专利名称：一种无线和水声通信浮标的制作方法
技术领域：
本发明涉及水声通信、无线网络通信技术领域，特别涉及一种无线和水声通信浮标。
背景技术：
上世纪90年代以来，日益成熟的水声通信技术促进了水下传感网络的发展。由于水下传感器网络(underwater sensor network)在海洋环境监测、海洋资源勘探、军事侦察和反恐反潜等领域的重要价值，各国都投入力量大力研发相关的技木。水下传感器网络的发展迫切需要建立水面通信控制节点如船载、机载或岸基的控制指挥站)与水下信息节点如传感器阵列、水下无人自动航行器、水下载人航行器等的双向通信链路。由于布放使用灵活、成本低廉、接收水声信号时本体噪声小等优点，无线/水声通信(racom)浮标是实现水面传统通信网络与水下信息节点双向通信较好的解决方案， 是水面通信网络与水下传感通信网络互联互通的关键。美国的^aWeb项目自1996年以来相继研发了 4代无线水声通信(radio/acoustic communication :racom)网关浮标系统 (装备通信声纳和GPS接收机、视距传输无线电和铱星通信等多种无线电通信设备)，用于将水下传感网络通过无线通信方式与其它网络互联互通。无线水声通信浮标也是美国海军在探索升级潜艇新型通信技术过程中重点研究的解决方案之一。现有文献中查不到有关的浮标结构。国内由于水声通信技术研究落后于国外，没有成熟的水声Modem，水声通信传感网络的研究还处于起步阶段，尚未有可应用的无线/水声通信浮标。国外已有的无线/水声通信浮标不能与其他具备无线通信功能的水面站点联合组网使用，无法适应网络化的应用场合；其水声通信作用距离近(小于8km)，水声通信可靠性低、通信速率単一。
发明内容
本发明的目的在干，为解决上述问题，提供ー种性能可靠、操作简单、维护管理智能化程度高，可用于水声通信/传感网络的网关节点的无线和水声通信浮标。为实现上述目的，本发明提供的一种无线和水声通信浮标，该浮标采用积木式结构，其特征在干，所述浮标包括VHF天线、GPS天线、收/发合置換能器、铅鱼、无线通信模块、水声通信模块、综合控制/处理模块和电池/电源管理与控制模块；所述无线通信模块，用以实现无线通信数据链路层和物理层功能；所述水声通信模块，用以实现水声通信数据链路层和物理层功能；所述综合控制/处理模块，用以实现无线和水声通信网络层和应用层功能，同时实现对浮标的整体控制；所述电池/电源管理与控制模块，用以实现对浮标的电源控制、维护和管理。 上述技术方案中，所述GPS天线和收/发合置換能器之间自上而下还依次包含天线水密基座、航标灯、天线支撑杆上段、硬聚氨脂泡沫浮体、天线支撑杆下段、水密电子仪器舱和阻水承重电缆。所述无线通信模块进一步包含无线通信数据链路层协议子模块，用于完成无线通信数据链路层功能，完成数据链路层包含的媒体接入层和逻辑链路子层功能，实现在多跳对等网络共享单信道条件下的无线信道接入管理，完成帧同步和流量控制；无线数据调制解调器子模块，完成浮标无线通信物理层功能；其中，所述媒体接入层层功能采用基于MACAW协议的发端发起的共享单信道共享协议，支持共享信道多跳对等网络；所述逻辑链路子层的帧同步功能依据“帧头标识检测”和“帧信息CRC校验”完成，帧同步和帧信息CRC校验同时完成。所述MACAW协议为对应于链路层数据传输帧确认帧(ACK)回复确认机制增加了数据传输帧否认帧(NACK)；对被干扰的不能识别的接收帧进行处理，增设载波检测状态；网络拥塞状态依据相邻节点的硬件/虚拟载波监听进行检测。所述水声通信模块进一步包含水声通信数据链路层协议子模块，用于完成水声通信数据链路层功能，完成媒体接入层功能，实现在多跳对等网络共享单信道条件下的水声信道接入管理。水声通信物理层处理子模块，用于完成水声通信物理层处理功能，所述物理层处理功能具体包括水声通信物理层同步、水声通信物理层帧结构生成和解析及水声通信数据的调制与解调功能。