一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统及方法

1.本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统及方法。


背景技术：

2.穿越水气界面的信息交换是水域应用的需求，水下探测信息回传需要经过水和空气两种介质。空气与海水之间的界面(简称水气界面)是一个隔离无线电波跨界面进入海水的天然屏障。随着通信技术的发展，水声通信技术成为最为广泛应用的水下无线通信技术，由于水对电磁波的强吸收特性，电磁波在水下失去用武之地，但无线电通信依然是空气中最优的无线传输方案。因此，大范围的海洋信息跨界传输网络是一个主要由水下水声链路和水上无线电链路混合组成的跨界异构网络。连通声、电网络广泛采用的方案是在海面部署网关式的中继浮标。
3.然而，复杂的水声信道环境导致声、电链路的性能严重失配，水声链路成为跨界面信息传输的性能短板，限制了端到端跨界传输信息的性能提升。现有的基于嵌入式开发的海面网关浮标的跨界面传输方案捉襟见肘，海洋数据的可靠高效传输面临着双协议栈结构的复杂声-无线电协议转换、受限的节点计算和存储资源等诸多挑战，难以突破跨界传输性能的瓶颈。另一方面，水声通信技术的发展与系统固化的浮标之间的矛盾加剧。因此亟需一种新型的跨界通信方案，来突破跨界传输性能瓶颈。


技术实现要素：

4.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统及方法。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统，包括：
7.水下通信节点，部署在水下，用于发送水声通信调制信号；
8.物理层融合浮标，部署在水面，且部分浸没在水下，负责连通水下水声网络和水上无线电网络；所述物理层融合浮标用于接收所述水声通信调制信号，对接收的所述水声通信调制信号进行采样，获得水声信号采样数据；对所述水声信号采样数据进行编码、调制后由无线电射频发射机发出，完成水下传感数据的跨水-气界面/介质传输；
9.云接收机，用于对接收到的数据进行解调，获得水声信号采样数据；对所述水声信号采样数据进行信号预处理，以识别水声信号采样数据的调制方式；根据所识别的调制格式解调所述水声信号采样数据，获得水声基带信号；获得所述水声基带信号后，向所述物理层融合浮标发送反馈信息。
10.进一步地，所述反馈信息包括对物理层融合浮标的采样率调控指令，以及对水下通信节点的控制指令或数据包接收确认信号；
11.所述物理层融合浮标接收到所述反馈信息后，根据采样率调控指令调整采样率，
以及向水下通信节点转发控制指令或者数据包接收确认信号；
12.其中，所述采样率调控指令根据无线电带宽和云端接收效果确定，所述对水下通信节点的控制指令包括对水下通信节点发射功率控制指令、auv节点行动控制指令。
13.进一步地，所述跨水气界面/介质通信系统还包括中继节点，所述中继节点用于连接所述物理层融合浮标和云接收机之间的通信；
14.所述中继节点在接收到物理层融合浮标上传的数据包后，向物理层融合浮标发送接收确认信号；物理层融合浮标在确定接收到接收确认信号后，释放存储；若物理层融合浮标检测到没有接收到接收确认信号，重新向中继节点转发数据包。
15.进一步地，所述物理层融合浮标的上行链路协议栈为单栈结构；所述物理层融合浮标的下行链路协议栈为完整的双栈结构；
16.上行链路指从水下通信节点到云接收机方向的链路，下行链路指从云接收机到水下通信节点方向的链路。
17.进一步地，所述上行链路协议栈由声电融合物理层、数据链路层、网络层构成；
18.所述声电融合物理层，以自适应调节的采样速率将接收到的水声模拟信号数字化，并以预设的方式对水声信号采样数据进行编码和调制，然后进行频谱搬移至射频，由无线电射频发射机发出；
19.所述数据链路层，负责将水声信号采样数据组装成帧，并加入控制信息，形成数据包，所述控制信息包括同步信息、地址信息、差错控制中至少一种；
20.网络层，负责选择路由，使数据包通过多跳网络到达云接收机。
21.进一步地，所述跨水气界面/介质通信系统还包括中继节点；
22.在一帧信号完整的通信过程中，所述物理层融合浮标将收到两次反馈信号，第一次反馈信号由中继节点发出，为链路级反馈；第二次反馈信号由云接收机发出，为端到端的反馈；
23.两次反馈信号的区别及物理层融合浮标处理方式如下：
24.1)当物理层融合浮标发送的射频信号被中继节点成功接收后，将收到中继节点发送的第一次反馈信号；所述第一次反馈信号为下一跳成功接收的确认消息ack，目的是提示物理层融合浮标释放上一帧缓存，并接收新一帧水声信号；
25.2)当水声信号采样数据被云接收机成功解调解码后，云接收机发送反馈信息至物理层融合浮标，即物理层融合浮标收到第二次反馈信号。
26.本发明所采用的另一技术方案是：
27.一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信方法，包括以下步骤：
