专利名称：分布式水声网络地址的配置方法
技术领域：
本发明涉及水声通信和水声通信网络，尤其是涉及一种分布式水声网络地址的配
置方法。
背景技术：
随着经济的发展和国防建设的需要，水面(或水下)设备之间进行信息传输和指令控制的应用日益增多，如海洋数据采集、环境监控、海底勘探、自然灾害预警、分布式战术 监督等都需要水下设备之间进行信息传输和指令交互。目前，上述应用大多是缆方式。有 缆方式的存在诸如目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂、影响其它海洋 活动等缺点，无法满足日益多元化的水下通信的应用需求。因此，从有缆方式向无缆方式演 进成为水下通信的必然趋势。当前最积极、最活跃、发展最快的电磁波通信，由于其自身的物理特性，并不适合 水下无缆通信的应用需求。采用声波作为信息传送载体是目前水下无缆通信的主要方式。 然而，水声信道是一个十分复杂的“时、空、频”信道。环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频 率少、传输时延大等特点，使得水声通信成为现代通信技术中最具挑战性的研究课题之一。 在分布式水声网络中，通信机需要与邻近节点进行信息交换。为每个节点分配一个唯一的 地址是保证分布式网络正常运作的前提。目前，在分布式网络中，通信节点的地址通常采用 “软地址”配置方法，即地址是通过地址帧的信息内容进行区分的。“软地址”的配置方式要 求通信机必须先通过同步、解调等获取地址帧的信息内容，而后才能判断地址帧的数据信 息是否与本机事先分配的地址信息内容相符。在误码率高、时延较长、节能要求高的水声通 信中，“软地址”配置方法存在以下几个主要缺陷1) “软地址”配置方法必须先解调出地址帧的信息，才能判断本机是否要参与通 信。对非呼叫对象的节点而言，大量的节点能量将频繁消耗在于已无关的地址帧的信息解 调上，直接影响分布式网络的能量利用效率。2) “软地址”配置方法在节点数量增加的时候，常采用增加地址帧长度的方法。地 址帧长度增加则意味着发射节点需要消耗更多的信道资源以传输地址帧所需的数据。3) “软地址”配置方法在网络结构、节点从属关系等配置上必须依据地址帧的信息 编码，缺乏有效的处理方式，较难实现多级化的地址分类和配置。针对上述缺陷，本发明提出了一种分布式水声网络地址的配置方法。
发明内容
本发明的目的是针对传统“软地址”方法，提供一种效率较高、易扩展，可在实现地 址配置的同时，也实现点对点通信的同步的分布式水声网络地址的配置方法。本发明包括以下步骤1)确定地址配置层次关系，对分布式水声网络节点的地址编组配置；2)根据分布式网络的结构和应用需求，确定分布式网络应用所需的主簇地址个数、子簇地址个数和扩展地址个数；3)在所使用的水声通信频段内，选择Nm个不同的频率构成Nm个正交时-频信号， 分别表示Nm个主簇地址，表达关系如下式所示{AddM” AddM2，......，AddMNm} = {TF” TF2，......，TFNm}；4)在所使用的水声通信频段内，构造Ns个不同时频关系的信号，分别表示Ns个子 簇地址，表达关系如下式所示{AddS” AddS2，……，AddSNm} = {FM” FM2，……,FMNJ ；5)在所使用的水声通信数据中，设置比特个数来表达扩展地址，所需比特个数Nb 与表达的扩展地址个数Nt符合如下关系Nb = log2 (Nt)；6)将步骤3)、步骤4)、步骤5)的三类地址按表1所示次序组合，作为分布式水声 通信的帧结构，根据该结构实现对分布式水声网络的地址配置，其中“数据信息”表示传输 给由“主簇地址”、“子簇地址”和“扩展地址”三者联合确定的地址唯一的那个通信节点的 信息内容。表 1 在步骤1)中，所述地址配置层次关系可为三层模式，定义为“主簇地址”、“子簇地 址”和“扩展地址”，其中“主簇地址”可包含至少1个“子簇地址”；“子簇地址”内包含至少 1个“扩展地址”。在步骤2)中，所述分布式网络所需的主簇地址个数为Nm、子簇地址个数为Ns、扩展 地址个数为Nt。在步骤3)中，所述Nm个不同的频率记为FnF2，……，FNm，所述Nm个正交时-频信 号记为TFp TF2，……，TFNm，所述Nm个主簇地址记为AddMp AddM2，……，AddMNm ；所述正交 时_频信号TFn TF2，……，TFNffl构建的原则是确保频率F2，……，FNm在对应的每个码 元时间(记为T)内绝不会同时出现；与主簇成一一对应关系的正交时-频信号，在每个码 元时间所出现的频率是唯一确定且绝不重复的，即使某码元时间的频率丢失，亦可通过时 频正交关系与其他时_频信号相区别；所述Nm为偶数，可获得最佳的时频正交性。