其中，所述媒体接入层采用基于MACAW的协议发端发起的共享单信道共享协议，支持共享信道多跳对等网络；所述水声通信物理层帧结构包括一个块同步头和一个宏帧；所述宏帧又进一步包括一个宏帧头和若干个子帧；且所述每个子帧又进一步包括子帧头和子帧数据。所述块同步头为4个QPSK调制的基于9阶Gold序列的直接扩频符号；所述的宏帧头为9阶Gold序列的直接扩频符号，该宏帧头的数据内容包含地址信息、帧类型、通信参数和帧头信息的8位CRC校验；所述子帧头采用9阶Gold序列的直接扩频符号，该子帧头的数据内容为子帧数据长度。所述水声通信物理层同步采用综合同步方法，该综合同步方法包含块同步头搜索步骤，如果检测到块同步头进入下一步骤，否则重新进行块同步头搜索。宏帧头搜索步骤，扩频解调并提取宏帧头的数据的同时实现同步。宏帧头数据CRC校验步骤，如果校验错误回到块同步头搜索步骤，如果校验正确进入下一步骤。子帧头同步跟踪步骤，该步骤用于完成子帧头的扩频解调与同步跟踪。子帧处理的步骤，接收并解调子帧内数据，并判断所属宏帧是否结束，如果还有未处理的子帧则返回上一步骤，直至所有子帧处理结束，再返回块同步头搜索的步骤。所述的水声通信模块对大于llcbps的数据采用相位调制技术，对应接收端采用分数间隔判决反馈自适应均衡器对抗水声道畸变；对小于llcbps的数据采用Gold序列软扩频和伪随机序列直接扩频水声通信技术。所述的水声通信模块对36bps的数据采用具有扩频比为63的基于Gold序列的软扩频水声通信技术。
本发明的优点在于，本发明的无线水声通信浮标综合运用水声通信技术、DSP信号处理技术和无线网络通信技术，可实现水面无线通信节点与水下移动或静止目标双向多速率通信和水声应答测距，可满足多种数据传输需要。本发明的无线水声通信浮标核心功能模块中的水声通信模块和无线水声通信网络层与数据链路层协议都以软件方式实现，升级、维护、测试和使用都可以在控制站以无线电遥控方式通过软件完成，智能化程度高。本发明的浮标具备故障自检和报警功能，布放和回收方便。本发明的浮标可以用作水声通信和传感网络中的无线水声通信(racom)网关节点，具有很大的推广应用前景。
图1为无线水声通信浮标整体结构图2为无线水声通信浮标功能模块组成框图3为水声通信物理层帧结构；
图4为块同步头时频处理流程图5为水声通信物理层处理子模块中“综合同步方法”处理流程图6为速率为21cbpS和llcbps水声通信数据发送处理框图7为速率为21ApS和llcbps水声通信数据接收基带处理框图8为速率为36bps和80bps水声通信数据发送处理框图9为速率为36bps和80bps水声通信数据接收处理框图10为速率为300bps水声通信数据发送处理框图11为速率为300bps水声通信数据接收处理框图12为水声通信数据链路层MAC层协议状态转移图13为无线通信帧格式；
图14为无线通信数据链路层协议子模块中LLC层的帧同步处理流程
图15为无线通信数据链路层MAC层协议状态转移图16为浮标信号处理/控制电路框图17为浮标工作模式；
图18为浮标软件模块结构图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。本发明提供的一种无线和水声通信浮标，可用于无线/水声传感/通信网络中的网关节点，其特征在于，所述的浮标还包括无线通信模块，该模块主要包括无线数据调制/解调器和无线通信数据链路层协议子模块，用于支持共享单信道多跳对等无线通信网络；水声通信模块，该模块主要包括水声通信物理层处理和水声通信数据链路层协议子模块，用于完成水声通信物理层和数据链路层功能；综合控制和处理模块，该模块包括水声通信网络层协议、无线通信网络层协议和数据处理/系统控制子模块，用于实现浮标通信网络层和其他上层的控制和处理功能；该浮标的无线/水声通信功能可实现水面无线通信节点与水下移动或静止节点之间双向多速率通信；该浮标可实现两个水下移动或静止节点之间的通信。
