一种异步的水下全速率协作通信方法
【专利摘要】本发明公开了一种异步的水下全速率协作通信方法，包含以下步骤：步骤1、源节点获取信道的使用权并发送数据；步骤2、当本次传输中可用的中继节点数目大于或等于2个时，进入全速率协作传输模式；步骤3、将可用的中继节点分为N组，各组中继节点侦听源节点发送的数据帧，当第n组中继节点侦听到第i帧数据时，如果i除以N的余数为n，则该组中继节点接收该帧数据，否则，继续侦听；目的节点接收源节点发送的数据帧和各组中继节点转发的数据帧；步骤4、源节点的数据发送结束后，发送停止信令，中继节点接收到停止信令并转发后停止中继传输，目的节点接收到停止信令后停止接收。具有提高了传输速率，成本和功耗低等优点。
【专利说明】一种异步的水下全速率协作通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水声通信技术，特别涉及一种异步的水下全速率协作通信方法。【背景技术】
[0002]多途干扰是影响水声通信速率的主要因素之一。声波在水中传播时，由于水中界面的边界反射以及声线在传播过程中发生弯曲造成在发射节点和接收节点之间存在着大量的传输路径，引起接收信号幅度的随机起伏和信号的时延扩散。与陆上电磁波信道相比，水声信道的多途效应具有时延扩展长、随机时-空-频变等特点，处理起来更为困难。分集是一种抵抗多径衰落的有效技术，由于水下可用的频带窄、时延长，因此基于空间分集的MIMO (Mult1-1nput Mult1-Out)技术在水下有着广阔的应用前景。然而，由于MMO系统需要在通信链路的发送端和接收端架设的多根天线，并且天线间的距离需要大于信号的波长，因此对设备的尺寸和成本等方面有着较高的要求，在信号波长长(例如，IkHz的信号在声速为1500m/s的水中波长为1.5米,远大于陆上电磁波的波长)、换能器成本高的水声通信应用中有着较大的局限性。例如，在需要大量小型廉价节点的水声传感器网络和小型无人航行器等应用中，节点可供安装的换能器个数和距离通常难以很好地满足MMO的要求。
[0003]为了解决MMO技术用于小型无线设备时多天线安装困难的问题，近年来陆上MIMO的研究中提出了协作通信的概念。协作通信的基本思想是在多用户环境下，每个用户除了发送自己信息之外，也可以帮助协作用户传输信息，使得每个用户在通信过程中既利用自己的信道也利用了参与协作用户的空间信道，从而形成了虚拟的MMO信道，获得空间分集增益。研究表明协作分集同样可以达到完全分集的效果，从而可以在不改变用户天线数目的情况下提高系统的传输性能。协作通信技术克服了 MIMO技术应用中对天线数目和天线距离的限制，拓宽了 MMO技术的应用范围，因此成为近几年MMO技术研究的热点，并在2006年开始陆续被应用到水声通信当中。
[0004]现有的水下协作通信普遍沿用了陆上的传统同步协作模式，但由于水声信道的特殊性，将陆上的传统同步协作模式直接用于水下存在着以下不足:
[0005](I)在半双工的情况下中继节点需要先侦听后发送，使得源节点只能间歇发送信息，即工作在半速率的模式，降低了源节点的发送速率，对传输速率本已较低的水声通信带来不良的影响。传统的同步协作通信中，协作的过程分为两个阶段:第一阶段源节点发送信息，中继节点和目的节点接收信息，第二阶段源节点停止发送信息，中继节点向目的节点发送第一阶段中接收到的信息，其信息传输的过程如图1 (a)和图1 (b)所示。从图1 (a)和图1 (b)可以看到，源节点只在第一阶段发送信息，第二阶段处于空闲状态，显著降低了源节点的信息发送速率。
[0006](2)同步的协作机制在长时延的水下环境使用时存在着同步时间长、传输效率低的不足。由于电磁波在空气中的传播速度非常快，因此目前陆上的全速率协作通信均采用了同步的传输机制。但当这些同步的协作机制应用到时延长、同步困难的水下环境时，会因同步等待的时间过长而造成传输效率低下。图1 (a)和图1 (b)分别为传统同步协作通信用于陆上和水下的时序示意图，从图中可以看到同步协作用于水下时的同步等待时间远大于陆上。