在步骤4)中，所述队个不同时频关系的信号记为FMnFM2，……，FMNs，所述队个 子簇地址记为Adds” AddS2，……，AddSNm ；所述Ns个不同时频关系的信号FMn FM2，……， FMNs的构建原则是不同子簇在码元时间(记为T)内，频率随时间的变化具有不同的函数 关系。本发明具有以下突出优点1)水声网络的地址配置方法同时也可作为水声网络节点通信的同步方法；2)有效对抗水声多径信道，具有较强的抗频率选择性衰落、抗多径干扰的特点；3)便于实现分级、分层、分簇的网络地址配置，配置方式灵活，节能高效。
图1为节点地址分层配置结构图。
图2为正交时频信号的构造方法。
图3为线性关系示意图。
图4为非线性关系示意图。
图5为节点地址配置流程。
图6为主簇地址的检测方法。
图7为子簇地址的检测方法。
图8为装置整体结构示意图。
图9为地址构建实例图。
图10为实施例的组网示意图。
具体实施例方式以下实施例将对本发明作进一步的说明。本发明包括以下步骤1)确定地址配置层次关系，对分布式水声网络节点的地址编组配置；所述地址配 置层次关系可为三层模式，定义为“主簇地址”、“子簇地址”和“扩展地址”，其中“主簇地址” 可包含至少1个“子簇地址”；“子簇地址”内包含至少1个“扩展地址”，对应的地址配置层 次关系如图1所示。2)根据分布式网络的结构和应用需求，确定分布式网络应用所需的主簇地址个 数、子簇地址个数和扩展地址个数；所述分布式网络所需的主簇地址个数为Nm、子簇地址个 数为Ns、扩展地址个数为Nt。3)在所使用的水声通信频段内，选择Nm个不同的频率构成Nm个正交时-频信号， 分别表示Nm个主簇地址，表达关系如下式所示{AddM” AddM2，......，AddMNm} = {TF” TF2，......，TFNm}；所述Nm个不同的频率记为F2，……，FNm，所述Nm个正交时-频信号记为TFp TF2，……，TFNm，所述Nm个主簇地址记为AddMp AddM2，……，AddMNm ；所述正交时-频信号 TF”TF2，……，TFNm构建的原则是确保频率Fi，F2，……，FNm在对应的每个码元时间(记 为T)内绝不会同时出现；与主簇成一一对应关系的正交时-频信号，在每个码元时间所出 现的频率是唯一确定且绝不重复的，即使某码元时间的频率丢失，亦可通过时频正交关系 与其他时-频信号相区别；所述Nm为偶数，可获得最佳的时频正交性。推荐的正交时频信 号构造方法如图2所示，其中横轴表示码元时间，纵轴表示对应的正交时频信号。在每个码 元时间nT (n+l)T内(其中n = l，2，…，Nm_l)，不同正交时频信号(TF:，TF2，…，TFNm) 的当前频率也都不相同。4)在所使用的水声通信频段内，构造Ns个不同时频关系的信号，分别表示Ns个子 簇地址，表达关系如下式所示{AddS” AddS2，......，AddSNm} = {FM” FM2，......, FMNJ ；所述Ns个不同时频关系的信号记为FMn FM2，……，FMNs，所述Ns个子簇地址记为 AddS^AddS^……，AddSNm ；所述Ns个不同时频关系的信号FMi，FM2，……，FMNs的构建原则是不同子簇在码元时间(记为T)内，频率随时间的变化具有不同的函数关系，本发明需确 保频率随时间变化的信号具有“互相关性弱，自相关性强”的时频特性。推荐使用不同斜率 的线性调频信号作为分布式水声网络中不同子簇的地址，线性时频关系示意如图3 ；在子 簇地址较多的时候，扩展使用不同非线性函数关系的时频信号作为子簇地址，非线性时频 关系示意如图4。在图3中，频率随时间呈线性变化，设T为码元周期，B。为带宽，B。= IF-Fj,^^ 示扫频的结束频率(如图4中i = a，b，c，d，可根据子簇数量进行扩展)，F。表示扫频开始 频率。不同线性关系的信号具有不同的(B。/T)值。通过选择合适的扫频斜率值(范围与 tan6等价，0 G 360° ])，可用以表示不同的子簇地址。在图4中，频率随时间呈非 线性变化，设T为脉宽周期，Fe表示扫频的结束频率，Fe表示扫频开始频率。对应配置方式 可有多种选择。为不失一般性，设非线性函数为F(Xi)，其中i表示分配给对应子簇的编号， i = 1,2,3,……，Ns。函数F(Xi)则对应一类过原点(0，Fs)和(T，Fe)的函数集。分配不 同的F(Xi)给不同的子簇地址实现配置。5)在所使用的水声通信数据中，设置比特个数来表达扩展地址，所需比特个数Nb 与表达的扩展地址个数Nt符合如下关系
