根据本发明的示例性实施例和非限制性实施例的启示，总体上涉及水下通信系统，并且更具体地涉及集中式管理的分级结构中的水下通信系统。
背景技术：
伴随着对海洋资源勘探、海洋环境监视和水下军事防御的兴趣和重要性的增加，对能够从海洋收集各种水下信息的水下通信的需求最近增加了。由于介质的物理特性，水下通信使用超声波进行。通过安装能够在水下环境下执行水下信息的发送/接收的传感器节点以及通过从传感器节点获取和控制水下信息，用于水下信息发送的通信网络得以实现。
由于使用超声波的水下通信环境，水下通信网络所发送的信号带宽比地面通信的带宽相对较小，并且相对于距离的信号衰减也非常大。也就是说，在水下通信网络中使用的频率不得不非常地有限，以便在几千米到几十千米的距离内进行可靠的通信。
而且，当使用水下通信网络获取水下信息的需求增加时，在水下进行通信的传感器节点的数量也增加。然而，由于可用于水下信道环境的频率的限制，传统的水下通信网络未能有效地控制传感器节点。也就是说，当在传统水下通信网络中仅使用一个频率来执行通信时，并且当相关频率被分配给一个传感器节点时，所有其他传感器节点都不能发送或接收信号。
此外，当在传统的水下通信网络中使用多个频率执行通信时，并且当想要在水中执行通信的传感器节点的数量大于所分配的频率时，数量多到超过所分配频率的水下传感器节点不能发送或接收信号。此外，在这种情况下，所有传感器节点必须连续检查周围传感器节点所分配使用的频率，使得水中的电池消耗大大增加，从而大大减少水下传感器节点的运行时间。
因为多个传感器节点不能被有效地管理，因此，传统的水下通信网络限制了可通信的传感器节点的数量。此外，由于对海洋信息的各种需求增加，增加传感器节点的数量变得不可避免，因此，很大程度上需要对各个区域的水下通信网络进行有效的控制。
技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种水下通信系统，该水下通信系统被配置成有效地实现与使用水中有限频率的多个传感器节点的通信。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种分级结构的水下通信系统，在该水下通信系统中，一个水下基站控制站以集中管理方式管理多个水下基站，并且每个水下基站采用集中管理的方式管理多个水下传感器节点。
技术方案
在本发明的一个总体方面，提供了一种水下通信系统，该系统包括：
安装在水下环境中的多个传感器节点；
集中管理多个传感器节点的多个水下基站，以便聚合由多个传感器节点检测到的水下信息；以及
水下基站控制器，集中管理安装在水下环境中的多个水下基站，其中水下基站估测水下基站和水下传感器节点之间的距离，并且控制用于分配给任意传感器节点的特定频带选择，以响应于所估测的距离。
优选但非必要地，多个水下基站可以管理每个不同的多个传感器节点。
优选但非必要地，用于水下基站和水下基站控制器之间的水下通信的第一频率范围和用于水下基站和水下传感器节点之间的水下通信的第二频率范围可以被设置并用作不同频带，其中
第一频率范围可以被分割为当从水下基站控制器向水下基站发送信号时使用的第一频带，和当从水下基站向水下基站控制器发送信号时使用的第二频带。
优选但非必要地，第一频带可以包括所有可操作频带中的最低频率，该所有可操作频带包含在第一频率范围和第二频率范围中。
优选但非必要地，第二频带可被分割为与水下基站的数量一样多的窄带频率，并且可以向每个水下基站分配不同的频率。
优选但非必要地，第二频率范围可被分割为当信号从水下基站发送到水下传感器节点时使用的第三频带，和当信号从水下传感器节点发送到水下基站时的第四频带。
优选但非必要地，第三频带可以包括操作频率中的最低频率，该操作频率包含在第二频率范围中。
优选但非必要地，第四频带可被分割为与水下基站管理的水下传感器节点数量一样多的窄带频率，并且可以以另一频率分配给每个水下传感器节点。
优选但非必要地，水下基站控制器可以估测水下基站控制器和水下基站之间的距离，并且控制将特定频带选择分配给任意水下基站，以响应于估测距离值。
优选但非必要地，多个水下基站中的每一个可以包括用于管理水下传感器节点操作频率的管理控制部件、用于控制整个水下基站的控制器、用于水下传感器节点与水下基站控制器之间通信的通信控制器、以及用于存储数据的存储器，该数据用于水下传感器节点频率管理所需的，其中，
水下基站控制器可以包括用于管理多个水下基站操作频率的管理控制部件、用于控制整个水下基站控制器的控制器、用于在多个水下基站之间进行通信的通信控制器，以及用于存储水下基站频率管理所需的数据的存储器，并且其中，
第一频率范围的频率管理可以在水下基站控制器的管理下实现，第二频率范围的频率管理可以通过管理多个水下基站来实现。
有益效果
根据本发明的水下通信系统，其特征在于，多个水下传感器节点由在水下环境中的水下基站集中管理，并且多个水下基站由水下基站控制器集中管理。此外，本发明的特征在于，水下传感器节点和水下基站之间的水下通信，以及水下基站控制器和水下基站之间的水下通信是通过使用每个不同的频率来实现的。
另外，根据本发明的水下通信系统，其特征在于，估测水下基站和水下传感器节点之间的距离，并且控制要分配给任意传感器节点的特定频带的选择以响应估测的距离值。
根据上述特征的本发明具有可以通过使用不同频率来有效地控制多个水下传感器节点和多个水下基站的有益效果。此外，由于使用更多数量的水下传感器节点来获取水下信息，所以可以提高满意度。