[0007]为了提高源节点信息的发送速率，在陆上的协作通信研究中提出了全速率协作通信的方法，其基本思想是通过多个中继节点轮流侦听和发送信息等方式来保证源节点信息发送的连续不中断，但这些方法仍是基于同步的协作机制，在水下应用时同样存在着同步时间长、传输效率低的缺点。图2 (a)和图2 (b)分别为一种典型的双中继全速率协作通信用于陆上和水下时的传输时序示意图。从图中可以看到将同步的全速率协作通信技术用于水下时的局限性。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有的水下协作通信技术传输效率低、速度慢等缺点与不足，提供一种异步的水下全速率协作通信方法，该方法采用全速率的协作方式来提高源节点信息的发送速率，并利用异步的传输机制来减少同步等待的时间，从而显著提高传输的效率和速度。图3为一种可能的双中继异步切换的水下全速率协作通信时序示意图，从图中可以看出源节点连续发送数据，中继节点以帧的边界作为中继节点侦听和转发的切换时机，无需等待同步，从而提高了传输的速率。本发明还能根据中继节点的数目自适应地选择合适的协作模式进行传输，因此可广泛应用于多种水下组网通信的应用场合中，特别适合水声传感器网络、小型无人航行器等需要较大量小型、廉价节点的水声应用。
[0009]本发明的目的通过下述技术方案实现:一种异步的水下全速率协作通信方法，包含以下步骤:
[0010]步骤1:源节点需要发送数据时，首先获取信道的使用权；
[0011]步骤2:源节点获得信道的使用权后，确定本次传输中可用的中继节点，如果可用的中继节点数目大于或等于2个，进入全速率协作传输模式；
[0012]步骤3:进入全速率协作传输模式后，将可用的中继节点分为N组，N > 2，源节点向目的节点和中继节点连续发送数据巾贞；各组中继节点侦听源节点发送的数据巾贞，当第η组中继节点侦听到第i帧数据时，如果i除以N的余数为n，则该组中继节点接收该帧数据，并在接收完毕后向目的节点转发该帧数据，否则则继续侦听；目的节点接收源节点发送的数据帧和各组中继节点转发的数据帧，合并帧序号相同的各帧数据；
[0013]步骤4:源节点的数据发送结束后，发送停止信令，中继节点接收到停止信令并转发后停止中继传输，目的节点接收到停止信令后停止接收。
[0014]上述步骤2中，如果可用中继节点数目为I个，进入半速率协作传输模式，具体步骤如下:
[0015]步骤2.1:源节点向目的节点和中继节点发送一帧数据后侦听中继节点使用的信道，当侦听到中继节点转发完毕后，发送下一帧数据；
[0016]步骤2.2:中继节点侦听到源节点发送的数据后，接收该帧数据并将数据转发给目的节点；
[0017]步骤2.3:目的节点接收源节点发送的数据帧和中继节点转发的数据帧后，合并帧序号相同的各帧数据；
[0018]步骤2.4:源节点的数据发送结束后，发送停止信令，中继节点接收到停止信令并转发后停止中继传输，目的节点接收到停止信令后停止接收。
[0019]上述步骤2中，如果可用中继节点数为0，采用非协作传输模式，源节点直接将数据发送到目的节点。
[0020]上述步骤3中，中继节点使用解码转发的方式转发源节点数据，源节点和不同组的中继节点使用不同的信道发送数据，同组的中继节点使用同一信道发送数据。第η组中继节点接收源节点发送的数据后，若该组只有一个中继节点，则该中继节点解码源节点发送的数据后将数据采用单输入单输出的方式重新编码并转发给目的节点；若该组有多个中继节点，则该组中各中继节点解码源节点发送的数据后采用异步空时编码的方式对数据进行编码，并在同一信道中转发给目的节点。
[0021]上述步骤3中，源节点和各组中继节点在同一信道中发送数据，各中继节点采用放大转发的方式转发源节点的数据，目的节点将某一中继节点的转发信号看作源节点信号的一条多途传播路径对接收信号进行均衡，然后解码得到源节点发送的信息。
[0022]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0023]1、本发明与现有的水下两阶段协作通信和基于同步机制的全速率协作通信技术相比，在中继节点大于2的情况下能保证源节点信息的连续发送，同时不需要等待同步，有效地提高了传输速率。
[0024]2、本发明能够根据系统中可用中继节点的数目，自适应地选择合适的协作或非协作模式进行传输，能广泛应用于多种水下组网通信的应用场合中。
[0025]3、本发明可以在各节点使用单换能器的情况下实现MMO的传输效果，能在保证传输质量的同时减小水下节点的体积、成本和能耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1 (a)为传统的同步协作模式用于陆上的信息传输时序示意图，S为源节点，R为中继节点，D为目的节点，Tn为发送的第η帧数据，Rn为接收的第η帧数据。
