專利名稱：分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水聲通信和水聲通信網(wǎng)絡，尤其是涉及一種分布式水聲網(wǎng)絡地址的配
置方法。
背景技術：
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和國防建設的需要，水面(或水下)設備之間進行信息傳輸和指令控制的應用日益增多，如海洋數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)控、海底勘探、自然災害預警、分布式戰(zhàn)術 監(jiān)督等都需要水下設備之間進行信息傳輸和指令交互。目前，上述應用大多是纜方式。有 纜方式的存在諸如目標活動范圍受限制、通信纜道的安裝和維護費用高昂、影響其它海洋 活動等缺點，無法滿足日益多元化的水下通信的應用需求。因此，從有纜方式向無纜方式演 進成為水下通信的必然趨勢。當前最積極、最活躍、發(fā)展最快的電磁波通信，由于其自身的物理特性，并不適合 水下無纜通信的應用需求。采用聲波作為信息傳送載體是目前水下無纜通信的主要方式。 然而，水聲信道是一個十分復雜的“時、空、頻”信道。環(huán)境噪聲高、帶寬窄、可適用的載波頻 率少、傳輸時延大等特點，使得水聲通信成為現(xiàn)代通信技術中最具挑戰(zhàn)性的研究課題之一。 在分布式水聲網(wǎng)絡中，通信機需要與鄰近節(jié)點進行信息交換。為每個節(jié)點分配一個唯一的 地址是保證分布式網(wǎng)絡正常運作的前提。目前，在分布式網(wǎng)絡中，通信節(jié)點的地址通常采用 “軟地址”配置方法，即地址是通過地址幀的信息內容進行區(qū)分的?！败浀刂贰钡呐渲梅绞揭?求通信機必須先通過同步、解調等獲取地址幀的信息內容，而后才能判斷地址幀的數(shù)據(jù)信 息是否與本機事先分配的地址信息內容相符。在誤碼率高、時延較長、節(jié)能要求高的水聲通 信中，“軟地址”配置方法存在以下幾個主要缺陷1) “軟地址”配置方法必須先解調出地址幀的信息，才能判斷本機是否要參與通 信。對非呼叫對象的節(jié)點而言，大量的節(jié)點能量將頻繁消耗在于已無關的地址幀的信息解 調上，直接影響分布式網(wǎng)絡的能量利用效率。2) “軟地址”配置方法在節(jié)點數(shù)量增加的時候，常采用增加地址幀長度的方法。地 址幀長度增加則意味著發(fā)射節(jié)點需要消耗更多的信道資源以傳輸?shù)刂穾璧臄?shù)據(jù)。3) “軟地址”配置方法在網(wǎng)絡結構、節(jié)點從屬關系等配置上必須依據(jù)地址幀的信息 編碼，缺乏有效的處理方式，較難實現(xiàn)多級化的地址分類和配置。針對上述缺陷，本發(fā)明提出了一種分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)“軟地址”方法，提供一種效率較高、易擴展，可在實現(xiàn)地 址配置的同時，也實現(xiàn)點對點通信的同步的分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法。本發(fā)明包括以下步驟1)確定地址配置層次關系，對分布式水聲網(wǎng)絡節(jié)點的地址編組配置；2)根據(jù)分布式網(wǎng)絡的結構和應用需求，確定分布式網(wǎng)絡應用所需的主簇地址個數(shù)、子簇地址個數(shù)和擴展地址個數(shù)；3)在所使用的水聲通信頻段內，選擇Nm個不同的頻率構成Nm個正交時-頻信號， 分別表示Nm個主簇地址，表達關系如下式所示{AddM” AddM2，......，AddMNm} = {TF” TF2，......，TFNm}；4)在所使用的水聲通信頻段內，構造Ns個不同時頻關系的信號，分別表示Ns個子 簇地址，表達關系如下式所示{AddS” AddS2，……，AddSNm} = {FM” FM2，……,FMNJ ；5)在所使用的水聲通信數(shù)據(jù)中，設置比特個數(shù)來表達擴展地址，所需比特個數(shù)Nb 與表達的擴展地址個數(shù)Nt符合如下關系Nb = log2 (Nt)；6)將步驟3)、步驟4)、步驟5)的三類地址按表1所示次序組合，作為分布式水聲 通信的幀結構，根據(jù)該結構實現(xiàn)對分布式水聲網(wǎng)絡的地址配置，其中“數(shù)據(jù)信息”表示傳輸 給由“主簇地址”、“子簇地址”和“擴展地址”三者聯(lián)合確定的地址唯一的那個通信節(jié)點的 信息內容。