附图说明
图1是示出用于帮助理解本发明水下通信的常规水下通信网络示意图。
图2是根据本发明，示出整个水下通信系统的概念图。
图3是根据本发明的示例性实施例，示出分频过程的示意图，以用于在有限频带中水下通信控制的水下基站控制器和水下基站之间的高效通信，该有限频带用于控制水下通信，以及水下基站和水下传感器节点之间的高效通信。
图4是根据本发明示例性实施例，示出水下通信系统中从水下基站控制器向水下基站进行下行链路发送的数据发送协议帧结构的示意性框图。
图5是根据本发明示例性实施例，示出应用于水下通信系统的水下传感器节点的示意性框图。
图6是根据本发明示例性实施例，示出应用于水下通信系统的水下基站的示意性框图。
图7是根据本发明示例性实施例，示出应用于水下通信系统的水下基站控制器的示意性框图。
最佳模式
说明书中公开的本发明示例性实施例将通过附图详细描述，其中在整个描述中，在附图说明中将相同的附图标记表示相同的元件，并且将省略对其的重复说明。
后缀“站”、“部件”和“节点”可用于元件，以便于说明书的简单撰写。重要的含义或作用可不用赋予后缀本身。
在描述本发明时，可以省略对本领域中众所周知技术的详细描述，以避免本领域普通技术人员在不必要的细节的情况下忽视对本发明的理解。此外，仅提供附图是为了便于理解本说明书中公开的示例性实施例，并且说明书中公开的技术构思不受附图的限制，并且应当认识到的是，所描述的方面旨在涵盖所有落入本公开的范围和新颖构思内的替代、修改和变化。
应该理解的是，尽管这里可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。
应该理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，则不存在中间元件。
如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。应当进一步理解的是，在本说明书中使用的术语“包括”、“包括”和/或“包含有”、“包括有”指明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或附加。
在下文中，本发明的示例性实施例将参考附图进行详细描述。本领域技术人员将理解，除非脱离本发明的精神和基本特征，否则本发明将以其他特定形式体现。
图1是为了帮助理解本发明而示出的用于水下通信的传统水下通信网络的示意图。
图1所示的水下通信网络可以通过包括执行传感器节点（1）和汇聚节点（5）之间的信息传递角色的多个传感器节点（1）、汇聚节点（5）和中间节点（3）来形成。
如此配置的水下通信网络中的水下信息的发送可以以下面的方式实现。
从多个传感器节点（1）检测到的水下信息通过由传感器节点（1）形成的中间节点（3）以几个步骤被发送到汇聚节点（5）。然而，如此配置的水下通信网络必须经过中间节点（3）的几个步骤将从传感器节点（1）检测到的水下信息发送到汇聚节点（5）。因此，在水下通信网络用于发送所检测到的水下信息的路由算法以复杂的方式实现，该水下网络与传感器节点，几个步骤的中间节点（3）和汇聚节点连接。
此外，当在从水下通信网络中的传感器节点（1）向汇聚节点（5）发送水下信息的过程中产生错误时，重新发送检测到的水下信息的过程可能是麻烦的。另外，因为水下通信网络必须经过中间节点（3）的几个步骤，因此当在发送水下信息的中间节点中产生问题时，则生成带有问题的中间节点有关的传感器节点无法使用。
也就是说，图1所示的水下通信网络是基于ad-hoc的传感器网络结构的通信网络，其中在实现多个水下传感器节点和中间节点之间的通信之后，将水下信息发送到水下汇聚节点。这种类型的控制结构没有调整传感器节点之间网络的中央节点，使得传感器节点必须使用传感器节点拥有的信息形成网络并制作路由表。如果希望与远距离ad-hoc网络进行通信，则必须通过其他传感器节点进行通信，以产生由设置路由路径引起的延迟，并且由于多个水下传感器节点必须共享相同的频率，而降低发送效率。
而且，即使在设置路由路径之后，也可能由特殊的水下环境产生大量通信不稳定路由路径的情况，从而导致物理链路质量非常差的事实。由于这些和其它问题，图1所示的传统水下通信网络在获得和发送各种类型的水下信息的过程中，不得不承受降低包括数据发送效率在内的设备使用效率的缺点。
为了改善这些问题，本发明旨在体现分级水下通信结构的水下通信系统，同时集中管理多个水下传感器节点。
在下文中，如在本发明的说明中所使用的，“频带”和“频率”可以互换使用。“频率”可以被称为包含在“频带”中的频率，其中，“频带”和“频率”两项可以用相同的含义表示，因为其预定范围内的频率承载有几乎相同的信号。
图2是根据本发明，说明整个水下通信系统的概念图。
本发明的最基本特征是以集中方式控制多个水下传感器节点。为此，安装在水下的所有传感器节点必须实现与执行中央控制的水下基站（或中央节点）1：1控制。这意味着在传感器节点和水下基站之间实现传感器节点检测到的各种类型的水下信息的发送和检测过程所需的直接水下数据发送/接收，而无需使用其他连接装置。
同样地，多个水下基站可以由水下基站控制器集中控制。为此，安装在水中的所有水下基站与执行中央控制的水下基站控制器必须实现1：1控制。这意味着直接发送/接收的实现是不需要通过水下基站控制器和水下基站之间的其他连接手段。
