一种用于水声网络的多业务数据通信方法及通信系统与流程

本发明属于水下通信领域，具体涉及一种用于水声网络的多业务数据通信方法及通信系统。

背景技术：

水声通信一开始主要应用于军事领域，近年来随着海洋资源不断的被人类开发利用，例如对环境系统污染监测、海洋资源及水文勘探、水下蛙人作业等，使得水声通信的应用前景越来越开阔。并且随着人类在水下活动的日益频繁，数据量更大，要求获得更多的海洋信息逐渐成为重大社会需求之一。其中水下视频信号成为多媒体业务传输的核心，而单路传输通道显然已不满足目前的要求。除了传输水下视频信号外，音频信号、传感器信息等都将作为传输的内容。于是，水声网络中多业务数据通信系统的设计显得尤为重要。

然而，可用于数据传输的水下频谱资源十分有限，水声信道又易受高环境噪声的干扰，极不稳定。当多个用户节点共用有限的水下频谱资源时，相对应的水声信道在多个用户节点之间被分配。由于通信系统并不知道所传输数据的业务类型，在某些情况下，对实时性要求高的数据由于信道冲突会造成延迟通信，若使用存在噪声干扰的水声信道传输数据，会影响数据传输的稳定性，甚至还会造成信息的丢失。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种用于水声网络的多业务数据通信方法及装置，通过检测获取水下低干扰的可用频谱资源进行划分，针对不同数据的业务类型进行传输信道的优先分配，保障了水下多业务数据通信的稳定性和及时性的要求。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于水声网络的多业务数据通信方法，包括以下步骤：步骤1：设定一决策节点，检测获取水下低干扰的可用频谱资源，并从中划分出一条公共控制信道和若干传输信道，根据传输信道数目生成一门限值；步骤2：有通信需求的用户节点向决策节点发送其所传输数据的业务类型信息，决策节点根据预定算法对各业务类型信息顺次排序，并一一对应生成相应的类型值；步骤3：将生成的各类型值与门限值进行判决比较；若该类型值小于门限值，则分配该类型值所属用户节点接入传输信道进行通信；若该类型值不小于门限值，则等待至下一个时隙，返回步骤1重新执行。

进一步，所述步骤1中设定一决策节点，检测获取水下低干扰的可用频谱资源包括以下步骤：

步骤1.1：设定一决策节点，对频段内的空闲信道进行检测，得到当前各个水声信道环境噪声的能量值E_i；

步骤1.2：设置一个与信道环境噪声能量值E_i相比较的检测值ε；

步骤1.3：若E_i≥ε，则判定干扰信号存在，信道不可用；若E_i＜ε，则判定干扰度较低为可用信道；

步骤1.4：更新可用频谱资源，重复步骤1.3直至频段内的空闲信道均比较完毕。

进一步，所述公共控制信道适用于用户节点与决策节点间的业务类型信息与信道分配信令的传输；以及

所述传输信道适用于各用户节点间的通信业务数据传输。

进一步，所述步骤2中的预定算法适于采用冒泡排序法，即

对各业务类型信息按优先级进行两两比较，由优先级高到低排序，根据优先级次序来交换位置；

所述业务类型信息包括：业务类型信息、水下视频信号、音频信号和传感器信息，且优先级为：业务类型信息>水下视频信号>音频信号>传感器信息。

进一步，各节点在水声网络中通信时使用时隙结构；

所述时隙结构包括：信道检测与划分子时隙、业务类型信息传输子时隙、信道分配信令传输子时隙，以及通信业务数据传输子时隙。

又一方面，本发明还提供了一种多业务数据通信系统，包括：若干用户节点，用于与决策节点通信，并进行通信业务数据传输；设定一决策节点，用于检测获取水下低干扰的可用频谱资源进行划分，并生成相应的门限值与类型值，以及根据判决结果向各用户节点分配传输信道。

进一步，所述用户节点包括：收发单元和数据单元；所述收发单元包括：发射模块、调制模块、接收模块、解调模块和信道接入模块；其中所述发射模块与调制模块相连，用于实现将信号调制到指定的信道上进行发送；所述发射模块包括：顺次连接的信号发射换能器、功率匹配放大器；所述调制模块包括：顺次连接的D/A转换器、数字调制器；以及所述接收模块和解调模块相连，用于实现接收指定信道上的信号进行解调；所述接收模块包括：顺次连接的信号接收换能器、信号匹配放大器；所述解调模块包括：顺次连接的A/D转换器和数字解调器；以及所述信道接入模块分别与数字调制器、数字解调器相连，用于实现信号发送和接收信道的选择；所述数据单元包括：业务类型信息处理器、通信业务数据存储器；其中业务类型信息处理器用于产生所传输数据的业务类型信息。