28.水下通信节点将获取的水下传感数据进行调制，并向物理层融合浮标发送水声通信调制信号；
29.通过物理层融合浮标对接收的所述水声通信调制信号进行采样，并发送至云接收机；
30.云接收机对接收到的信号进行解调，获得水声信号采样数据；
31.对所述水声信号采样数据进行信号预处理，以识别水声信号采样数据的调制方式；
32.根据所识别的调制格式解调所述水声信号采样数据，获得水声基带信号；
33.获得所述水声基带信号后，向所述物理层融合浮标发送反馈信息。
34.进一步地，所述反馈信息包括对物理层融合浮标的采样率调控指令，以及对下通信节点的控制指令或数据包接收确认信号；
35.物理层融合浮标接收到所述反馈信息后，根据采样率调控指令调整采样率，以及向水下通信节点转发控制指令或者数据包接收确认信号；
36.其中，所述采样率调控指令根据无线电带宽和云端接收效果确定，所述对水下通信节点的控制指令包括对水下通信节点发射功率控制指令、auv节点行动控制指令。
37.进一步地，还包括：
38.中继节点在接收到物理层融合浮标上传的数据包后，向物理层融合浮标发送接收确认信号；物理层融合浮标在确定接收到接收确认信号后，释放存储；若物理层融合浮标检测到没有接收到接收确认信号，重新向中继节点转发数据包。
39.进一步地，在一帧信号完整的通信过程中，所述物理层融合浮标将收到两次反馈信号，第一次反馈信号由中继节点发出，为链路级反馈；第二次反馈信号由云接收机发出，为端到端的反馈；
40.两次反馈信号的区别及物理层融合浮标处理方式如下：
41.1)当物理层融合浮标发送的射频信号被中继节点成功接收后，将收到中继节点发送的第一次反馈信号；所述第一次反馈信号为下一跳成功接收的确认消息ack，目的是提示物理层融合浮标释放上一帧缓存，并接收新一帧水声信号；
42.2)当水声信号采样数据被云接收机成功解调解码后，云接收机发送反馈信息至物理层融合浮标，即物理层融合浮标收到第二次反馈信号。
43.本发明的有益效果是：本发明通过云接收机自适应调制识别技术对水声信号采样数据进行解调和处理，能够快速灵活地转换软件功能来应对不同的调制方式和变化的水声信道，因此物理层融合浮标不需要考虑是否与水下通信节点的通信模式兼容，实现成本更低。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
45.图1是本发明实施例中一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统的结构示意图；
46.图2是传统的水声跨界面/介质通信系统的结构示意图；
47.图3是本发明实施例中物理层融合浮标的结构示意图；
48.图4是本发明实施例中云接收机的结构示意图；
49.图5是本发明实施例中一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信方法的步骤流程图。
具体实施方式
50.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
51.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
52.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
53.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
54.如图1所示，本实施例提供一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统，包括水下通信节点、声-电物理层融合的中继浮标(即物理层融合浮标)、软件定义的云接收机。不同于传统的跨界面网关方案(如图2所示)，在应用层连接声、电两个独立网络，物理层融合浮标方案在物理层连接水声网络和无线电网络；物理层融合浮标不进行均衡、解调、译码等完整的水声信号处理，而是在采样后直接通过射频信号发射到云端接收机，完整的信号处理任务由云端接收机完成。在具有强大计算能力和存储资源的云接收机中，采用高性能的通信算法和软件定义技术对浮标中继信号进行处理，以更高的可靠性恢复水声通信信息。基于上述，能够有效提升水声跨界面/介质通信的可靠性、高效性和灵活性，以及降低水面浮标系统的开发成本和运维成本。
55.本实施例中，所述水下通信节点、物理层融合浮标之间的通信方式为水声通信，所述物理层融合浮标、云接收机之间的通信方式为无线电射频通信。其中，云接收机中利用软件定义技术和自适应调制识别技术对水声信号采样数据进行解调和处理，能够快速灵活地转换软件功能来应对不同的调制方式和变化的水声信道。具体地，云接收机依次执行两次信号解调、解码以还原水下传感数据。被调制的水声采样数据经转发到达云接收机后，云接收机首先解调、解码出水声信号采样数据，然后基于软件定义技术和自适应调制识别技术对水声信号采样数据进行调制格式识别、信道均衡、解调、解码等处理，最终还原出水下传感数据。