本发明的水下通信系统可以包括安装在水下的多个传感器节点（10）。传感器节点（10）可以固定地或可移动地安装在水下环境中。为了获得大量的水下信息，传感器节点（10）可以安装尽可能多的数量。多个传感器节点（10）可以被配置为接收每个水下基站（20）的控制。因此，响应于控制传感器节点的水下基站（20），多个传感器节点（10）可以被分割为每个不同的组。也就是说，属于第一组的多个传感器节点可以从第一水下基站接收中央控制，属于第二组的多个传感器节点可以从第二水下基站接收中央控制。传感器节点（10）可以包括用于信号发送的换能器（14），以便与水下基站（20）和用于信号接收的水听器（12）执行水下通信。
每个传感器节点的分割优选地由传感器节点和水下基站之间的距离来进行，每个传感器节点被配置为从每个水下基站接收控制。也就是说，布置在水下基站的水下通信范围内的传感器节点可以被包裹在同一组中以接收来自水下基站的控制。此外，传感器节点和水下基站之间的距离可能意味着存在于水下基站的信号可发送/可接收范围内的传感器节点。
因此，本发明的水下通信系统可以包括聚集由多个传感器节点（10）收集的水下信息的水下基站（20）。水下基站（20）可以执行将由多个传感器节点收集的水下信息发送到水下基站控制器（30）的功能。此外，水下基站（20）可以集中管理包括在其水下的信号可发送/可接收区域中的多个传感器节点。因此，水下基站（20）安装有多个，并且每个水下基站（20）可以相互管理不同的传感器节点。水下基站（20）可以固定安装在水下环境中。水下基站（20）可以包括用于信号发送的换能器（17），以执行与传感器节点（10）的水下通信，以及用于信号接收的水听器（19）。此外，水下基站（20）可以包括用于与水下基站控制器（30）进行信号发送的换能器（18），以及用于信号接收的水听器（16）。
另外，本发明的水下通信系统可以包括水下基站控制器（30），以将从多个水下基站收集的水下信息发送到地面网络。水下基站控制器（30）可以固定安装在海上浮标上，海上浮标安装在海平面上。因此，水下基站控制器（30）可以包括天线（26），用于执行与地面通信网络的无线通信，以及用于与水下基站（20）进行水下通信的换能器（22）和水听器（24）。
此外，本发明的水下通信系统中的水下基站控制器（30）可以集中管理多个水下基站（20）。此时，由水下基站控制器（30）管理的水下基站（20）可以指位于水下基站控制器（30）的信号可发送/可接收范围内的水下基站。
如此配置的本发明水下通信系统可以整体上以以下方式进行控制。
本发明的水下通信系统可以应用分级和集中管理方式的通信结构。也就是说，水下基站控制器（30）可以通过天线（26）与地面通信网络进行通信。此外，水下基站控制器（30）还可以通过换能器（22）和水听器（24）执行水下通信。此外，水下基站控制器（30）可以通过集中管理的方式控制多个水下基站（20）。同样地，每个水下基站（20）可以通过集中管理的方式与多个传感器（10）进行水下通信。
因此，固定且可移动地安装在水下环境中的多个传感器（10）中的每一个都可以被配置为接收来自任何一个水下基站（20）的控制。此外，由多个传感器（10）检测到的水下信息可以由控制传感器（10）的水下基站（20）收集。另外，由多个水下基站（20）收集的水下信息可以集中在水下基站控制器（30）处。
通过从到达水下基站控制器（30）的多个水下传感器节点（10）收集的水下信息的过程，可实现水下基站（20）与水下基站控制器（30）之间的数据通信，以及实现水下基站（20）和传感器节点（10）之间的数据通信，并且在执行每个数据通信时使用互不相同的频带。以下，将对其进行详细说明。
图3是根据本发明的示例性实施例，示出分频过程的示意图，以用于在有限频带中水下通信控制的水下基站控制器和水下基站之间的高效通信，该有限频带用于控制水下通信，以及水下基站和水下传感器节点之间的高效通信。
参考图3所示，水下基站控制器与水下基站之间的通信以及水下基站与水下传感器节点之间的通信在水下通信中执行。
水下通信基本上是通过超声波来实现的。此外，水下通信中的可用频率受到限制，或者水下基站控制器（30）中的可用频率受到限制。可用频率可能受到与外部频率使用协议的限制，但也可能受到水下基站控制器（30）拥有的物理环境的限制。也就是说，可用频率也可能受到水下基站控制器（30）可以执行数据通信距离的限制。
一般来说，水下环境中的声学可通信频带范围为1khz〜70khz。虽然水下可通信频带响应于技术发展而逐渐被扩大，但显然地，当前水下可通信频带被限制在可用频带，并且可用频带又被分割为满足相关带宽的窄带。
因此，可以将整个可用频带分割为可用于水下基站控制器和水下基站之间通信的频带，以及可用于水下基站和水下传感器节点之间通信的频带。这里，整个可用频带包括用于水下基站控制器（30）与多个水下基站（20）之间的数据通信的整个频带，和用于与水下传感器节点（10）进行数据通信的频带，该水下传感器节点（10）在由水下基站控制器（30）控制的所有水下基站（20）中。
以下可使用的整个频带将被表示为整个频带，水下基站控制器（30）以及多个水下基站（20）中使用的频带将被表示为第一频带区域，在多个水下基站（20）和多个传感器节点（10）之间使用的频带将被表示为第二频带区域，其表示将在下文本说明书中使用。
第一频带区域可以包括在当水下基站控制器（30）和多个水下基站（20）双向地执行数据通信时所使用的频率。在整个频带中，第一频带区域可以被设置为比第二频带低的频带。