[0027]图1 (b)为传统的同步协作模式用于水下的信息传输时序示意图，S为源节点，R为中继节点，D为目的节点，Rn为接收的第η巾贞数据。
[0028]图2 Ca)为同步全速率协作通信用于陆上的信息传输时序示意图，S为源节点，Rl为中继节点1，R2为中继节点2，Tn为发送的第η帧数据，Rn为接收的第η帧数据，D为目的节点。
[0029]图2 (b)为同步全速率协作通信用于水下的信息传输时序示意图，S为源节点，Rl为中继节点1，R2为中继节点2，Tn为发送的第η帧数据，Rn为接收的第η帧数据，D为目的节点。
[0030]图3为双中继异步切换的水下全速率协作通信时序示意图，S为源节点，Rl为中继节点1，R2为中继节点2，Tn为发送的第η帧数据，Rn为接收的第η帧数据，D为目的节点。
[0031]图4为本发明实施例1中异步全速率协作通信系统示意图，S为源节点，D为目的节点，Rl、民、R」、Rm为中继节点。
[0032]图5为本发明实施例1中点协作通信的流程图。
[0033]图6为本发明实施例2中单信道时双中继全速率协作通信系统结构图，S为源节点，D为目的节点，Rl、R2为中继节点。[0034]图7为本发明实施例2中单信道环境下异步并发信息的分集方法示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0036]实施例1
[0037]本实施例为一个包含M+2个节点的水声通信网络，如图4所示，其中S为需要发送数据的源节点、D为目的节点、Ri (0〈i〈M)为处于S通信范围内的其他节点，该网络中所有节点之间均可一跳到达，每个节点只配备一个换能器，所以各节点的通信方式是半双工的。系统带宽为6kHz，声速为1500m/s，S - Ri, S - D^R1- D这三个链路的最大距离为2km，数据包的大小为240个字节。若采用同步的全速率协作通信，则协作传输需要两个时隙完成，而
每个时隙至少需要132s(#^ +，= 2.32)，如此长的时隙将严重降低信道容量。因此
6x10 1500
在上述实施例中，节点间采用异步的全速率协作通信方法，能够有效地提高源节点信息的发送速率，而且减少同步等待的时间，从而能显著提高传输的效率与速度。
[0038]本施例采用以下步骤来实现异步的水下全速率协作通信，其节点的工作流程如图5所示:
[0039]步骤1:源节点需要发送数据时，首先获取信道的使用权；
[0040]本实施例中，源节点S采用T-Lohi协议通过预约的方式获得信道的使用权，每个时间帧包含一个预约信道时间段和数据发送时间段，预约信道时间段由一系列的时间片组成。在预约信道时间段，节点S需要发送数据时，首先发送一个短的预约帧，如果在这个时间片里只有节点S预约信道，则节点S获得信道的使用权；如果有其他节点与S同时预约信道，则节点S避退W个预约时间片，其中we [0，r]，r为预约信道的节点数。如果在避退期间，节点S收到其他节点的预约帧，则节点S设置为阻塞状态，等到下个时间帧再发送预约帧，如果没收到其他节点的预约帧，则在避退时间结束后重新发送预约帧，直到预约信道成功。
[0041]步骤2:源节点获得信道的使用权后，确定本次传输中可用的中继节点，如果可用的中继节点数目大于或等于2个，进入全速率协作传输模式。
[0042]在本实施例中，源节点S获得信道的使用权后，选择在目的节点处的输出信噪比大于门限值的中继节点作为本次传输可用的中继节点。设上述实施例中可用的中继节点数为3个，分别为H R3,则本次传输采用全速率的协作模式；
[0043]步骤3:进入全速率协作传输模式后，将可用的中继节点分为N组，N > 2 ;源节点向目的节点和中继节点连续发送数据帧；各组中继节点侦听源节点发送的数据帧，当第η组中继节点侦听到第i帧数据时，如果i除以N的余数为n，则该组中继节点接收该帧数据，并在接收完毕后向目的节点转发该帧数据，否则则继续侦听；目的节点接收源节点发送的数据帧和各组中继节点转发的数据帧，合并帧序号相同的各帧数据。
[0044]将3个可用中继节点分为2组，其中第一组中继节点为％、R2，第二组中继节点为R30源节点在传输时连续向目的节点和中继节点发送数据帧，无需等待同步。两帧数据之间插入保护时间，以保证中继节点切换过程中无数据丢失。由于中继节点分为2组，因此在源节点开始发送数据后，所有中继节点侦听源节点发送的数据帧，当第一组中继节点R1和R2侦听到奇数帧数据时，接收并转发该帧数据，否则则继续侦听；同样，当第二组中继节点R3侦听到偶数帧数据时，接收并转发该帧数据，否则则继续侦听。