(Nt)；6)将步骤3)、步骤4)、步骤5)的三类地址按如下次序组合，作为分布式水声通信的 帧结构，根据该结构实现对分布式水声网络的地址配置，其中“数据信息”表示传输给由“主 簇地址”、“子簇地址”和“扩展地址”三者联合确定的地址唯一的那个通信节点的信息内容
主簇地址子簇地址扩展地址数据信息所述根据该结构实现对分布式水声网络的地址配置的处理流程如图5所示。主簇地址的检测方法是采用图6结构。图6中窄带滤波器的中心频率分别对准F” F2，……，FNm，通过配置FnF2，……，FNm后的时延大小，匹配预先分配给该主簇的“时-频” 关系(时延与频率的匹配关系如图2)。只有满足预设的正交时-频关系，才会输出启动信 号，开始后续的地址解析；否则，直接关闭退出。子簇地址是否符合的检测方法是利用输出的启动信号，触发本地节点，合成事先 预定的调频信号，与接收信号求相关。如果是子簇地址，则输出相关峰高于预设门限，建立 同步并启动“软地址”解调；否则，直接关闭退出。对应的检测方法如图7所示。在图7中， “启动信号”是连接图6的输出，“接收信号”表示经过水声信道传递后的信息，“本地信号” 表示配置在本地的子簇地址信号。“判决门限”是指根据实际应用环境设置的门限。其设置 原则是确保当“接收信号”与“本地信号”(也就是本机的“子簇地址”)匹配时，经“判决 门限”可输出高电平；而如果不匹配，则经“判决门限”不会产生“虚警”信号。符号“ ”表 示卷积运算。扩展地址是否符合的检测方法是输出的确认信号启动地址数据的解调，获取地 址数据信息。将地址数据与预设的本机“软地址”对比若“软地址”的信息内容相符，则确 定是本机并启动数据解调功能；否则，直接关闭退出。本发明所述的面向分布式水声网络的地址配置装置结构如图8所示在图8中，
6“换能器”实现声信号与电信号的相互转换。“前级放大芯片”、“带通滤波芯片”、“自适应增 益控制芯片”组成了“前级处理单元”。“模数转换芯片”、“微控制器”、“现场可编程门阵列”、 “存储器”等组成“控制运算单元”。“其他通信接口，，等组成“辅助装置单元”，实现辅助支 持。各装置部件的功能说明如下 1)换能器特征为压电陶瓷结构，负责声信号与电信号之间的能量转换。水声换 能器可根据具体应用，选择适配的产品类型，对本发明方法及发明装置没有特别影响。本发 明装置推荐的换能器带宽最好能达到5kHz以上。2)前级处理单元前级处理单元负责实现微弱水声信号的放大、滤波和调理。包 括“前级放大芯片”、“带通滤波芯片”、“自适应增益控制芯片”。水声换能器的信号进入前 级处理单元后，将对弱信号进行放大，滤除频带外的噪声信号，并由“自适应增益控制芯片” 稳定信号幅度以便于后续的检测处理。3)控制运算单元由“模数转换芯片”、“微控制器”、“现场可编程门阵列”、“存储 器”组成。是实现“主簇地址”、“子簇地址”、“扩展地址”检测、分析和配置的核心部件。模 数转换器(ADC)对经过信号前级处理后的信号实时采样，将获取的数据缓存在存储器中； 微控制器和现场可编程门阵列基于本发明所述的地址配置方法，实现地址配置的功能。其 中，微控制器侧重在时序控制；现场可编程门阵列则侧重算法运算。4)辅助装置单元包括下载线、电源、通信接口等附件。实施例设有256个水声通信机需要组建多节点的通信控制网络。则依据本组网方法，可 4频率的时-频编码构建主簇地址；使用4种斜率或函数的准线性调频码构建子簇地址；使 用4比特的地址帧编码构建扩展地址。依据本发明方法，可采用如图9所示方法构建结构。1)主簇地址的构建由发明内容的描述可知，4频率的时_频编码可实现最多4组的正交码。分别用每 组正交码代表一类的主簇，则可对应表示如下(其中用A，B，C，D分别代表四类主簇)主簇A —"F1, F2, F3, F4 ”；主簇B—"F2 ,F1, F4, F3 ”；主簇C —"F3 ,F4 ,FnF2"；主簇D—“FpFpFyF/，；2)子簇地址的构建(1)线性调频信号利用四组斜率的线性调频信号构建子簇地址。分别用不同的斜率表示一类的子 簇。对应关系如图3所示，对应函数表达如下(其中a，b，c, d分别代表四类子簇)子簇地址a — F = (Fd-F0) /T ；子簇地址b — F = (Fc-F0) /T ；子簇地址c — F = (Fb-F0) /T ；子簇地址d — F = (Fa-F0) /T ；(2)非线性调频信号利用四组函数的非线性调频信号构建子簇地址。如图4所示，分别用不同的函数表示一类的子簇。对应表达如下(其中a，b，c, d分别代表四类子簇)子簇a—F(X1)= ^^xxf+Fs;子簇b -F(X2)=^Pxx1/2 +Fs ；子簇cX34 + Fs ；子簇d -F(X4)=^Px X1；4 + Fs ；3)扩展地址的构建