通常，通信范围，即通信距离，随着在水下通信环境中发送/接收频率降低而增加。因此，当从水下基站（20）向水下基站控制器（30）发送信号时，在整个频带中使用最低频带（410），以允许所有水下基站（20）接收水下基站控制器（30）的发送信号，无论水下基站控制器（30）安装的距离如何。
此时，频带（41）可以由所有水下基站（20）使用下行链路进行共享，并且可以在从水下基站控制器（30）到水下基站（20）的信号发送期间使用。此外，除了频带（41）之外的第一频带区域中的其他剩余频带（42、43、44）可以使用上行链路，以被分配给每个水下基站（20），并且可以在从水下基站（20）发送信号到水下基站控制器（30）中使用。
鉴于随着频率增大，声音信号的衰减通常在水下环境中增大，因此就信号发送距离和准确度而言，较低的频率是优选的。在这种情况下，上行链路中的最低频带（42）可以优选地由距离水下基站控制器（30）较远距离的水下基站使用，以及第一频带区域中的最高频带（44）优选地由距离水下基站控制器（30）1km内安装的水下基站（20）使用。
此外，除了如图所示的频率范围（41）之外，第一频率范围可以被分割为多个小频带（42、43、44）。此时，优选地，小频带的分割可以实现与水下基站控制器（30）可管理的水下基站（20）的数量一样多。
接下来，第二频率范围可以包括当水下基站控制器（30）和多个水下基站（20）双向地执行水下数据通信时使用的频率。在整个频率范围中，第二频率范围可以被设置为比第一频率范围更高的频带。当信号在水下基站（20）的控制下发送到所有水下传感器节点（10）时，即使在第二频率范围中也可以使用最低频带（45）。
频带（45）可以由所有使用下行链路的传感器节点共享。此外，除了频带（45）之外的第二频率范围中的剩余频带（46、47、48）可以使用上行链路被分配给每个传感器节点，并且可以在从传感器节点（10）发送到水下基站（20）时被使用。上行链路中的最低频带（46）可以优选地由离水下基站（20）较远距离的传感器节点（10）使用，并且第二频率范围中的最高频带（48）可以优选地由距离水下基站（20）1km内距离最近的传感器节点使用。
也就是说，除了频率范围（45）之外，第二频率范围可以被分割成多个小频带（46、47、48），如附图所示。此时，可以优选地将小频带分割为与水下基站（20）可管理的传感器节点（10）的数量一样多的数量。水下基站（20）可管理的传感器节点表示包含在数据可传送/可接收区域中的传感器节点，而与水下基站（20）的距离无关。
第二频率范围可以是包括水下基站和水下传感器节点之间的操作频率的区域。本发明中的水下基站可以形成为多个。虽然图3中的第二频率范围以单数表示，与第二频率范围一样，包括在水下基站和水下传感器节点之间的操作频率范围可以形成为与水下基站的数量相同的数量。也就是说，水下通信是利用每个水下基站使用不同频带的多个水下传感器节点来实现的。此外，可以向多个第二频率范围分配与水下基站控制器和水下基站之间的距离成反比的频率，以允许设置在远距离处的水下基站使用低频。
因此，根据图3所示，本发明可以通过分割用于水下基站控制器（30）和水下基站（20）之间水下通信的频率，以及水下传感器节点（10）和水下基站（20）之间水下通信的频率来使用频率。此外，即使在水下基站控制器（30）和水下基站（20）之间的水下通信中，用于从水下基站控制器（30）向水下基站（20）发送信号的下行链路信道频带，以及用于从水下基站（20）向水下基站控制器（30）发送信号的上行链路信道频带都被分割。同样地，即使在水下传感器节点（10）和水下基站（20）之间的水下通信中，用于从水下基站（20）向水下传感器节点（10）发送信号的下行信道的频带，以及将从水下传感器节点（10）向水下基站（20）发送信号的上行链路信道的频带也被分割。如上所述的分频可以使频率之间的信号干扰最小化以便满足相关带宽。
接下来，图4是根据本发明示例性实施例，示出在水下通信系统中从水下基站控制器（30）向水下基站（20）下行链路发送数据发送协议的帧结构的示意性框图。
本发明的水下通信协议的帧结构（50）可以通过包括同步信号（51），控制信号（52）和交通信号（53）来配置。虽然图4示出了从水下基站控制器（30）向水下基站（20）发送下行链路的帧结构，本发明中所有设备之间的数据发送协议具有与上述相同的帧结构。唯一不同的是同步信号，控制信号和交通信号的数据内容不同。同步信号（51）可以被在水下基站控制器（30）的控制下所有水下基站（20）接收，使得实现水下基站（20）之间的时间同步，该同步信号（51）包含在从水下基站控制器（30）发送到水下基站（20）的下行链路的帧结构中。此外，同步信号（51）可以用于检测id信息，其中每个水下基站（20）的数据发送时间在检测中被分配。
控制信号（52）可以包括检测交通信号（53）所需的所有信息，即关于交通信号的调制方法信息，该控制信号（52）包含在从水下基站控制器（30）向水下基站（20）发送的下行链路的帧结构中。因此，水下基站（20）可以接收要从水下基站控制器（30）发送的信号，可以响应于同步信号（51）分配其数据发送时间，并且可以使用控制信号（52）来检测交通信号（53）。
同样地，水下基站控制器（30）可以具有如图4所示的结构，水下基站控制器（30）包含在从水下基站（20）向水下基站控制器（20）发送上行链路的帧结构中。也就是说，控制信号（52）可以接收同步信号，同步信号包含在从水下基站（20）到水下基站控制器（30）的上行链路发送的帧结构中，控制信号（52）可以用于框架时间同步并且可被用于检测水下基站（20）的id信息。
