一种水下数据传输系统的制作方法

本发明涉及水下通信技术领域，尤其涉及一种水下数据传输系统。

背景技术：

当今世界通信业迅速发展，通信技术广泛应用在海、陆、空三大领域，陆上以及空中的通信发展较为成熟，而由于水下的通信环境较为恶劣，水下通信技术存在诸多挑战，因此还有很大的发展空间。地球表面70.8％被水体所覆盖，由于海洋中蕴藏着丰富的资源，对海洋资源的开发极大的促进了水下无线通信技术的发展。水下无线通信技术可用于资源探测、环境监管以及辅助导航等方面，对加强海洋生态环境监测、海洋能源利用发展与海洋科学研究具有重要意义。

目前常用的水下无线通信技术主要为水声通信，其发展较为成熟。在水声通信网中，节点随机分布在大范围的海域中，能够实现大范围面积的信息采集，但是，由于声波在水中的传播速度仅有1500m/s，并且数据传输速率限制在几十kbps之内，因此，无法满足大容量的数据传输需求。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种水下数据传输系统，用以满足水下大数据量的数据传输需求。

本发明实施例提供的水下数据传输系统，包括网关节点、水下监测节点和水下通信节点，所述网关节点、水下监测节点和水下通信节点均搭载有水声通信机和水下光通信机；其中：

所述水下监测节点，用于在需要发送监测数据时，通过所述水声通信机向所述水下通信节点发送第一定位导航引导信息，所述第一定位导航引导信息为所述水下监测节点根据自身的位置信息确定出的；

所述水下通信节点，用于根据接收到的第一定位导航引导信息移动到相应的位置，通过所述水下光通信机与所述水下监测节点建立水下光通信连接，并接收所述水下监测节点发送的监测数据；以及接收所述网关节点在监测数据传输完成后发送的第二定位导航引导信息，所述第二导航引导信息为根据所述网关节点的位置确定出的，根据所述第二定位导航引导信息移动到相应位置，通过所述水下光通信机与所述网关节点建立水下光通信连接，并通过建立的水下光通信连接向所述网关节点发送所述监测数据。

在一种实施方式中，所述网关节点，还用于在接收到所述水下通信节点发送的监测数据之后，通过水声通信机向所述水下监测节点发送数据清除指令，所述数据清除指令用于指示所述水下监测节点清除存储的数据。

在一种实施方式中，所述水下通信节点，还用于在所述水下监测节点传输完成所述监测数据之后，通过水声通信机通知所述网关节点；

所述网关节点，具体用于在接收到所述水下通信节点的通知信息之后，向所述水下通信节点发送所述第二定位导航引导信息。

在一种实施方式中，所述水下光通信机包括水下蓝绿光通信机。

在一种实施方式中，所述水下监测节点包括水下移动监测节点和水下固定监测节点。

在一种实施方式中，所述水下通信节点包括水下移动通信节点。

在一种实施方式中，所述水下移动通信节点包括以下至少一种：机器鱼和水下潜航器uuv。

在一种实施方式中，所述网关节点搭载于浮标上。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述的水下数据传输系统，水下监测节点和水下通信节点除了搭载水声通信机以外，还搭载有水下光通信机，这样，当水下监测节点需要向超出水下光通信范围以外的网关节点传输大数据量的数据时，可以利用水下通信节点作为中继，从而，在满足了大数据量数据传输需求的同时，还提高了数据传输速率。

附图说明

图1为根据本发明实施例的水下数据传输系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的水下数据传输系统的应用场景示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

需要说明的是，本发明实施例中的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。

在本文中提及的“多个或者若干个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

水声通信网是指在海水中，以超声波为信息载体、以水声信道为传播信道实现信息传输的网络。水声信道是所有通信信道中最为复杂的信道，因其多变性，现有的很多陆上的通信技术不能够直接用于水声通信网中，若要对水声通信网进行研究，就必须对水声通信网的特点进行深入了解，水声通信网具有以下几个特点。