56.声-电物理层融合的中继浮标如图3所示，由上行链路和下行链路构成。物理层融合浮标的上行链路协议栈为单栈结构，由声电融合物理层、数据链路层、网络层构成；下行链路协议栈为完整的双栈结构，包含独立的声、电物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
57.其中，上行链路包含水听器、模拟信号处理模块、可控a/d采样模块和射频发射机。
水听器负责接收水下传感节点或者水下巡航器发送的水声信号，模拟信号处理模块对接收到的水声信号进行放大、滤波等处理。可控信号采样模块根据采样率控制指令以变化的采样速率对水声模拟信号进行采样，指令由数据中心根据无线电带宽与云端接收效果确定，由下行链路接收并反馈至此处，以此实现自适应采样速率调控。射频发射机负责将采样后的水声信号发射至云接收机。
58.上行链路协议栈功能及详情如下：
59.1)声电融合物理层，以自适应调节的采样速率将接收到的水声模拟信号数字化，并以合适的方式对水声信号采样数据进行编码和调制，然后进行频谱搬移至射频，由无线电射频发射机发出；
60.2)数据链路层，负责将水声信号采样数据组装成帧，并加入必要的控制信息，所述控制信息包含但不限于同步信息、地址信息、差错控制等；
61.3)网络层，负责选择合适的路由，使数据包通过多跳网络到达云接收机。
62.下行链路由射频接收机、d/a转换模块、放大/匹配电路模块组成。射频接收机接收由云接收机发送的反馈信号，所述反馈信息包含对水下通信节点的控制指令、确认信号(ack)、以及对上行链路中采样率的控制指令，浮标提取并反馈采样率控制指令至上行链路以调整采样速率。d/a转换模块和放大/匹配电路模块负责完成下行指令的水声信号调制，最终由换能器发出声波信号。
63.软件定义的云接收机如图4所示，由射频信号处理模块和声信号处理模块构成，模块功能基于软件定义技术实现。射频信号处理模块包括射频前端模块和射频信号解调/解码模块，射频信号解调解码后输出为声信号。声信号处理模块负责对水声信号进行均衡、解调和解码，还原出水下传感数据，由声信号预处理模块、自动调制识别模块、声信号解调模块组成。预处理模块任务包括但不限于执行降噪、载波频率、符号周期和信号功率的估计、均衡等中的一些或全部。自动调制识别模块负责对声信号进行调制分类识别，不同的调制识别方法需要不同程度的预处理任务。声信号解调模块根据预处理和调制识别结果进行声信号的解调，最终还原水下传感数据。
64.作为一种可选的实施例方式，在一帧信号完整的通信过程中，物理层融合浮标将收到两次反馈信号，第一次反馈信号由下一跳节点(即中继节点)发出，为链路层反馈，第二次反馈信号由云接收机发出，为端到端的反馈。数据包可能直接由物理层融合浮标发射至云接收机，如果传输距离过远，则需要中继节点，对数据包进行转发。
65.两次反馈信号的区别及浮标处理方式如下：
66.1)当浮标发送的射频信号被下一跳节点成功接收后，将收到第一次反馈信号。所述第一次反馈信号为下一跳成功接收的确认消息ack，目的是提示浮标释放上一帧缓存，并可以接收新一帧水声信号，否则浮标将重发上一帧信号；
67.2)当水声信号采样数据被云接收机成功解调解码后，云接收机发送反馈信号经转发至浮标节点，浮标节点将收到第二次反馈信号。所述第二次反馈信号包含对浮标采样率调控的指令，以及对水下通信节点的控制指令或数据包接收确认消息。所述采样率调控指令根据无线电带宽和云端接收效果确定，所述对水下通信节点的控制指令包含对节点发射功率控制、auv节点行动控制等指令。浮标接收并解码第二次反馈信号，提取采样率调控的指令调整浮标采样率，并向水下通信节点转发控制指令或者数据包接收确认信号。
68.在一个具体的实施例中，该物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统的端到端跨界传输过程包括如下步骤：
69.s01：水下通信节点发送水声通信调制信号；
70.s02：物理层融合浮标接收到水下通信节点传来的水声信号后，以预设采样速率采样水声信号，水声信号采样数据经编码、调制、封装成帧后，被暂存在缓存器中；
71.s03：封装后的水声信号采样数据由浮标的射频发射机发往云接收机；
72.s04：当浮标收到下一跳节点返回的确认消息ack则释放缓存，并开始接收新一帧水声信号，否则重发上一帧水声信号采样数据；
73.s05：云接收机成功接收由浮标发出的射频信号后，进行第一次信号解调，恢复出水声信号采样数据；
74.s06：恢复出水声信号采样数据后，接收机对水声信号采样数据进行信号预处理以识别水声信号的调制方式。预处理任务包括但不限于执行降噪、载波频率、符号周期和信号功率的估计、均衡等中的一些或全部。不同的调制识别方法需要不同程度的预处理任务；
75.s07：自动调制识别器输出水声信号采样数据的调制格式；
76.s08：接收机根据所识别的调制格式解调水声信号采样数据，输出水声基带信号；
