信的光通信已经得到了广泛的研究。利用半透明海水作为光传输介质，光可以以类似于固定光纤链路的方式从发送器传播到接收器。由于建造可靠收发装置对所需组件的成本降低，光通信的发展出现了很大的增长。为了有效地产生窄光束，需要高质量的发光二极管(led)或激光二极管。同样，为了确保接收器的信噪比良好，通常使用雪崩二极管或光电倍增管(pmt)。

由于海水的浑浊度变化，光通信链路的实际应用范围往往受到限制。在水质良好的深海中，杂质引起的光散射和扩散最小，可以在几百米的范围内运行。然而，在存在更大悬浮颗粒含量的浅水海域中，会发生透射光束的极端变形，导致工作范围显著减小。定向光源和接收器也给光通信系统的设置和操作带来困难。错位会产生灾难性的影响。因此，小的移动很容易导致数据包丢失。光通信系统的特殊性质，需要直接视线(los)才能进行可行的操作，任何光线的阴影或遮蔽都会立即中断通信。已经进行了一些初步的研究，探索了光在地表的反射，以便在岩层或其他海底障碍物上进行通信。然而，到目前为止，研究结果很少，而且这种系统的实际实用性尚未得到证实。

尽管水下光学通信系统的传输范围有限(特别是在浑水中)，但在需要非常短距离(<50米)高数据速率链路的应用中显示出了优势。一个典型的例子是上传来自水下机器人的传感器读数，不需要地面或机械对接。在这个应用中，高吞吐量链路使水下机器人的停机时间最小。由于光学通信的特性，为保证数据传输需要较短的传输距离，并且水下机器人必须在靠近接收器的位置保持静止。

3.声通信

几十年来，声学通信已被选定为能够通过水下通道可靠地传输信息。声波在水中长距离传播的能力，使它比光技术和感应技术表现的更为理想。一系列的研究已经证明了声学通信技术在数公里的数据传输中的应用能力。然而，应该注意的是，吸收损耗是声通道频率的函数。因此，远程声学通信的可用频谱通常很低，大约为5到10khz。

与光学技术相比，由于水的浑浊度，声传输所引起的退化最小。这种不正常传播通常由悬浮沉积物或散布的颗粒造成的。因此，在混浊水和清水中获得的结果是可比较的，这使得该技术适用于深海或浅水等多种操作环境。此外，声学信号的全方位辐射显著降低了配置和跟踪点到点链路所需的复杂性。不使用定向传感器，使通信链路的两端可以在水柱内自由定位。在海洋牧场的应用中，这一属性非常重要，因为水下机器人的运动会使定向链路的跟踪和对准几乎不可能。水和空气以及水和岩石之间的声阻抗存在严重差异，这使得在没有严重信号功率损失的情况下，很难通过通道边界传输声信号。因此，为了确保可靠的水下通信，声信号的产生和检测应该发生在水面以下，而不是通道边界以外。

目前，在水下声学通信已经在有效信息吞吐量和操作范围方面有了很大突破。多种自适应滤波技术与分集阵列接收机相结合，成功地消除了时变多径信道的影响。尽管有了这些改进，但很少研究集中在开发一种可靠的、低成本、高数据速率的水下声学通讯调制解调器上，该调制解调器适合部署在微型水下机器人平台上。目前，关键限制因素抑制在微型水下机器人场景中使用传统的接收器结构是大型多通道接收器结构的物理尺寸和高成本。然而，最近迭代turbo编码领域的发展重新促进了对单一单元接收器使用的研究。作为一种高频谱效率的传输方案，比特交织编码调制(bit-interleavedcodedmodulation，bicm)系统被广泛应用于现代无线通信系统中。相比turbo编码需要两个软输入输出(siso)，bicm只需要一个siso。因此，bicm具有实现复杂度较低，结构简单灵活等特点。

为便于海洋牧场智能化感知操作，能高速率进行数据传输的无缆通信链路是必需的。这样操作人员能够实时得到传感器信息，如视频或海底人工鱼礁声纳图像，因此需要一种能够在环境复杂的海洋牧场中实现短距离的无缆通信，且通信速率高的通信方法及系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于bicm的通信方法及系统，能够在环境复杂的海洋牧场中实现短距离的无缆通信，且通信速率高。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：

一种基于bicm的通信方法，包括步骤：

s1、发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；

s2、发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；

s3、接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：

一种基于bicm的通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括第一存储器、第一处理器及存储在第一存储器上并可在第一处理器上运行的第一计算机程序，所述接收端包括第二存储器、第二处理器及存储在第二存储器上并可在第二处理器上运行的第二计算机程序，所述第一处理器执行所述第一计算机程序时实现以下步骤：

s1、发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；

s2、发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；

s3、接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息。

本发明的有益效果在于：通过发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息，从而为海洋牧场智能化提供水下监控数据支撑，通过bicm技术对第一信号进行编码，实现在环境复杂的海洋牧场中实现短距离的无缆通信，且通信速率高。

附图说明

图1为本发明实施例的基于bicm的通信方法流程图；

图2为本发明实施例的基于bicm的通信系统的结构示意图；

标号说明：

1、基于bicm的通信系统；2、发送端；3、接收端；4、第一存储器；5、第一处理器；6、第二存储器；7、第二处理器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，一种基于bicm的通信方法，包括步骤：

s1、发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；

s2、发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；

s3、接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息，从而为海洋牧场智能化提供水下监控数据支撑，通过bicm技术对第一信号进行编码，在环境复杂的海洋牧场中实现短距离的无缆通信，且通信速率高。