1)高传输时延

声波在水下环境中的传播速度约为1500m/s，比陆上的无线电磁波的传播速度低了5个数量级，且其传播速度会随着水温、盐度等因素的改变而发生变化。

2)低网络吞吐量

水声通信网中的水声信号传播时延大，导致水声通信网的网络吞吐量急剧下降。

3)低数据传输速率

水声通信网的数据传输速率较低，仅仅支持几十kbps的数据传输，即使在近距离范围内，数据传输速率也仅仅能够达到几百kbps。

4)传播距离远

由于声波在水下衰减程度较其他通信传输介质低。因此，其通信距离较远，适合长远距离通信传输。

由于水声通信载传输速率上的限制，如何实现水下大数据量的数据传输成为现有技术中亟待解决的技术问题之一。

为了支持水下通信应用的发展，迫切需要找到一种通信技术作为水下通信技术的补充，可见光在水下环境中的传输速度达到2.25×108m/s，水下光通信的传输速率可以达到几gbps以上，且与水声通信相比更加节能，但由于可见光在水下环境中的传播损耗较大，使得水下光通信的通信距离受限，而蓝绿光波段的可见光在水下环境中的损耗最小，因此可以将蓝绿光作为水下无线光通信的光源实现水下可见光通信。

水下光通信网是在水下环境中以可见光为载体、以水下光信道为传播信道的通信系统，水下光通信网中以发光二极管或者激光器作为水下光通信的光源，以光电二极管或雪崩二极管作为光接收器件，水下光通信网具有以下特点。

1)延时小

可见光在水中以2.25×108m/s的速度传播，与陆上的无线电磁波的传播速度同一个数量级，比水声传播的速度高了5个数量级，与水声通信相比，其延时几乎可以忽略。

2)数据传输速率较高且带宽较宽

水下光通信的数据传输速率可以高达几gbps，远高于水声通信。除此之外，水下光通信网能够提供可达150mhz的可用带宽，具有良好的通信性能。

3)光在水下的衰减严重

虽然可见光通信的带宽较宽，但在恶劣的水下环境中与水声通信相比，光通信将会面临更加严重的问题；光在水中受到严重的衰减，在深海环境中，衰减系数为0.39db/m，在浑浊的水中，其衰减系数可达11db/m。

4)节点覆盖面积小

因为光信号在水中受到严重的衰减，因此水下光通信的通信范围较小，且由于水流等外界因素会引起链路中断，与水声通信相比，需要更多的节点来覆盖同等面积的通信区域。

5)定向通信

与水声通信中以球面波形式传播的水声信号不同，当水下光通信以激光器为光源时，其光源发射具有方向性，其特定的发射角决定了只有沿发射方向一定区域内的接收节点才能接收到数据。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种水声通信与水下光通信相结合的水下数据传输系统。对于数据量小的信息，例如控制指令、定位导航引导信息等可以利用水声通信传输，而对于数据量的信息，例如，监测节点采集的图像、视频等监测数据，可以利用水下光通信进行传输。

具体实施时，本发明实施例提供的水下数据传输系统利用水声通信和水下光通信的优点，弱化并弥补了水声通信和水下光通信的显著缺点。其可适用于分布式远距离水下固定/移动多节点高速率传输通信系统。

本发明实施例中，将水下通信信息划分为指令级信息和数据级信息。由于指令级信息数据量较小，本系统根据水声通信的远距离传播及低速率传输的特点，各水下固定/移动节点间采用水声通信进行控制指令的传输，如状态监测信息、定位导航信息等。

随着科学进步发展，人们对海洋尤其是海底探知欲望越来越大，对大数据量的海洋内部图片/视频需求越来越高，本系统根据水下光通信的保密性强、高速率传播及近传播距离的特点，利用其进行节点间高数据量信息传输，可达到低时延性的高清图片/视频等传输。

为了可以同时使用水声通信和水下光通信两种通信方式进行信息传输。水下固定、移动各节点需装备水声通信机、水下光通信机和信号处理机。其中，水声通信机包括水声收发换能器阵和声学应答器，水声换能器与声学应答器之间通过远距离的超短基线系统实现节点间定位；水下光通信机包括光通信机、调制解调器、收发光学天线等。

如图1所示，其为本发明实施例提供的水下数据传输系统的结构示意图，包括网关节点11、水下监测节点12和水下通信节点13，所述网关节点11、水下监测节12和水下通信节点13均搭载有水声通信机和水下光通信机。

根据本发明实施例，网关节点可以搭载于浮标上。水下监测节点12可以包括水下固定监测节点和水下移动监测节点两种，其中，水下监测节点12可以为一些水下传感器节点。水下通信节点可以包括水下移动通信节点，例如机器鱼和uuv(水下无人潜航器)等。