77.s09：云接收机解码水声基带信号，并向浮标发送反馈信息。所述反馈信息包含对浮标采样率调控的指令，以及对水下通信节点的控制指令或确认消息。所述采样率调控指令根据无线电带宽和云端接收效果确定，所述对水下通信节点的控制指令包含对节点发射功率控制、auv节点行动控制等指令。
78.s10：浮标接收并解码云接收机反馈信号，提取采样率调控的指令调整浮标采样率，并向水下通信节点转发控制指令或者数据包接收确认信号；
79.s11：水下通信节点接收并执行控制指令；
80.s12：可选的，水下通信节点接收数据包确认信号，释放存储，否则重发该帧信号；
81.s13：下一帧信号到达浮标时，以调控后的采样速率循环执行步骤s102及后续步骤；
82.s14：直至水下通信节点所有数据帧发送完毕，本过程结束。
83.综上所述，本实施例相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：
84.(1)本发明物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统消除了声学和无线电之间复杂的通信协议转换，跨水-气界面的数据传输更高效，系统的软、硬件实现成本更低。
85.(2)本发明物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统极大地提高了海洋信息传输网络的灵活性和开放性。浮标系统不需要考虑是否与水下通信节点的通信模式兼容，因为软件定义的云接收器可以很容易地修改所有层的系统参数，并适应通信模式的变化，而不需要特殊的硬件。
86.(3)本发明物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统，有助于实现更好的水声信号接收性能。利用无线电的大带宽资源和低时延特征，浮标可以基于过采样技术来提高中继信号的信噪比，同时尽可能地保留原始信号的特征。云接收机拥有强大的计算和存储资源，可以支持高性能的通信算法，进一步提升接收性能。
87.如图5所示，本实施例还提供一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信方法，包括以下步骤：
88.s1、水下通信节点将获取的水下传感数据进行调制，并向物理层融合浮标发送水声通信调制信号；
89.s2、通过物理层融合浮标对接收的所述水声通信调制信号进行采样，并发送至云接收机；
90.s3、云接收机对接收到的数据进行解调，获得水声信号采样数据；
91.s4、对所述水声信号采样数据进行信号预处理，以识别水声信号采样数据的调制方式；
92.s5、根据所识别的调制格式解调所述水声信号采样数据，获得水声基带信号；
93.s6、获得所述水声基带信号后，向所述物理层融合浮标发送反馈信息。
94.进一步作为可选的实施方式，所述反馈信息包括对物理层融合浮标的采样率调控指令，以及对下通信节点的控制指令或数据包接收确认信号；
95.物理层融合浮标接收到所述反馈信息后，根据采样率调控指令调整采样率，以及向水下通信节点转发控制指令或者数据包接收确认信号；
96.其中，所述采样率调控指令根据无线电带宽和云端接收效果确定，所述对水下通信节点的控制指令包括对水下通信节点发射功率控制指令、auv节点行动控制指令。
97.进一步作为可选的实施方式，还包括：
98.中继节点在接收到物理层融合浮标上传的数据包后，向物理层融合浮标发送接收确认信号；物理层融合浮标在确定接收到接收确认信号后，释放存储；若物理层融合浮标检测到没有接收到接收确认信号，重新向中继节点转发数据包。
99.进一步作为可选的实施方式，在一帧信号完整的通信过程中，所述物理层融合浮标将收到两次反馈信号，第一次反馈信号由中继节点发出，为链路级反馈；第二次反馈信号由云接收机发出，为端到端的反馈；
100.两次反馈信号的区别及物理层融合浮标处理方式如下：
101.1)当物理层融合浮标发送的射频信号被中继节点成功接收后，将收到中继节点发送的第一次反馈信号；所述第一次反馈信号为下一跳成功接收的确认消息ack，目的是提示物理层融合浮标释放上一帧缓存，并接收新一帧水声信号；
102.2)当水声信号采样数据被云接收机成功解调解码后，云接收机发送反馈信息至物理层融合浮标，即物理层融合浮标收到第二次反馈信号。
103.本实施例的一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信方法与上述的一种物理层声电融合的跨水气界面/介质通信系统具有一一对应关系，因此具备相应的功能及有益效果。
104.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
105.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
106.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。