进一步的，步骤s1具体为：

发送端通过水下机器人的摄像头获取视频图像信息，并通过预设的电路将所述视频图像信息转换为电信号。

由上述描述可知，通过水下机器人的摄像头获取视频图像信息，并通过预设的电路将所述视频图像信息转换为电信号，便于后续对所述电信号进行编码提高数据传输效率。

进一步的，步骤s2具体为：

发送端通过bicm和amc对所述电信号进行编码，并将编码后的电信号转换为声信号，发送所述声信号至接收端。

由上述描述可知，通过bicm和amc对所述电信号进行编码，并将编码后的电信号转换为声信号，发送所述声信号至接收端，不仅保证了链路的传输质量还提高了数据传输效率。

进一步的，步骤s2还包括：

设置声信号的频率为50kh。

由上述描述可知，通过设置声信号的频率为50kh，利用带宽增加了数据传输速率。

进一步的，步骤s3具体为：

接收端接收所述声信号并通过解码器进行解码，得到还原后的视频图像信息。

由上述描述可知，通过接收所述声信号并通过解码器进行解码，得到还原后的视频图像信息，提高了系统的稳定性。

请参照图2,，一种基于bicm的通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括第一存储器、第一处理器及存储在第一存储器上并可在第一处理器上运行的第一计算机程序，所述接收端包括第二存储器、第二处理器及存储在第二存储器上并可在第二处理器上运行的第二计算机程序，所述第一处理器执行所述第一计算机程序时实现以下步骤：

s1、发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；

s2、发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；

s3、接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息，从而为海洋牧场智能化提供水下监控数据支撑，通过bicm技术对第一信号进行编码，在环境复杂的海洋牧场中实现短距离的无缆通信，且通信速率高。

进一步的，步骤s1具体为：

发送端通过水下机器人的摄像头获取视频图像信息，并通过预设的电路将所述视频图像信息转换为电信号。

由上述描述可知，通过水下机器人的摄像头获取视频图像信息，并通过预设的电路将所述视频图像信息转换为电信号，便于后续对所述电信号进行编码提高数据传输效率。

进一步的，步骤s2具体为：

发送端通过bicm和amc对所述电信号进行编码，并将编码后的电信号转换为声信号，发送所述声信号至接收端。

由上述描述可知，通过bicm和amc对所述电信号进行编码，并将编码后的电信号转换为声信号，发送所述声信号至接收端，不仅保证了链路的传输质量还提高了数据传输效率。

进一步的，步骤s2还包括：

设置声信号的频率为50kh。

由上述描述可知，通过设置声信号的频率为50kh，利用带宽增加了数据传输速率。

进一步的，步骤s3具体为：

接收端接收所述声信号并通过解码器进行解码，得到还原后的视频图像信息。

由上述描述可知，通过接收所述声信号并通过解码器进行解码，得到还原后的视频图像信息，提高了系统的稳定性。

实施例一

请参照图1，一种基于bicm的通信方法，包括步骤：

s1、发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；

步骤s1具体为：

发送端通过水下机器人的摄像头获取视频图像信息，并通过预设的电路将所述视频图像信息转换为电信号；

s2、发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；

步骤s2具体为：

发送端通过bicm和amc对所述电信号进行编码，并将编码后的电信号转换为声信号，发送所述声信号至接收端；

步骤s2还包括：

设置声信号的频率为50kh；

s3、接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息；

步骤s3具体为：

接收端接收所述声信号并通过解码器进行解码，得到还原后的视频图像信息。

实施例二

请参照图2，一种基于bicm的通信系统1，包括发送端2和接收端3，所述发送端2包括第一存储器4、第一处理器5及存储在第一存储器4上并可在第一处理器5上运行的第一计算机程序，所述接收端3包括第二存储器6、第二处理器7及存储在第二存储器6上并可在第二处理器7上运行的第二计算机程序，所述第一处理器5执行所述第一计算机程序时实现以下步骤：

s1、通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；

步骤s1具体为：

通过水下机器人的摄像头获取视频图像信息，并通过预设的电路将所述视频图像信息转换为电信号；

s2、通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；

步骤s2具体为：

通过bicm和amc对所述电信号进行编码，并将编码后的电信号转换为声信号，发送所述声信号至接收端；

步骤s2还包括：

设置声信号的频率为50kh；

所述第二处理器7执行所述第二计算机程序时实现以下步骤：

s3、接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息；

步骤s3具体为：

接收所述声信号并通过解码器进行解码，得到还原后的视频图像信息。

综上所述，本发明提供的一种基于bicm的通信方法及系统，通过发送端通过摄像头获取视频图像信息，并将所述视频图像信息转换为第一信号；发送端通过bicm对所述第一信号进行编码，并将编码后的第一信号转换为第二信号，发送所述第二信号至接收端；接收端接收所述第二信号进行解码，得到还原后的视频图像信息，从而为海洋牧场智能化提供水下监控数据支撑，通过bicm技术对第一信号进行编码，在环境复杂的海洋牧场中实现短距离的无缆通信，且通信速率高，通过水下机器人的摄像头获取视频图像信息，并通过预设的电路将所述视频图像信息转换为电信号，便于后续对所述电信号进行编码提高数据传输效率，通过bicm和amc对所述电信号进行编码，并将编码后的电信号转换为声信号，发送所述声信号至接收端，不仅保证了链路的传输质量还提高了数据传输效率，通过设置声信号的频率为50kh，利用带宽增加了数据传输速率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。