控制信号可以包括交通信号所需的所有信息，即关于交通信号调制方法的信息，控制信号包含在从水下基站（20）向水下基站控制器（30）发送的上行链路的帧结构中。因此，水下基站控制器（30）可以接收从水下基站（20）发送的信号，并且可以响应于同步信号，以确定每个水下基站（20）的数据发送时间。
通过上述过程，当在水下基站（20）和水下基站控制器（30）之间实现时间同步时，实现控制过程，该过程将水下信息从水下基站（20）周期性地发送到水下基站控制器（30），以响应于所同步的发送时间。
此外，从水下基站（20）向水下传感器节点（30）发送的下行链路的帧结构可以具有如图4所示的结构。
也就是说，在水下基站控制下的所有传感器节点（10）可以接收包含在从水下基站（20）到水下基站控制器（30）的下行链路发送帧结构中的同步信号，其中控制信号用于每个传感器节点的时间同步。此外，该同步信号被用于检测水下基站（20）的id信息。每个传感器节点（10）可以被分配其自身的数据发送时间。
控制信号可以包括检测交通信号所需的所有信息，即关于交通信号调制方法的信息，控制信号包含在从水下基站（20）向水下传感器节点（10）发送的上行链路的帧结构中。因此，传感器节点（10）可以确定其自身的数据发送时间，以响应于由水下基站（20）发送的同步信号，并且使用该控制信号来检测交通信号。
此外，从水下传感器节点（10）向水下基站（20）发送的上行链路的帧结构可以具有如图4所示的结构。也就是说，水下基站（20）可以接收包含在从水下传感器节点（10）到水下基站（20）的上行链路发送帧结构中的同步信号，其中同步信号用于框架时间同步和用于检测水下传感器节点（10）上的id信息。
控制信号可以包括检测交通信号所需的所有信息，即关于交通信号调制方法的信息，控制信号包含在从水下传感器节点（10）向水下基站（20）发送的上行链路的帧结构中。因此，水下基站（20）可以确定每个传感器节点的id信息，以响应于从水下传感器节点（10）发送的同步信号。
通过上述过程，当在水下基站（20）和水下传感器节点（10）之间实现时间同步时，实现控制过程，该控制过程周期性地将水下信息从水下传感器节点（10）发送到水下基站控制器（30）中，以响应于所同步的发送时间。
因此，根据图4所示，本发明可以使用由水下基站控制器（30）指定的频带（41）向水下基站（20）发送信号。此时，水下基站（20）可以首先接收同步信号（51）和控制信号（52），然后使用同步信号执行时间和频率同步过程。此外，水下基站（20）可以在分配给上行链路信道的指定频带中向水下基站控制器（30）发送同步信号和控制信号。
通过上述过程，在水下基站控制器（30）和水下基站（20）之间实现了相互id确定过程，从而变成数据可发送/可接收信道打开的状态，由此可以在水下基站控制器（30）和水下基站（20）之间实现交通信号的发送/接收。
接下来，水下基站（20）可以将包含在水下基站id中的同步信号和控制信号发送到水下传感器节点（10）。水下传感器节点（10）可以接收同步信号和控制信号，并且可以使用同步信号来实现时间和频率同步过程。此外，水下传感器节点（10）可以获得水下基站（20）的id信息，并且可以通过上行链路信道将同步信号和控制信号发送到水下基站（20）。
通过上述过程，在水下传感器节点（10）和水下基站（20）之间实现了相互id确定过程，从而变成数据可发送/可接收信道打开的状态，由此可以在水下基站（20）和水下传感器节点（10）之间实现交通信号的发送/接收。
本发明中使用的水下通信协议可以具有基于ieee802.15.4的标准的超帧结构。也就是说，在水下基站控制器（30）的控制下，本发明的水下基站控制器（30）和水下基站（20）之间的水下通信可以响应于分配给水下基站（20）的发送时间来实现数据发送/接收。此外，在水下基站（20）的控制下，本发明的水下传感器节点（10）和水下基站（20）之间的水下通信可以响应于分配给水下传感器节点（10）的发送时间而实现数据发送/接收。
此外，本发明的设备之间进行的水下通信可以通过使用各种多址方法（频分多址方法、时分多址方法、码分多址方法、载波检测多重连接方法等等）实现，并且在进一步详细描述中省略了公知的多路访问方法。
接下来，图5是根据本发明示例性实施例，示出应用于水下通信系统的水下传感器节点的示意性框图。
图6是根据本发明的示例性实施例，示出应用于水下通信系统的水下基站的示意性框图。
图7是根据本发明示例性实施例，示出应用于水下通信系统的水下基站控制器的示意框图。
参考图5所示，传感器节点10可包括用于收集水下所需数据的一个或多个传感器部件（60），以及第一通信控制器（66），用于调制由每个传感器部件（60）感测的数据，以及用于通过将调制数据转换为超声波发送数据到水下基站（20），或者通过接收从水下基站（20）发送的超声波来解调数据。第一通信控制器（66）可以包括用于发送信号的换能器（14）和用于接收信号的水听器（12）。传感器节点（10）还可以包括第一控制器（62），用于控制传感器部件（60）和第一通信控制器（66）并执行传感器节点和其他设备所需的各种控制。此外，传感器节点（10）可以通过第一存储器（64）配置而成，第一存储器（64）包括用于存储传感器节点（10）的整个操作控制所需的各种数据和算法，并存储由传感器部件（60）检测到的水下信息。