表 1 在步驟1)中，所述地址配置層次關系可為三層模式，定義為“主簇地址”、“子簇地 址”和“擴展地址”，其中“主簇地址”可包含至少1個“子簇地址”；“子簇地址”內包含至少 1個“擴展地址”。在步驟2)中，所述分布式網(wǎng)絡所需的主簇地址個數(shù)為Nm、子簇地址個數(shù)為Ns、擴展 地址個數(shù)為Nt。在步驟3)中，所述Nm個不同的頻率記為FnF2，……，F(xiàn)Nm，所述Nm個正交時-頻信 號記為TFp TF2，……，TFNm，所述Nm個主簇地址記為AddMp AddM2，……，AddMNm ；所述正交 時_頻信號TFn TF2，……，TFNffl構建的原則是確保頻率F2，……，F(xiàn)Nm在對應的每個碼 元時間(記為T)內絕不會同時出現(xiàn)；與主簇成一一對應關系的正交時-頻信號，在每個碼 元時間所出現(xiàn)的頻率是唯一確定且絕不重復的，即使某碼元時間的頻率丟失，亦可通過時 頻正交關系與其他時_頻信號相區(qū)別；所述Nm為偶數(shù)，可獲得最佳的時頻正交性。在步驟4)中，所述隊個不同時頻關系的信號記為FMnFM2，……，F(xiàn)MNs，所述隊個 子簇地址記為Adds” AddS2，……，AddSNm ；所述Ns個不同時頻關系的信號FMn FM2，……， FMNs的構建原則是不同子簇在碼元時間(記為T)內，頻率隨時間的變化具有不同的函數(shù) 關系。本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點1)水聲網(wǎng)絡的地址配置方法同時也可作為水聲網(wǎng)絡節(jié)點通信的同步方法；2)有效對抗水聲多徑信道，具有較強的抗頻率選擇性衰落、抗多徑干擾的特點；3)便于實現(xiàn)分級、分層、分簇的網(wǎng)絡地址配置，配置方式靈活，節(jié)能高效。


圖1為節(jié)點地址分層配置結構圖。
圖2為正交時頻信號的構造方法。
圖3為線性關系示意圖。
圖4為非線性關系示意圖。
圖5為節(jié)點地址配置流程。
圖6為主簇地址的檢測方法。
圖7為子簇地址的檢測方法。
圖8為裝置整體結構示意圖。
圖9為地址構建實例圖。
圖10為實施例的組網(wǎng)示意圖。
具體實施例方式以下實施例將對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明包括以下步驟1)確定地址配置層次關系，對分布式水聲網(wǎng)絡節(jié)點的地址編組配置；所述地址配 置層次關系可為三層模式，定義為“主簇地址”、“子簇地址”和“擴展地址”，其中“主簇地址” 可包含至少1個“子簇地址”；“子簇地址”內包含至少1個“擴展地址”，對應的地址配置層 次關系如圖1所示。2)根據(jù)分布式網(wǎng)絡的結構和應用需求，確定分布式網(wǎng)絡應用所需的主簇地址個 數(shù)、子簇地址個數(shù)和擴展地址個數(shù)；所述分布式網(wǎng)絡所需的主簇地址個數(shù)為Nm、子簇地址個 數(shù)為Ns、擴展地址個數(shù)為Nt。3)在所使用的水聲通信頻段內，選擇Nm個不同的頻率構成Nm個正交時-頻信號， 分別表示Nm個主簇地址，表達關系如下式所示{AddM” AddM2，......，AddMNm} = {TF” TF2，......，TFNm}；所述Nm個不同的頻率記為F2，……，F(xiàn)Nm，所述Nm個正交時-頻信號記為TFp TF2，……，TFNm，所述Nm個主簇地址記為AddMp AddM2，……，AddMNm ；所述正交時-頻信號 TF”TF2，……，TFNm構建的原則是確保頻率Fi，F(xiàn)2，……，F(xiàn)Nm在對應的每個碼元時間(記 為T)內絕不會同時出現(xiàn)；與主簇成一一對應關系的正交時-頻信號，在每個碼元時間所出 現(xiàn)的頻率是唯一確定且絕不重復的，即使某碼元時間的頻率丟失，亦可通過時頻正交關系 與其他時-頻信號相區(qū)別；所述Nm為偶數(shù)，可獲得最佳的時頻正交性。