[0045]源节点、第一组中继节点和第二组中继节点使用不同的信道来发送数据。信道的划分可以采用频分复用(FDMA)或码分复用(CDMA)等方式来实现，本实施例中采用了频分复用，将系统6kHz带宽平均分为三个子信道，其中源节点S在第一条子信道上将数据直接发送给目的节点，第一组中继节点R1和R2在第二条子信道上转发源节点的数据给目的节点，第二组中继节点R3在第三条子信道上转发源节点的数据给目的节点。第一组中继节点和第二组中继节点均侦听第一条子信道中源节点发送的信息，目的节点同时在三条子信道上接收信息。
[0046]中继节 点使用解码转发的方式转发源节点数据，第η组中继节点接收源节点发送的数据后，若该组只有一个中继节点，则该中继节点解码源节点发送的数据后将数据采用单输入单输出的方式重新编码并转发给目的节点；若该组有多个中继节点，则该组中各中继节点解码源节点发送的数据后采用异步空时编码的方式对数据进行编码，并在同一信道中转发给目的节点。
[0047]由于第一组中继节点包括R1和R2,因此要在同一信道中传输，需要采用异步空时编码的方式来对转发数据进行编码，具体实现方法如下:
[0048]将源节点的每帧数据s(t)分为两个连续的符号块S1 (t)和&(0，每个符号块的长度为N，假设时延已包含在信道响应中，则RpR2接收的一帧数据可以表示为:
[0049]
【权利要求】
1.一种异步的水下全速率协作通信方法，其特征在于，包含以下步骤: 步骤1、源节点获取信道的使用权并发送数据； 步骤2、源节点确定本次传输中可用的中继节点数目；当可用的中继节点数目大于或等于2个时，进入全速率协作传输模式； 步骤3、进入全速率协作传输模式后，将可用的中继节点分为N组，N > 2，源节点向目的节点和中继节点连续发送数据巾贞；各组中继节点侦听源节点发送的数据巾贞，当第η组中继节点侦听到第i帧数据时，如果i除以N的余数为n，则该组中继节点接收该帧数据，并在接收完毕后向目的节点转发该帧数据，否则，继续侦听；目的节点接收源节点发送的数据帧和各组中继节点转发的数据帧,合并帧序号相同的各帧数据； 步骤4、源节点的数据发送结束后，发送停止信令，中继节点接收到停止信令并转发后停止中继传输，目的节点接收到停止信令后停止接收。
2.根据权利要求1所述的异步的水下全速率协作通信方法，其特在在于，所述步骤2中，当所述可用的中继节点数目为I个时，进入半速率协作传输模式，所述进入半速率协作传输模式的具体步骤如下: 步骤2.1、源节点向目的节点和中继节点发送一帧数据后侦听中继节点使用的信道，当侦听到中继节点转发完毕后，发送下一帧数据； 步骤2.2、中继节点侦听到源节点发送的数据后，接收该帧数据并将数据转发给目的节占.步骤2.3、目的节点接收源节点发送的数据帧和中继节点转发的数据帧后，合并帧序号相同的各帧数据； 步骤2.4、源节点的数据发送结束后，发送停止信令，中继节点接收到停止信令并转发后停止中继传输，目的节点接收到停止信令后停止接收。
3.根据权利要求1所述的异步的水下全速率协作通信方法，其特在在于，所述步骤2中，当可用的中继节点数目为O时，采用非协作传输模式，源节点直接将数据发送到目的节点。
4.根据权利要求1所述的异步的水下全速率协作通信方法，其特在在于，所述步骤3中，所述中继节点使用解码转发的方式转发源节点数据，源节点和不同组的中继节点使用不同的信道发送数据，同组的中继节点使用同一信道发送数据；第η组中继节点接收源节点发送的数据后，若该组只有一个中继节点，则该中继节点解码源节点发送的数据后将数据采用单输入单输出的方式重新编码并转发给目的节点；若该组有多个中继节点，则该组中各中继节点解码源节点发送的数据后采用异步空时编码的方式对数据进行编码，并在同一信道中转发给目的节点。
5.根据权利要求1所述的异步的水下全速率协作通信方法，其特在在于，所述步骤3中，源节点和各组中继节点在同一信道中发送数据，各中继节点采用放大转发的方式转发源节点的数据，目的节点将某一中继节点的转发信号视为源节点信号的一条多途传播路径对接收信号进行均衡，然后解码得到源节点发送的信息。
【文档编号】H04L5/00GK103580815SQ201310487885
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】张军, 李婷, 冯义志, 宁更新, 季飞, 余华, 陈芳炯, 韦岗 申请人:华南理工大学