多个传感器部件（60）可以感测各种类型的水下信息，包括迎合其目的的水温，溶解氧和地震波，并将感测到的数据输出到第一控制器（62）。传感器部件（60）可以是数字传感器，但是可以被配置为通过将在模拟信号中感测到的数据转换为数字信号来输出数字信号。在这种情况下，传感器部件（60）可以包括将模拟信号转换为数字信号的adc（模拟/数字转换器）。此外，本发明中所有配置中的数据信号处理基本上都是数字信号。
通过在水中使用超声波，第一通信控制器（66）可以执行发送和/或接收数据的功能。也就是说，换能器（14）可以通过将水下信息转换为超声信号，而将由传感器部件（60）检测到的水下信息发送到水下基站（20）。此外，水听器（12）可以接收从水下基站（20）发送到第一控制器（62）的超声波。
所示出的传感器节点（10）可以通过水听器（12）接收由水下基站（20）发送的水下信息。为了能够接收从水下基站（20）发送的信号，可以利用在下行链路上设置的频带（45）的频率设置来实现水听器（12）。此外，换能器（14）可以被设置在特定频率上，该特定频率包含在分配给自身的频带中的，并且换能器（14）以设定的特定频率发送要发送到水下基站（20）的信息。
然而，在未实现每个传感器节点（10）的频率设置的初始设置过程中，需要使用下行链路的频带来设置传感器节点（10）处的换能器（14）频率。这是为了发送/接收在实现水下基站（20）和传感器节点（10）之间的频率分配之前所需的数据。因此，包含在传感器节点（10）的第一通信控制器（66）中的换能器（14）和水听器（12）的频率设置可以优选地被配置为可变地控制。
第一控制器62可以执行将由传感器部件60检测到的各种类型的水下信息存储在第一存储器64中的控制，或者可以执行通过第一通信控制器（66）实现的发送/接收水下信息的控制。此外，第一控制器（62）可以执行对传感器节点（10）与水下基站（20）之间的距离检测的控制。
为此，第一控制器（62）可以包括通过水听器（12）接收为了由水下基站（20）进行距离检测而发送的参考信号，并检测接收功率的大小的配置。通过直接检测接收到的信号的功率或者检测功率的电流或电压，可以通过简单的计算过程来检测接收到的信号的功率强度。接收功率大小的检测配置可以使用包括本领域中公知的功率检测器的各种技术来应用。此外，通过在接收部件安装电流检测电阻器可以简单地检测电流大小。这些检测方法是公知的技术，并且将不会省略进一步扩展说明。此外，通过使用预先存储在第一存储器（64）中的功率强度相对距离值，使用检测到的接收信号的功率强度的距离估测是可行的。
此外，作为检测距离的另一种方法，第一控制器（62）可以检测从水下基站（20）发送信号之后直到到达传感器节点（10）所消耗的延迟时间。例如，延迟时间的检测可以通过从水下基站（20）开始信号发送的时间信息与信号已到达的时间信息之间的距离来实现。此外，为了检测到达时间信息，优选的是，计时功能被包含在第一控制器（62）中。此外，通过使用预先存储在第一存储器（64）中的延迟的时间相对距离值，可以使用检测到的延迟时间进行距离估测。
第一存储器（64）可以用于存储由传感器节点（10）需要和检测的各种类型的信息。传感器部件（60）所检测的信息也可以存储在第一存储器（64）中。特别地，当传感器节点（10）直接执行距离检测时，第一存储器（64）可以存储有用于距离检测的各种类型的信息。例如，第一存储器（64）可以存储用于确定接收到的功率强度的信息、用于检测所延迟的时间的信息、使用所接收功率强度用于确定水下基站（20）与传感器节点（10）之间距离的信息，以及水中频带可通信的信息，以响应于估测的距离信息。第一控制器（62）能够使用存储在第一存储器（64）中的各种类型的信息来执行距离估测、特定频带请求等的处理。
需要水下基站（20）和传感器节点（10）之间的距离检测的原因是执行与该距离相关联的频带设置。也就是说，由于可发送/可接收的频带响应于距离而不同，因此需要将所有水下传感器节点（10）设置为具有足以执行与水下基站有效数据发送/接收的频带（20）。因此，在完成距离检测之后，实现适合于每个传感器节点（10）的频率设置处理，并且在适用于每个传感器节点（10）的频率设置完成之后，数据通信可以在分配给每个传感器节点的时候实现。
参考图6所示，水下基站（20）可以包括第二通信控制器（76），该第二通信控制器包括换能器（17）和水听器（19），以使用超声波与传感器节点（10）执行水下信号的发送/。此外，为了与水下基站控制器（30）进行水下信号的发送/接收，第二通信控制器（76）可以包括换能器（18）和水听器（16）。此外，水下基站（20）可以包括第二控制器（70），用于执行通信控制器的控制及控制信息存储，以及第二存储器（74），用于存储水下基站（20）操作所需的各种类型的信息。
还此外地，水下基站（20）必须分割可用频带，并将可用频带分配给多个传感器节点。因此，水下基站（20）可以允许第二控制器（70）执行控制频带的分割，分割的数量与包含在其数据通信区域中的传感器节点的数量一样多。此外，水下基站（20）也可以包含有水下传感器节点的操作频率管理控制器（72），可存储分割后的频带信息，各传感器节点信息的识别信息，以及响应于每个传感器节点的各种控制信息和水下信息。水下传感器节点的操作频率管理控制器（72）可以存储响应于所估测距离信息的可分配水下可通信频带信息。也就是说，水下传感器节点的操作频率管理控制器（72）可以估测水下基站（20）和传感器节点（10）之间的距离，并控制可分配给任意传感器节点的特定频带的选择。此外，水下传感器节点的操作频率管理控制器（72）也可以包含用于分频的控制信息、存储关于被分割频带的信息和与被设定为分割后频带的传感器节点相关联的信息。此外，水下传感器节点的操作频率管理控制器（72）可以存储从传感器节点收集的水下信息。