如本例，4比特的地址帧编码为24 = 16个节点。再加上4比特的拷贝地址帧，共 需要8比特的数据。如“1#”=“0001”；“2#” = “0010”；“3#” = “0011”;……，以此类推。
若需要扩展节点数，则只要根据节点数与比特数据之间的关系，进行扩展即可。4)本实施例的组网示意(参见图10)从上述说明可知，本实施例中将256台水声通信机分成4个主簇；16个子簇(每 个主簇对应4个子簇，即4*4 = 16个子簇)；每个子簇内再对应16个节点。
权利要求
分布式水声网络地址的配置方法，其特征在于包括以下步骤1)确定地址配置层次关系，对分布式水声网络节点的地址编组配置；2)根据分布式网络的结构和应用需求，确定分布式网络应用所需的主簇地址个数、子簇地址个数和扩展地址个数；3)在所使用的水声通信频段内，选择Nm个不同的频率构成Nm个正交时-频信号，分别表示Nm个主簇地址，表达关系如下式所示{AddM1，AddM2，……，AddMNm}＝{TF1，TF2，……，TFNm}；4)在所使用的水声通信频段内，构造Ns个不同时频关系的信号，分别表示Ns个子簇地址，表达关系如下式所示{AddS1，AddS2，……，AddSNm}＝{FM1，FM2，……，FMNs}；5)在所使用的水声通信数据中，设置比特个数来表达扩展地址，所需比特个数Nb与表达的扩展地址个数Nt符合如下关系Nb＝log2(Nt)；6)将步骤3)、步骤4)、步骤5)的三类地址按下表所示次序组合 主簇地址 子簇地址 扩展地址 数据信息作为分布式水声通信的帧结构，根据该结构实现对分布式水声网络的地址配置，其中“数据信息”表示传输给由“主簇地址”、“子簇地址”和“扩展地址”三者联合确定的地址唯一的那个通信节点的信息内容。
2.如权利要求1所述的分布式水声网络地址的配置方法，其特征在于在步骤1)中，所 述地址配置层次关系为三层模式，定义为“主簇地址”、“子簇地址”和“扩展地址”，其中“主 簇地址”包含至少1个“子簇地址”；“子簇地址”内包含至少1个“扩展地址”。
3.如权利要求1所述的分布式水声网络地址的配置方法，其特征在于在步骤2)中，所 述分布式网络所需的主簇地址个数为Nm、子簇地址个数为Ns、扩展地址个数为Nt。
4.如权利要求1所述的分布式水声网络地址的配置方法，其特征在于在步骤3)中，所 述Nffl个不同的频率记为F1, F2,……，FNm，所述Nffl个正交时-频信号记为TFijTF2,……，TFNm， 所述Nm个主簇地址记为AddM1, AddM2,……，AddMNm ；所述正交时-频信号TF1, TF2,……， TFNm构建的原则是确保频率F1,F2,……，FNm在对应的每个码元时间T内绝不会同时出现； 与主簇成一一对应关系的正交时_频信号，在每个码元时间所出现的频率是唯一确定且绝 不重复的，即使某码元时间的频率丢失，或通过时频正交关系与其他时_频信号相区别；所 述Nm为偶数。
5.如权利要求1所述的分布式水声网络地址的配置方法，其特征在于在步骤4)中，所 述Ns个不同时频关系的信号FM1,FM2,……，FMns的构建原则是不同子簇在码元时间T内， 频率随时间的变化具有不同的函数关系。
全文摘要
分布式水声网络地址的配置方法，涉及水声通信和水声通信网络。利用“正交时频信号”、“不同时频关系的信号”及“地址帧信息”形成三层编组地址(分别定义为“主簇地址”、“子簇地址”和“扩展地址”)，实现对分布式水声网络各节点的地址配置。其中，“主簇地址”、“子簇地址”在实现分布式水声网络节点地址配置的同时；又可作为节点同步方法，实现强多径干扰、强背景噪声条件下的点对点通信。实现了水声点对点通信向分布式多点通信的无缝过渡，较适合当前水声通信网络化发展的需求，具有较好的应用前景和保护价值。
文档编号H04W84/18GK101868042SQ201010185139
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者庄子明, 程恩, 袁飞, 许克平 申请人:厦门大学