进一步，所述决策节点包括：信息传输单元、信道噪声检测单元、排序缓存单元和信道数据处理单元；其中所述信息传输单元，用于实现与各用户节点间的通信；所述信道噪声检测单元用于实现对水声信道环境噪声能量值E_i的获取，且包括：顺次连接的能量接收换能器、窄带滤波器、平方律检波器、积分器和A/D采样器；所述排序缓存单元，用于实现对各业务类型信息按预定算法顺次排序，并生成相对应的类型值；所述信道数据处理单元包括：检测值设置模块、第一比较器、信道管理模块、第二比较器和信道分配模块；其中所述检测值设置模块用于设置一个与信道环境噪声能量值E_i相比较的检测值ε；第一比较器的两个输入端分别与A/D采样器和检测值设置模块相连，用于进行各信道环境噪声能量值E_i与检测值ε的比较；所述信道管理器与第一比较器的输出端相连，用于获取水下低干扰的可用频谱资源进行划分，并生成一门限值；所述第二比较器的两个输入端分别与排序缓存单元、信道管理器的输出端相连，用于进行各类型值与门限值的大小判决；以及所述信道分配模块与第二比较器的输出端相连，用于对用户节点分配传输信道。

综上，本发明提供一种用于水声网络的多业务数据通信方法及通信系统，其通过检测获取水下低干扰的可用频谱资源进行划分，针对不同数据的业务类型进行传输信道的优先分配，保障了水下多业务数据通信的稳定性和及时性的要求。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明提供的一种水声网络通信系统的原理框图；

图2为本发明提供的一种用户节点的原理框图；

图3为本发明提供的一种决策节点的原理框图；

图4为本发明提供的一种时隙结构示意图；

图5为本发明提供的一种用于水声网络的多业务数据通信的方法流程图；

图6为本发明提供的一种检测获取水下低干扰的可用频谱资源的方法流程图；

图7为本发明中信道噪声检测单元的原理框图；

图8为本发明的业务类型信息传输子时隙的结构示意图；

图9为本发明的优先级的排序示意图。

附图中标号所示名称为：

收发单元1；发射模块11；信号发射换能器111；功率匹配放大器112；调制模块12；D/A转换器121；数字调制器122；接收模块13；信号接收换能器131；信号匹配放大器132；解调模块14；A/D转换器141；数字解调器142；信道接入模块15；

数据单元2；业务类型信息处理器21；通信业务数据存储器22；

信息传输单元3；

信道噪声检测单元4；能量接收换能器41；窄带滤波器42；平方律检波器43；积分器44；A/D采样器45；

排序缓存单元5；

信道数据处理单元6；检测值设置模块61；第一比较器62；信道管理模块63；第二比较器64；信道分配模块65。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1

本实施例1提供了一种用于水声网络的多业务数据通信系统。

图1为本发明提供的一种水声网络通信系统的结构示意图，包括：若干用户节点，用于与决策节点通信，以及进行通信业务数据传输；一个决策节点，用于检测获取水下低干扰的可用频谱资源进行划分，以及生成相应的门限值与类型值，并根据判决结果向各用户节点分配传输信道。

图2为本发明提供的一种用户节点的结构示意图。

所述用户节点包括：收发单元1和数据单元2。所述收发单元1，由发射模块11、调制模块12、接收模块13、解调模块14和信道接入模块15组成。发射模块11和调制模块12相连，用来实现将信号调制到指定的信道上进行发送。所述发射模块11，由顺次连接的信号发射换能器111和功率匹配放大器112组成。所述调制模块12，由顺次连接的D/A转换器121和数字调制器122组成。接收模块13和解调模块14相连，用来实现接收指定信道上的信号进行解调。所述接收模块13，由顺次连接的信号接收换能器131和信号匹配放大器132组成。所述解调模块14，由顺次连接的A/D转换器141和数字解调器142组成。信道接入模块15分别与数字调制器122和数字解调器142相连，用于实现信号发送或接收信道的选择。所述信道接入模块15适于采用微处理器实现。所述数据单元2，由业务类型信息处理器21和通信业务数据存储器22组成。其中，业务类型信息处理器21用于产生所传输数据的业务类型信息。

图3为本发明提供的一种决策节点的结构示意图。所述决策节点包括：信息传输单元3、信道噪声检测单元4、排序缓存单元5和信道数据处理单元6。所述信息传输单元3，用于实现与各用户节点间的通信。所述信道噪声检测单元4，由顺次连接的能量接收换能器41、窄带滤波器42、平方律检波器43、积分器44和A/D采样器45组成，用于实现对水声信道环境噪声能量值E_i的获取。所述排序缓存单元5，用于实现对各业务类型信息按预定算法顺次排序，并生成相对应的类型值。所述信道数据处理单元6，由检测值设置模块61、第一比较器62、信道管理模块63、第二比较器64和信道分配模块65组成。检测值设置模块61用于设置一个与信道环境噪声能量值E_i相比较的检测值ε。第一比较器62的两个输入端分别与A/D采样器45和检测值设置模块61相连，用于进行各信道环境噪声能量值E_i与检测值ε的比较。信道管理器63与第一比较器62的输出端相连，用于获取水下低干扰的可用频谱资源进行划分，并根据传输信道数目生成一门限值。第二比较器64的两个输入端分别与排序缓存单元5和信道管理器63相连，用于进行各类型值与门限值的大小判决。信道分配模块65与第二比较器64的输出端相连，用于对用户节点分配传输信道。