本发明可以被配置为使用水下基站（20）和水下传感器节点（10）之间的操作频率并将其分割成更小的频带，如图3所示。因此，第二控制器（70）可以通过将可用频带分割为窄带频率来控制分频，并且可以进行控制使得在用任意传感器节点（10）发送/接收信号时，通过此后为每个传感器节点分配不同的频率来实现有效的发送/接收。
此外，第二通信控制器（76）的换能器（17）可允许在所分配的频带处将频率设置为最低频率（45），因为在水下基站的控制下，向所有传感器节点（10）信号的发送必须启用。此外，第二通信控制器（76）内的水听器（19）可以改变频率设置，以响应于要执行数据通信的任意传感器节点，以实现与数据通信执行的传感器节点的频率匹配。但是，在未设定各传感器节点（10）频率的初始设定处理中，也可以将水听器（19）设定为分配给水下基站的频率中的最低频带。这是为了能够接收从存在于所有距离的传感器节点发送的信号，因为，这在利用频率设置传感器节点（10）之前。
为此，第二通信控制器（76）可以控制分频，并且控制一系列过程，在该过程中，水听器（19）的频率被可变地设置为适合于数据发送时间的频率。分频器的分频操作可以优选地以数字方式执行。
尽管本发明还可以实现由传感器节点（10）的第一控制器（62）执行距离检测过程的情况，但是本发明还可以实现由水下基站（20）的第二控制器（70）执行距离检测过程的情况。
因此，第二控制器（70）可以包括一配置，该配置接收由传感器节点（10）发送的用于由传感器节点（10）进行距离检测的参考信号，并检测接收功率的大小。通过直接检测接收到的信号的功率或者检测功率的电流或电压，可以通过简单的计算过程来检测接收到的信号的功率强度。接收功率大小的检测配置可以使用包括本领域中公知的功率检测器的各种技术来应用。显而易见的是，传感器节点可以实现接收功率的大小检测，该传感器节点用于执行大小检测并仅接收检测到的信息。此外，可以通过电流检测电阻器的安装，来简单地检测电流大小。同样地，电流大小的检测可以由传感器节点执行，并且仅检测到的电流大小的接收也是可行的。这些检测方法是公知的技术，并且将不会省略进一步的扩展说明。此外，通过使用预先存储在第二存储器（74）中的功率强度相对距离值，使用检测到接收信号的功率强度的距离估测是可行的。
此外，作为检测距离的另一种方法，通过检测在从传感器节点（10）发送信号之后到达水下基站（20）所消耗的延迟时间，第二控制器（70）可以使用距离检测方法。例如通过比较从传感器节点（10）开始信号发送的时间信息与信号到达水下基站（20）的时间信息之间的差异，可以使延迟时间的检测成为可能。此外，为了检测到达时间信息，优选的是，计时功能被包含在第二控制器（70）中。此外，通过使用预先存储在第二存储器（74）中的延迟的时间相对距离值，可以使用检测到的延迟时间来实现距离估测。
第二存储器（74）可以用于存储由水下基站（20）所需和检测的各种类型的信息。特别地，当水下基站（20）执行距离检测时，第二存储器（74）可以存储用于距离检测的各种类型信息。例如，通过使用从传感器节点（10）提供的接收功率强度和延迟时间，第二存储器（74）可以存储信息，以确定水下基站（20）和传感器节点（10）之间的距离。
参考图7所示，水下基站控制器（30）可以包括第三通信控制器（86），该第三通信控制器包括换能器（22）和水听器（24），以使用超声波与水下基站（20）进行水下信号的发送/接收。此外，第三通信控制器（86）可以包括执行与地面通信网络无线通信的配置。此外，水下基站控制器（30）可以包括第三控制器（82），用于执行第三通信控制器（86）的控制，并控制信息存储；以及第三存储器（84），用于存储用于水下基站控制器（30）的操作所必需的各种类型的信息。
另外，水下基站控制器（30）必须分割可用频带，并将可用频带分配给多个水下基站（20）。因此，第三控制器（82）可以执行频带的分割控制，频带分割成与包含在其数据通信区域中的水下基站（20）的数量一样多。
此外，水下基站控制器（30）可以包括水下基站的操作频率管理控制器（80），用于存储所分割的频带信息，用于每个水下基站信息的识别信息，响应于每个水下基站的各种类型的控制信息和水下信息。
水下基站的操作频率管理控制器（80）可以存储响应于估测的距离信息可分配的水下可通信频带信息。也就是说，水下基站的操作频率管理控制器（80）可以估测水下基站（20）和水下基站控制器（30）之间的距离，并控制可分配给每个水下基站的特定频带的选择。此外，水下基站的操作频率管理控制器（802）可以包括用于分频的控制信息，并且存储关于所分割频带的信息，和与设置到所分割频带的水下基站相关联的信息。此外，水下基站的操作频率管理控制器（80）可以存储从水下基站控制器收集的水下信息。
如图3所示，本发明可以被配置为使用水下基站（20）和水下基站控制器（30）之间的操作频率并将其分割成更小的频带。因此，第三控制器（82）可以通过将可用频带分割为窄带频率来控制分频，并且可以进行控制，通过以下在任意水下基站信号的（20）发送/接收期间，分配给每个水下基站不同频率，来实现有效发送/接收。