推薦的正交時頻信 號構造方法如圖2所示，其中橫軸表示碼元時間，縱軸表示對應的正交時頻信號。在每個碼 元時間nT (n+l)T內(其中n = l，2，…，Nm_l)，不同正交時頻信號(TF:，TF2，…，TFNm) 的當前頻率也都不相同。4)在所使用的水聲通信頻段內，構造Ns個不同時頻關系的信號，分別表示Ns個子 簇地址，表達關系如下式所示{AddS” AddS2，......，AddSNm} = {FM” FM2，......, FMNJ ；所述Ns個不同時頻關系的信號記為FMn FM2，……，F(xiàn)MNs，所述Ns個子簇地址記為 AddS^AddS^……，AddSNm ；所述Ns個不同時頻關系的信號FMi，F(xiàn)M2，……，F(xiàn)MNs的構建原則是不同子簇在碼元時間(記為T)內，頻率隨時間的變化具有不同的函數(shù)關系，本發(fā)明需確 保頻率隨時間變化的信號具有“互相關性弱，自相關性強”的時頻特性。推薦使用不同斜率 的線性調頻信號作為分布式水聲網(wǎng)絡中不同子簇的地址，線性時頻關系示意如圖3 ；在子 簇地址較多的時候，擴展使用不同非線性函數(shù)關系的時頻信號作為子簇地址，非線性時頻 關系示意如圖4。在圖3中，頻率隨時間呈線性變化，設T為碼元周期，B。為帶寬，B。= IF-Fj,^^ 示掃頻的結束頻率(如圖4中i = a，b，c，d，可根據(jù)子簇數(shù)量進行擴展)，F(xiàn)。表示掃頻開始 頻率。不同線性關系的信號具有不同的(B。/T)值。通過選擇合適的掃頻斜率值(范圍與 tan6等價，0 G 360° ])，可用以表示不同的子簇地址。在圖4中，頻率隨時間呈非 線性變化，設T為脈寬周期，F(xiàn)e表示掃頻的結束頻率，F(xiàn)e表示掃頻開始頻率。對應配置方式 可有多種選擇。為不失一般性，設非線性函數(shù)為F(Xi)，其中i表示分配給對應子簇的編號， i = 1,2,3,……，Ns。函數(shù)F(Xi)則對應一類過原點(0，F(xiàn)s)和(T，F(xiàn)e)的函數(shù)集。分配不 同的F(Xi)給不同的子簇地址實現(xiàn)配置。5)在所使用的水聲通信數(shù)據(jù)中，設置比特個數(shù)來表達擴展地址，所需比特個數(shù)Nb 與表達的擴展地址個數(shù)Nt符合如下關系
(Nt)；6)將步驟3)、步驟4)、步驟5)的三類地址按如下次序組合，作為分布式水聲通信的 幀結構，根據(jù)該結構實現(xiàn)對分布式水聲網(wǎng)絡的地址配置，其中“數(shù)據(jù)信息”表示傳輸給由“主 簇地址”、“子簇地址”和“擴展地址”三者聯(lián)合確定的地址唯一的那個通信節(jié)點的信息內容
主簇地址子簇地址擴展地址數(shù)據(jù)信息所述根據(jù)該結構實現(xiàn)對分布式水聲網(wǎng)絡的地址配置的處理流程如圖5所示。主簇地址的檢測方法是采用圖6結構。圖6中窄帶濾波器的中心頻率分別對準F” F2，……，F(xiàn)Nm，通過配置FnF2，……，F(xiàn)Nm后的時延大小，匹配預先分配給該主簇的“時-頻” 關系(時延與頻率的匹配關系如圖2)。只有滿足預設的正交時-頻關系，才會輸出啟動信 號，開始后續(xù)的地址解析；否則，直接關閉退出。子簇地址是否符合的檢測方法是利用輸出的啟動信號，觸發(fā)本地節(jié)點，合成事先 預定的調頻信號，與接收信號求相關。如果是子簇地址，則輸出相關峰高于預設門限，建立 同步并啟動“軟地址”解調；否則，直接關閉退出。對應的檢測方法如圖7所示。在圖7中， “啟動信號”是連接圖6的輸出，“接收信號”表示經(jīng)過水聲信道傳遞后的信息，“本地信號” 表示配置在本地的子簇地址信號?！芭袥Q門限”是指根據(jù)實際應用環(huán)境設置的門限。其設置 原則是確保當“接收信號”與“本地信號”(也就是本機的“子簇地址”)匹配時，經(jīng)“判決 門限”可輸出高電平；而如果不匹配，則經(jīng)“判決門限”不會產(chǎn)生“虛警”信號。符號“ ”表 示卷積運算。擴展地址是否符合的檢測方法是輸出的確認信號啟動地址數(shù)據(jù)的解調，獲取地 址數(shù)據(jù)信息。將地址數(shù)據(jù)與預設的本機“軟地址”對比若“軟地址”的信息內容相符，則確 定是本機并啟動數(shù)據(jù)解調功能；否則，直接關閉退出。本發(fā)明所述的面向分布式水聲網(wǎng)絡的地址配置裝置結構如圖8所示在圖8中，