图1为无线水声通信浮标整体结构图。本发明采用“积木式”结构，主要由VHF天线1、GPS天线2、天线水密基座3、航标灯4、天线支撑杆上段5、天线支撑杆下段8、硬聚氨脂泡沫浮体6、水密电子仪器舱11、阻水承重电缆14、收/发合置换能器16和铅鱼18等几部分组成。整个浮标采用低密度耐腐蚀材料制作，水密电子仪器舱为一水密圆桶，是本浮标的主体，内置仪器架，用于安装信号处理/控制板及其机箱19、VHF数传电台20、锂电池21、功率放大器22。水密电子仪器舱11的上端连接天线支撑杆上段5和天线支撑杆下段8，还带有测试/自检/充电/电源开关/水密接口 9，以方便对水密电子仪器舱内设备进行充电和测试。天线支撑杆长度4米，分成上下两段，彼此通过天线上下支撑杆连接水密法兰7连接。天线支撑杆下段8与水密电子仪器舱上端通过天线支撑杆下段与水密电子仪器舱水密接口 10连接。天线支撑杆上段5安装有天线水密基座3，用于安装VHF天线1、GPS天线2和航标灯4。在天线支撑杆适当位置安装硬聚氨脂泡沫浮体6以提供足够的浮力，减少海流对浮标晃动的影响，使整个浮标在水面上呈竖直姿态。水密电子仪器舱下端与电子仪器舱水密底盘12通过法兰盘水密连接。根据水文以及使用条件，可选用不同长度的阻水承重电缆14连接收/发合置换能器16，以保证水声通信效果。通过铅鱼吊绳17连接铅鱼18降低浮标整体重心，稳定其姿态。本实施例浮标整体材料采用低密度、耐腐蚀铝合金制作。水密电子仪器舱11为一水密圆桶，直径400mm，高50mm，重量3^g。天线支撑杆上段5和天线支撑杆下段8各2米。本实施例的收/发合置水声换能器16采用3层拼镶环压电陶瓷换能器，中心频率6kHz，工作频带业-lOkHz，带内发射电压响应均在144dB以上。换能器接收灵敏度大于_185dB，水平无指向性，3dB垂直开角为40° @6kHz。功放和换能器系统最大发射声源级可以达到196dB。本实施例的收/发合置水声换能器可配合不同水文条件使用15米、25米、35米、50米不同长度的阻水承重电缆14，阻水承重电缆14通过电子仪器舱换能器电缆水密接口13、换能器电缆水密接口 15连接水密电子仪器舱11，以保证通信效果。本实施例的功放/匹配网络为PSW3500型功放/匹配网络，外型尺寸315mm⑶X IMmm(H)，频带3kHz_9kHz，额定输出功率为1200W，重量18kg，待机功耗小于0. Iff,工作电源48V，电效率大于85 %。本实施例的VHF数传电台20采用美国MDS公司的MDS-2710A数传电台。该电台体积5. 08X14. 29X18. 4cm，重量1kg，接收灵敏度高lOl-llOdBm，发射功率可以达至Ij 5W,工作频段220-M0MHZ，传输速率可以达到9600bps，便于在浮标上安装使用。电台衰落储备在系统要求的工作环境下可以达到至少45dB，满足系统所要求的无线电通信距离和传输速率设计指标要求。本实施例的VHF天线1采用北京华讯通信有限公司提供的F200A-3型天线，适合于在浮标上安装和使用。本实施例的信号处理/控制板上安装的GPS接收板采用北京七维航测科技发展有限公司提供的低功耗Jupiterfl型GPS接收机。该型GPS接收机，体积小，功耗低，集射频、基带和导航解算一体化设计，定位精度高小于5m，可靠性高，可以适应恶劣工作环境，可以满足浮标定位指标的要求。
本实施例的GPS天线2为东方联星科技有限公司的NS-Tll室外GPS天线。天线接收增益高，物理尺寸小，适合于在浮标上安装和使用。本实施例的锂电池21由两块不同规格的锂电池组成规格为48V1600WH的锂电池提供功放用电，规格为12V400WH的锂电池为水密电子仪器舱内的其它电子设备供电。锂电池21可保证浮标可连续发射水声信号3小时，全系统可值守待机30天。图2为无线水声通信浮标功能组成模块框图。本发明总体采用模块化设计，大部分模块都是以软件方式实现。本实施例水声通信模块支持36bps，80bps，300bps, 2kbps和llibps共5种速率，水声通信作用距离最远可达到15km。