此外，第三通信控制器（86）的换能器（22）可以允许在分配的频带处将频率设置为最低频率（41），这是因为在水下基站控制器（30）的控制下，向所有水下基站（20）的信号发送必须激活。此外，第三通信控制器（86）内的水听器（24）可以是这样的频率设置，即响应于要执行数据通信的任意水下基站（20），频率设置是可变的，这是为了实现频率与进行数据通信的水下基站（20）的匹配。
但是，在各水下基站（20）未设定频率的初始设定处理中，也可以将水听器（24）设定为分配给水下基站控制装置（30）的频率中的最低频带。这是为了激活从所有距离存在的水下基站（20）发送信号的接收，因为这是在以频率设置实现水下基站（20）之前。
为此，第三通信控制器（86）可以控制分频，并且控制水听器（24）的频率被可变地设置为适合于数据发送时间频率的一系列过程。分频操作可以优选地以数字方式执行。
此外，为了允许将所分割的频率分配给本发明的每个水下基站，需要在水下基站（20）和水下基站控制器（30）之间进行距离检测，并且该过程可以是在水下基站（20）内实施。此外，水下基站控制器（30）也可以执行该过程。
因此，第三控制器（82）可以包括一配置，该配置接收由水下基站（20）发送的参考信号以供水下基站（20）进行距离检测，并检测接收功率的大小。通过直接检测接收到的信号的功率或者检测功率的电流或电压，可以通过简单的计算过程来检测接收到的信号的功率强度。接收功率大小的检测配置可以使用包括本领域中公知的功率检测器的各种技术来应用。显而易见的是，传感器节点执行大小检测并仅接收检测到的信息可以实现接收功率的大小检测。此外，可以通过电流检测电阻器的安装来简单地检测电流大小。同样地，电流大小的检测可以由传感器节点执行，并且仅检测到的电流大小的接收也是可行的。这些检测方法是公知的技术，并且将不会省略进一步的扩展说明。此外，通过使用预先存储在第二存储器（74）中的功率强度相对距离值，使用检测到的接收信号的功率强度进行距离估测是可行的。
此外，作为检测距离的其他方法，在从水下基站（20）发送信号后，通过检测到达水下基站控制器（30）为止的延迟时间，第三控制器（82）也可以使用距离检测方式。例如，延迟时间的检测可以通过比较从水下基站（20）开始信号发送的时间信息与信号已经到达水下基站控制器（30）的时间信息之间的差异来实现。此外，为了检测到达时间信息，优选在第三控制器（82）中包括计时功能。此外，通过使用预先存储在第三存储器（84）中的延迟时间相对距离值，可以使用检测到的延迟时间进行距离估测。
此外，第三存储器（84）可以用于存储由水下基站控制器（30）所需和检测的各种类型的信息。特别地，当由水下基站控制器（30）执行距离检测时，第三存储器（84）可以存储要用于距离检测的各种类型的信息。例如，第三存储器（84）可以存储信息，以使用从水下基站（20）提供的接收功率的强度来确定水下基站（20）与水下基站控制器（30）之间的距离，以及延迟时间。
根据上述配置的水下通信系统可以将由水下基站控制器（30）使用的整个频带分割为水下基站和水下基站控制器之间的操作频率，以及水下基站和水下传感器节点之间的操作频率。
此时，优选地，通过使用由水下基站控制器（30）管理的水下基站（20）的数量，和水下基站（20）管理的水下传感器节点（10）的数量，可以在相关带宽允许范围内分割频分。
此外，当信号从水下基站控制器（30）发送到水下基站（20）时，在这些频率中使用最低频率（41），以便能够激活所有水下基站（20）的信号接收。此外，响应于距离的频率分配可以被这种方式控制，即布置在最远距离处的水下基站（20）被分配有关于水下基站控制器（30）的下一个低频（42）。
在如上所述实现对每个水下基站（20）的频率分配之后，水下基站控制器（30）可以以集中管理的方式管理多个水下基站（20），并且当信号从（20）水下基站控制器（30）发送到是水下基站（20）中时，频率分配可以通过使用第一频率（41）来实现，并且当信号从每个水下基站（20）发送到水下基站控制器（30）时，频率分配可以通过使用分配给它的频率来实现。
此外，当从水下基站（20）向水下传感器节点（10）发送信号时，可以使用在被分配的多个频率中的最低频率（45），以激活所有水下传感器节点（10）的信号接收。此外，响应于距离的频率分配可以被这样的方式控制，即布置在最远距离处的水下传感器节点（10）被分配有关于水下基站（20）的下一个低频（42）。
如上所述，在对每个水下传感器节点（10）实现频率分配之后，水下基站（20）可以以集中管理的方式管理多个水下传感器节点（20），并且当信号从水下基站（20）发送到多个水下传感器节点（120）时，频率分配可以通过使用频率（45）来实现，并且当信号从每个水下传感器节点（10）发送到水下基站（20）时，频率分配可以通过使用分配给它的频率来实现。
因此，前面的详细说明可以认为不是限制解释，而是在所有方面看都是示例性的。本发明的范围可以通过对所附权利要求的理性解释来确定，并且在本发明的等同范围内的所有改变都包括在本发明的范围内。
附图标记的说明
10：水下传感器节点
20：水下基站
30：水下基站控制器
12、16、19、24：水听器
14、18、19、22：换能器。
工业适用性
本发明特别适用于集中管理分级结构的水下通信系统。