实施例2

在实施例1基础上，各用户节点与决策节点间采用了一种用于水声网络的多业务数据通信方法，各节点在水声网络中通信时使用时隙结构，其结构示意图如图4所示，由信道检测和划分子时隙，业务类型信息传输子时隙，信道分配信令传输子时隙，以及通信业务数据传输子时隙组成。该方法通过检测获取水下低干扰的可用频谱资源进行划分，针对不同数据的业务类型进行传输信道的优先分配，保障了水下多业务数据通信的稳定性和及时性的要求，方法流程图如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：设定一决策节点，检测获取水下低干扰的可用频谱资源，并从中划分出一条公共控制信道和若干传输信道，根据传输信道数目生成一门限值。

在上述实施例中，利用水声信道频带窄、容易全频段监听的特点，在信道检测和划分子时隙，采用以下方法来检测获取水下低干扰的可用频谱资源，从而避免接入高噪声干扰的水声信道，保障了数据传输的稳定性，对应的流程图如图6所示：

步骤1.1：设定一决策节点，对频段内的空闲信道进行检测，得到当前各个水声信道环境噪声的能量值E_i；

步骤1.2：设置一个与信道环境噪声能量值E_i相比较的检测值ε；

步骤1.3：若E_i≥ε，则判定干扰信号存在，信道不可用；若E_i＜ε，则判定干扰度较低为可用信道；

步骤1.4：更新可用频谱资源，重复步骤1.3直至频段内的空闲信道均比较完毕。

在上述实施例中，各水声信道环境噪声能量值的获取过程如图7所示。其中，在检测时间T内，通过接收换能器接收被检测信道的噪声信号，且通过窄带滤波器42输入至平方律检波器中，并依次通过积分器、A/D采样器完成对水声信道环境噪声能量值的计算，式中Ei表示对应的水声信道环境噪声能量值，M表示在检测时间T内A/D采样器所采样点的数目。

在上述实施例中，所述公共控制信道用于业务类型信息与信道分配信令的传输；所述传输信道用于用户节点的通信业务数据传输；所述门限值大小根据传输信道数目进行设定。当传输信道数目较多时，门限值将调高，当传输信道数目较少时，门限值将调低。例如，假设传输信道数目为1，2，3，4，...时，其对应的一种门限值可设定为0001，0010，0011，0100，...(这里为了数字处理的方便，表示为二进制形式)。

步骤2：有通信需求的用户节点向决策节点发送其所传输数据的业务类型信息，决策节点根据预定算法对各业务类型信息顺次排序，并一一对应生成相应的类型值。

在上述实施例中，在业务类型信息传输子时隙，有通信需求的用户节点通过公共控制信道以时分复用的方式向决策节点发送其业务类型信息，如图8所示。

在上述实施例中，所述传输数据的业务类型包括：实时性业务信息、水下视频信号、音频信号和传感器信息。所述业务类型及其对应的业务类型信息、优先级别如下表1所示。

表1传输数据的业务类型及其对应的类型信息、优先级别

在上述实施例中，所述预定算法采用冒泡排序法，具体实现为：对各业务类型信息按优先级进行两两比较，由优先级高到低排序，根据优先级次序来交换位置。若出现优先级相同的情况，则根据决策节点所接收到的各业务类型信息的先后时间进行排序。然后，根据排序结果，一一对应生成相应的类型值(优先级高的业务类型信息所对应的类型值较小)。例如，对各业务类型信息的优先级从高到低排序后，生成的一种类型值为0000，0001，0010，0011，...(二进制形式)，如图9所示。其中，水下实时性业务信息例如但不限于包括：需要紧急处理的信息或是对时间要求严格的数据信息；传感器信息例如水下警报信息，传感器信息可以认为是非时间要求严格的数据，通过传感器感知的水下环境参数，如水压、水温、水下地理信息等。

步骤3：将生成的各类型值与门限值进行判决比较，若该类型值小于门限值，则分配该类型值所属用户节点接入传输信道进行通信；若该类型值大于或等于门限值，则等待至下一个时隙，返回步骤1重新执行。

在上述实施例中，在分配信令传输子时隙，决策节点将根据类型值与门限值的判决比较来分配传输信道，并将结果广播至水声网络中所有的用户节点。在通信业务数据传输子时隙，获得信道分配的用户节点将接入传输信道进行通信。例如，当传输信道数目为2时，所生成一种门限值为0010时，在上述实施例中对应类型值为0000和0001所属的用户节点可以被优先分配接入传输信道进行通信，而其他用户节点则需等待至下一个时隙，返回步骤1重新执行。从而，以此方式来保障优先级高的业务数据能够被稳定、及时的传输。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。