本发明的水声通信模块为满足通信速率和可靠性要求，对于较高速率(> llcbps)的数据，采用频带利用率较高的相位调制技术(PSK)，接收端采用分数间隔判决反馈(FSE-DFE)自适应均衡对抗水声信道畸变；对于较低速率(< llcbps)的数据，采用伪随机序列直接扩频OSSQ和基于Gold序列的软扩频水声通信技术。本发明的水声通信模块采用基于扩频技术的稳健、快速“综合同步方法”，可同时完成物理层时频同步和上层帧同步，减小了系统同步开销，可实现在较低信噪比条件下可靠同步的同时还可以提供信道估计、均衡训练、信道实时跟踪的功能。本实施例水声通信模块的水声通信物理层处理子模块采用“综合同步方法”，利用直接序列扩频技术，将物理层的同步如起始时间同步、频率同步和上层的帧同步进行统一设计和处理，以提高系统的同步性能、降低系统开销。图3是水声通信物理层帧结构图。一个物理帧由一个块同步头和一个宏帧组成，一个宏帧由若干个子帧组成，每个子帧由子帧头和子帧数据构成。块同步头负责完成起始时间同步和频率同步，宏帧头用于完成上层的帧同步，子帧头用于在块同步头同步的基础上进行时间和频率上的细同步。块同步头为4个特定的QPSK调制的基于9阶Gold序列的直接扩频符号，接收端通过检测预先设定的扩频符号来判断起始时间同步；在对扩频符号进行解调处理的同时获得信号的多普勒频率偏移估计。图4是块同步头时频处理流程图。宏帧头包含了非常重要的信息，如上层地址信息、帧类型(语音、报文数据、链路层管理数据等)，也采用9阶Gold序列直接扩频的方式传输这些重要的信息。为了保证可靠的帧同步，在每个宏帧头末尾还加入了一个8位CRC校验字节，其生成多项式为x8+x2+x+l，通过判断宏帧头内所有数据是否与该多项式长除的余式为0来进一步验证宏帧头内数据的可靠性，达到可靠帧同步的目的。子帧头主要用于指示子帧内数据长度，它也是Gold码直接扩频符号。由于扩频符号的有很大的处理增益(扩频增益为18.05dB)，其可靠性远远高于后续传输的数据。因此，可以将扩频解调出的子帧头符号作为已知的数据对均衡器进行训练。图5为水声通信物理层处理子模块中的“综合同步方法”处理流程图。本实施例对于较高速率OlcbpS，llApS)的语音数据水声通信模块采用相干相位调制通信技术。图6为速率为21ApS和llcbps的数据水声通信发送处理框图。其水声通信接收机的核心是内嵌二阶锁相环的分数间隔采样判决反馈均衡器(FSE-DFE)，图7为速率为21ApS和llcbps的数据水声通信接收基带处理框图。均衡器的初始参数根据宏帧头对信道的估计得出。宏帧头数据由于是采用Gold码的扩频符号，采用“相关法”可得到信道估计。设信道估计得到的信道响应向量
权利要求
1.一种无线和水声通信浮标，该浮标采用积木式结构，其特征在干，所述浮标包括 VHF天线、GPS天线、收/发合置換能器、铅鱼、无线通信模块、水声通信模块、综合控制/处理模块和电池/电源管理与控制模块；所述无线通信模块，用以实现无线通信数据链路层和物理层功能； 所述水声通信模块，用以实现水声通信数据链路层和物理层功能； 所述综合控制/处理模块，用以实现无线和水声通信网络层和应用层功能，同时实现对浮标的整体控制；所述电池/电源管理与控制模块，用以实现对浮标的电源控制、维护和管理。
2.根据权利要求1所述的无线和水声通信浮标，其特征在干，所述GPS天线和收/发合置換能器之间自上而下还依次包含天线水密基座、航标灯、天线支撑杆上段、硬聚氨脂泡沫浮体、天线支撑杆下段、水密电子仪器舱和阻水承重电缆。
3.根据权利要求1所述的无线和水声通信浮标，其特征在干，所述无线通信模块进一步包含无线通信数据链路层协议子模块，用于完成无线通信数据链路层功能，完成数据链路层包含的媒体接入层和逻辑链路子层功能，实现在多跳对等网络共享单信道条件下的无线信道接入管理，完成帧同步和流量控制；无线数据调制解调器子模块，完成浮标无线通信物理层功能； 其中，所述媒体接入层层功能采用基于MACAW协议的发端发起的共享单信道共享协议，支持共享信道多跳对等网络；所述逻辑链路子层的帧同步功能依据“帧头标识检测”和 “帧信息CRC校验”完成，帧同步和帧信息CRC校验同时完成。