6“換能器”實現(xiàn)聲信號與電信號的相互轉換?！扒凹壏糯笮酒薄ⅰ皫V波芯片”、“自適應增 益控制芯片”組成了“前級處理單元”。“模數(shù)轉換芯片”、“微控制器”、“現(xiàn)場可編程門陣列”、 “存儲器”等組成“控制運算單元”?！捌渌ㄐ沤涌?，，等組成“輔助裝置單元”，實現(xiàn)輔助支 持。各裝置部件的功能說明如下 1)換能器特征為壓電陶瓷結構，負責聲信號與電信號之間的能量轉換。水聲換 能器可根據(jù)具體應用，選擇適配的產(chǎn)品類型，對本發(fā)明方法及發(fā)明裝置沒有特別影響。本發(fā) 明裝置推薦的換能器帶寬最好能達到5kHz以上。2)前級處理單元前級處理單元負責實現(xiàn)微弱水聲信號的放大、濾波和調理。包 括“前級放大芯片”、“帶通濾波芯片”、“自適應增益控制芯片”。水聲換能器的信號進入前 級處理單元后，將對弱信號進行放大，濾除頻帶外的噪聲信號，并由“自適應增益控制芯片” 穩(wěn)定信號幅度以便于后續(xù)的檢測處理。3)控制運算單元由“模數(shù)轉換芯片”、“微控制器”、“現(xiàn)場可編程門陣列”、“存儲 器”組成。是實現(xiàn)“主簇地址”、“子簇地址”、“擴展地址”檢測、分析和配置的核心部件。模 數(shù)轉換器(ADC)對經(jīng)過信號前級處理后的信號實時采樣，將獲取的數(shù)據(jù)緩存在存儲器中； 微控制器和現(xiàn)場可編程門陣列基于本發(fā)明所述的地址配置方法，實現(xiàn)地址配置的功能。其 中，微控制器側重在時序控制；現(xiàn)場可編程門陣列則側重算法運算。4)輔助裝置單元包括下載線、電源、通信接口等附件。實施例設有256個水聲通信機需要組建多節(jié)點的通信控制網(wǎng)絡。則依據(jù)本組網(wǎng)方法，可 4頻率的時-頻編碼構建主簇地址；使用4種斜率或函數(shù)的準線性調頻碼構建子簇地址；使 用4比特的地址幀編碼構建擴展地址。依據(jù)本發(fā)明方法，可采用如圖9所示方法構建結構。1)主簇地址的構建由發(fā)明內容的描述可知，4頻率的時_頻編碼可實現(xiàn)最多4組的正交碼。分別用每 組正交碼代表一類的主簇，則可對應表示如下(其中用A，B，C，D分別代表四類主簇)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)子簇地址的構建(1)線性調頻信號利用四組斜率的線性調頻信號構建子簇地址。分別用不同的斜率表示一類的子 簇。對應關系如圖3所示，對應函數(shù)表達如下(其中a，b，c, d分別代表四類子簇)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)非線性調頻信號利用四組函數(shù)的非線性調頻信號構建子簇地址。如圖4所示，分別用不同的函數(shù)表示一類的子簇。對應表達如下(其中a，b，c, d分別代表四類子簇)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)擴展地址的構建
如本例，4比特的地址幀編碼為24 = 16個節(jié)點。再加上4比特的拷貝地址幀，共 需要8比特的數(shù)據(jù)。如“1#”=“0001”；“2#” = “0010”；“3#” = “0011”;……，以此類推。
若需要擴展節(jié)點數(shù)，則只要根據(jù)節(jié)點數(shù)與比特數(shù)據(jù)之間的關系，進行擴展即可。4)本實施例的組網(wǎng)示意(參見圖10)從上述說明可知，本實施例中將256臺水聲通信機分成4個主簇；16個子簇(每 個主簇對應4個子簇，即4*4 = 16個子簇)；每個子簇內再對應16個節(jié)點。
權利要求