具体实施时，水下监测节点用于按照设定的周期或者网关节点发送的采集指令采集监测数据，并按照设定的周期或者网关节点发送的上报指令向网关节点上报所采集的监测数据。

根据本发明实施例，如果水下监测节点与网关节点之间的通信距离在水下光通信的通信距离范围之内，则水下监测节点与网关节点之间可以采用点对点通信方式，直接建立水下光通信连接传输监测数据，如果水下监测节点与网关节点之间的通信距离大于水下光通信的距离，则可以通过水下通信节点作为中继节点传输监测数据。

这种实施方式中，水下监测节点，用于在需要发送监测数据时，通过所述水声通信机向所述水下通信节点发送第一定位导航引导信息，所述第一定位导航引导信息为所述水下监测节点根据自身的位置信息确定出的；所述水下通信节点，用于根据接收到的第一定位导航引导信息移动到相应的位置，通过所述水下光通信机与所述水下监测节点建立水下光通信连接，并接收所述水下监测节点发送的监测数据；以及接收所述网关节点在监测数据传输完成后发送的第二定位导航引导信息，所述第二导航引导信息为根据所述网关节点的位置确定出的，根据所述第二定位导航引导信息移动到相应位置，通过所述水下光通信机与所述网关节点建立水下光通信连接，并通过建立的水下光通信连接向所述网关节点发送所述监测数据。

其中，网关节点，还可以用于在接收到所述水下通信节点发送的监测数据之后，通过水声通信机向所述水下监测节点发送数据清除指令，所述数据清除指令用于指示所述水下监测节点清除存储的数据。

具体实施时，水下通信节点，还可以用于在所述水下监测节点传输完成所述监测数据之后，通过水声通信机通知所述网关节点；

所述网关节点，具体用于在接收到所述水下通信节点的通知信息之后，向所述水下通信节点发送所述第二定位导航引导信息。

在一个实施例中，所述水下光通信机包括水下蓝绿光通信机。

本发明实施例提供的水下数据传输系统，集成了水声通信和水下光通信的优点，利用水声通信传播距离远的优点和水下光通信高速率传播的优点，实现分布式远距离多节点间高时效性、大数据量传输的水下通信。

本发明实施例提供的水下数据传输系统可以应用于水下分布式远距离移动/固定多节点高速率通信传输系统中，该通信系统可有效降低时延，有效解决水下通信实时性的问题；该通信系统采用声光两种通信方式，带宽高，具有灵活可扩展性，可远距离额外增加节点；水下光通信保密性强，使得敌方攻破具备较大难度，保证了数据传输的安全性。水声通信传播距离远，在传输控制指令等低数据量信息时，可增加传输距离，延长系统布放范围，满足某些特定系统设计需求。

为了更好地理解本发明，以下结合具体的实施例对本发明的实施过程进行说明。

如图2所示，其为水下数据通信系统的应用场景示意图，水下固定监测节点a(监测信息、存储信息的固定前端设备)若将得到的高清图片/视频等大数据量信息上行传输，首先需要与接收节点进行定位确认，该过程可通过水声通信进行，若接收端为近距离的固定节点c(网关浮标)，则直接通过光对准模块，点对点水下光通信即可；若接收端为远距离的固定节点c，超出了点对点水下光通信距离，此时需要中间有个移动节点b(如机器鱼、uuv等，仅负责数据传输)辅助数据传输，类似于中继站，其工作流程如下：固定节点a向移动节点b发出定位导航信息，将b引导至可水下光通信可传输的距离，然后进行数据传输，此后，移动节点b向远距离的固定节点c发出数据传输请求，c定位导航b并引导至其可水下光通信传输的范围内进行数据传输。

水下移动监测节点d(监测信息、存储信息的移动前端设备)若将得到的高清图片/视频等大数据量信息进行上行传输，首先需要与接收节点进行定位确认，该过程可通过水声通信进行，若接收端为近距离的固定节点c(网关浮标)，则直接移动至水下光通信范围内，通过光对准模块，点对点水下光通信即可；若接收端为移动节点b，则移动节点d首先驻停在水下某处，向移动节点b发出数据传输请求，d定位导航b并引导至其可水下光通信传输的范围内进行数据传输，然后b如上文操作按需求继续进行数据上传。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。