4.根据权利要求1所述的无线和水声通信浮标，其特征在干，所述MACAW协议为 对应于链路层数据传输帧确认帧(ACK)回复确认机制増加了数据传输帧否认帧(NACK)；对被干扰的不能识别的接收帧进行处理，增设载波状态检测； 网络拥塞状态依据相邻节点的硬件/虚拟载波监听进行检测。
5.根据权利要求1所述的无线和水声通信浮标，其特征在干，所述水声通信模块进一步包含水声通信数据链路层协议子模块，用于完成水声通信数据链路层功能，完成媒体接入层功能，实现在多跳对等网络共享单信道条件下的水声信道接入管理；水声通信物理层处理子模块，用于完成水声通信物理层处理功能，所述物理层处理功能具体包括水声通信物理层同步、水声通信物理层帧结构生成和解析及水声通信数据的调制与解调功能；其中，所述媒体接入层采用基于MACAW的协议发端发起的共享单信道共享协议，支持共享信道多跳对等网络；所述水声通信物理层帧结构包括一个块同步头和一个宏帧； 所述宏帧又进ー步包括ー个宏帧头和若干个子帧；且所述每个子帧又进一歩包括 子帧头和子帧数据。
6.根据权利要求5所述的无线和水声通信浮标，其特征在干，所述块同步头为4个 QPSK调制的基于9阶Gold序列的直接扩频符号；所述的宏帧头为9阶Gold序列的直接扩频符号，该宏帧头的数据内容包含地址信息、 帧类型、通信參数和帧头信息的8位CRC校验；所述子帧头采用9阶Gold序列的直接扩频符号，该子帧头的数据内容为子帧数据长度。
7.根据权利要求5所述的无线和水声通信浮标，其特征在干，所述水声通信物理层同步采用综合同步方法，该综合同步方法包含块同步头搜索步骤，如果检测到块同步头进入下一步骤，否则重新进行块同步头搜索；宏帧头捜索步骤，扩频解调并提取宏帧头的数据的同时实现同步； 宏帧头数据CRC校验步骤，如果校验错误回到块同步头搜索步骤，如果校验正确进入下ー步骤；子帧头同步跟踪步骤，该步骤用于完成子帧头的扩频解调与同步跟踪； 子帧处理的步骤，接收并解调子帧内数据，并判断所属宏帧是否结束，如果还有未处理的子帧则返回上一步骤，直至所有子帧处理结束，再返回块同步头搜索的步骤。
8.根据权利要求1所述的无线和水声通信浮标，其特征在干，所述的水声通信模块 对大于llcbps的数据采用相位调制技木，对应接收端采用分数间隔判决反馈自适应均衡器对抗水声道畸变；对小于llcbps的数据采用Gold序列软扩频和伪随机序列直接扩频水声通信技木。
9.根据权利要求1所述的无线和水声通信浮标，其特征在干，所述的水声通信模块对 36bps的数据采用具有扩频比为63的基于Gold序列的软扩频水声通信技木。
全文摘要
本发明提供了一种无线和水声通信浮标，该浮标采用积木式结构，自上而下依次包括VHF天线、GPS天线、天线水密基座、航标灯、天线支撑杆上段、硬聚氨脂泡沫浮体、天线支撑杆下段、水密电子仪器舱、阻水承重电缆、收/发合置换能器和铅鱼，其特征在于，所述浮标还包含无线通信模块、水声通信模块、综合控制/处理模块和电池/电源管理与控制模块；所述无线通信模块，用以实现无线通信数据链路层和物理层功能；所述水声通信模块，用以实现水声通信数据链路层和物理层功能；所述综合控制/处理模块，用以实现无线和水声通信网络层和应用层功能，同时实现对浮标的整体控制；所述电池/电源管理与控制模块，用以电源控制、维护和管理。
文档编号H04L29/08GK102571902SQ20111022460
公开日2012年7月11日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年12月14日
发明者周建清, 贾宁, 郭中源, 陈庚, 马力, 黄建纯 申请人:中国科学院声学研究所