分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法，其特征在于包括以下步驟1)確定地址配置層次關系，對分布式水聲網(wǎng)絡節(jié)點的地址編組配置；2)根據(jù)分布式網(wǎng)絡的結構和應用需求，確定分布式網(wǎng)絡應用所需的主簇地址個數(shù)、子簇地址個數(shù)和擴展地址個數(shù)；3)在所使用的水聲通信頻段內，選擇Nm個不同的頻率構成Nm個正交時-頻信號，分別表示Nm個主簇地址，表達關系如下式所示{AddM1，AddM2，……，AddMNm}＝{TF1，TF2，……，TFNm}；4)在所使用的水聲通信頻段內，構造Ns個不同時頻關系的信號，分別表示Ns個子簇地址，表達關系如下式所示{AddS1，AddS2，……，AddSNm}＝{FM1，F(xiàn)M2，……，F(xiàn)MNs}；5)在所使用的水聲通信數(shù)據(jù)中，設置比特個數(shù)來表達擴展地址，所需比特個數(shù)Nb與表達的擴展地址個數(shù)Nt符合如下關系Nb＝log2(Nt)；6)將步驟3)、步驟4)、步驟5)的三類地址按下表所示次序組合 主簇地址 子簇地址 擴展地址 數(shù)據(jù)信息作為分布式水聲通信的幀結構，根據(jù)該結構實現(xiàn)對分布式水聲網(wǎng)絡的地址配置，其中“數(shù)據(jù)信息”表示傳輸給由“主簇地址”、“子簇地址”和“擴展地址”三者聯(lián)合確定的地址唯一的那個通信節(jié)點的信息內容。
2.如權利要求1所述的分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法，其特征在于在步驟1)中，所 述地址配置層次關系為三層模式，定義為“主簇地址”、“子簇地址”和“擴展地址”，其中“主 簇地址”包含至少1個“子簇地址”；“子簇地址”內包含至少1個“擴展地址”。
3.如權利要求1所述的分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法，其特征在于在步驟2)中，所 述分布式網(wǎng)絡所需的主簇地址個數(shù)為Nm、子簇地址個數(shù)為Ns、擴展地址個數(shù)為Nt。
4.如權利要求1所述的分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法，其特征在于在步驟3)中，所 述Nffl個不同的頻率記為F1, F2,……，F(xiàn)Nm，所述Nffl個正交時-頻信號記為TFijTF2,……，TFNm， 所述Nm個主簇地址記為AddM1, AddM2,……，AddMNm ；所述正交時-頻信號TF1, TF2,……， TFNm構建的原則是確保頻率F1,F2,……，F(xiàn)Nm在對應的每個碼元時間T內絕不會同時出現(xiàn)； 與主簇成一一對應關系的正交時_頻信號，在每個碼元時間所出現(xiàn)的頻率是唯一確定且絕 不重復的，即使某碼元時間的頻率丟失，或通過時頻正交關系與其他時_頻信號相區(qū)別；所 述Nm為偶數(shù)。
5.如權利要求1所述的分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法，其特征在于在步驟4)中，所 述Ns個不同時頻關系的信號FM1,FM2,……，F(xiàn)Mns的構建原則是不同子簇在碼元時間T內， 頻率隨時間的變化具有不同的函數(shù)關系。
全文摘要
分布式水聲網(wǎng)絡地址的配置方法，涉及水聲通信和水聲通信網(wǎng)絡。利用“正交時頻信號”、“不同時頻關系的信號”及“地址幀信息”形成三層編組地址(分別定義為“主簇地址”、“子簇地址”和“擴展地址”)，實現(xiàn)對分布式水聲網(wǎng)絡各節(jié)點的地址配置。其中，“主簇地址”、“子簇地址”在實現(xiàn)分布式水聲網(wǎng)絡節(jié)點地址配置的同時；又可作為節(jié)點同步方法，實現(xiàn)強多徑干擾、強背景噪聲條件下的點對點通信。實現(xiàn)了水聲點對點通信向分布式多點通信的無縫過渡，較適合當前水聲通信網(wǎng)絡化發(fā)展的需求，具有較好的應用前景和保護價值。
文檔編號H04W84/18GK101868042SQ201010185139
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權日2010年5月21日
發(fā)明者莊子明, 程恩, 袁飛, 許克平 申請人:廈門大學