本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)交換技術(shù)，尤其是涉及一種基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)及通信方法。

背景技術(shù)：

中國(guó)是陸地大國(guó)，同時(shí)也是一個(gè)海洋大國(guó)，海洋面積居世界前列。一方面，我國(guó)的海上石油、天然氣資源，潮汐能/風(fēng)能資源，漁業(yè)資源等海洋資源豐富；另一方面，海洋安全是國(guó)家安全的重要組成部分與重要保證。因此，有效地開發(fā)和保護(hù)海洋資源、維護(hù)海洋安全具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

在眾多新興的海洋科技領(lǐng)域中，水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)因近年來(lái)在水體污染監(jiān)控、水下資源勘探、海洋地理氣象數(shù)據(jù)收集、地震/海嘯災(zāi)難預(yù)防、國(guó)防安全領(lǐng)域等方面的應(yīng)用受到日益廣泛的關(guān)注。例如，在海洋地理數(shù)據(jù)收集方面，水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用水面、水下布放的傳感器，協(xié)作采集三維海洋地理數(shù)據(jù)。因此，該技術(shù)對(duì)沿海地區(qū)水文氣象數(shù)據(jù)采集，災(zāi)害災(zāi)難預(yù)報(bào)方面有著重要意義。

然而，在遠(yuǎn)海海上缺乏無(wú)線通信運(yùn)營(yíng)商的信號(hào)覆蓋，迫切需要有效的海上通信手段?，F(xiàn)在的海洋通信一般使用甚高頻(veryhighfrequency，簡(jiǎn)稱vhf)電臺(tái)，支持單工和雙工通信。但是，vhf電臺(tái)存在最大的問(wèn)題是通信距離有限，最大通信距離一般不超過(guò)30千米，對(duì)于浩瀚的海洋來(lái)說(shuō)，通信信號(hào)的覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，且無(wú)法有效的進(jìn)行海上數(shù)據(jù)通信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離通信能力不足的缺陷，本發(fā)明提出一種基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，這種網(wǎng)關(guān)兼具衛(wèi)星通信能力和水下聲通信能力，實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與岸基信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離有效交換。

一種基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)包括：

北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，用于接收北斗導(dǎo)航系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，并將來(lái)自水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知數(shù)據(jù)按預(yù)設(shè)格式的數(shù)據(jù)包分包發(fā)送給北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊，用于在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)議棧與水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之間的相互轉(zhuǎn)換處理，將控制命令轉(zhuǎn)換成水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀通信格式，將感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀通信格式；

通信模塊，用于與水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；

核心控制模塊，用于控制北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊及通信模塊的工作，將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及將感知數(shù)據(jù)發(fā)送給北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。

預(yù)設(shè)格式的數(shù)據(jù)包是由包頭、分包編號(hào)、總分包數(shù)量、起始包標(biāo)記、結(jié)束包標(biāo)記及數(shù)據(jù)這6部分組成。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理模塊包括：網(wǎng)絡(luò)連接管理單元；與網(wǎng)絡(luò)連接管理單元相連的網(wǎng)絡(luò)資源管理單元、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度單元及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)單元。

北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊包括相連的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)接口控制器和數(shù)據(jù)壓縮處理器，由數(shù)據(jù)壓縮處理器對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采用huffman算法壓縮處理、對(duì)ascii碼的保障數(shù)據(jù)采用lzw算法進(jìn)行壓縮處理。

該網(wǎng)關(guān)還包括：設(shè)置在北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊之間的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理模塊，用于優(yōu)化網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源，確保網(wǎng)關(guān)能夠與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理模塊包括：網(wǎng)絡(luò)連接管理單元；與網(wǎng)絡(luò)連接管理單元相連的網(wǎng)絡(luò)資源管理單元、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度單元及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)單元。

相應(yīng)的，本發(fā)明還公開一種基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的通信方法，該通信方法包括數(shù)據(jù)發(fā)送的處理與數(shù)據(jù)接收的處理；

其中，數(shù)據(jù)發(fā)送的處理包括：由通信模塊接收來(lái)自水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊將感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀通信格式，并由北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊按預(yù)設(shè)格式的數(shù)據(jù)包將感知數(shù)據(jù)分包發(fā)送給北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；

其中，數(shù)據(jù)接收的處理包括：由北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收來(lái)自北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的控制命令，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的控制命令數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀通信格式，再由通信模塊將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

所述基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的通信方法還包括優(yōu)化網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源配置以確保網(wǎng)關(guān)能夠與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之間進(jìn)行通信的步驟。

所述基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的通信方法還包括：在北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊對(duì)感知數(shù)據(jù)分包處理之前，還包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理的步驟，該壓縮處理包括對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采用huffman算法壓縮處理、對(duì)ascii碼的保障數(shù)據(jù)采用lzw算法進(jìn)行壓縮處理。

本發(fā)明提出的網(wǎng)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)，克服了水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離通信能力的不足，實(shí)現(xiàn)了水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸北斗導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息技術(shù)與分布式水下傳感器網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合，研制兼具衛(wèi)星通信能力與水下聲通信能力的水面網(wǎng)關(guān)模塊，通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與岸基信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離有效交換。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提出的網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是數(shù)據(jù)包分包格式的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)兼具衛(wèi)星通信能力和水下聲通信能力，實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與岸基信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離有效交換。

如圖1所示，本發(fā)明提出的網(wǎng)關(guān)包括：核心控制模塊10；連接核心控制模塊10的存儲(chǔ)模塊11、通信模塊12及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊13；以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理模塊14與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊13相連的北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊15；為上述各個(gè)模塊提供電能的能量供應(yīng)模塊16。

北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊15用于與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行通信。北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊包括相連的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)接口控制器和數(shù)據(jù)壓縮處理器，由數(shù)據(jù)壓縮處理器對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采用huffman算法壓縮、ascii碼的保障數(shù)據(jù)采用lzw算法進(jìn)行壓縮。由于數(shù)據(jù)壓縮處理器對(duì)于各種報(bào)文數(shù)據(jù)采用無(wú)損壓縮，不但可以降低通信數(shù)據(jù)數(shù)量，降低通信費(fèi)用，而且可以提高通信效率，縮短通信時(shí)間。當(dāng)然，該網(wǎng)關(guān)中還可以包括支持其他網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)模塊，以解決現(xiàn)有單一制式網(wǎng)關(guān)對(duì)其他系統(tǒng)不兼容的缺點(diǎn)，更好的實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與岸基信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離有效交換。

另外，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的報(bào)文長(zhǎng)度有一定的限制，該系統(tǒng)每次數(shù)據(jù)通信的長(zhǎng)度為98個(gè)字節(jié)，如通信數(shù)據(jù)數(shù)量如果超過(guò)最大報(bào)文長(zhǎng)度，必須分包進(jìn)行發(fā)送，從而解決現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議只支持短報(bào)文傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。其中，北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊15對(duì)長(zhǎng)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行分包格式如圖2所示，該分包結(jié)構(gòu)包括包頭、分包編號(hào)、總分包數(shù)量、起始包標(biāo)記、結(jié)束包標(biāo)記及數(shù)據(jù)這6部分組成。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理模塊14包括：網(wǎng)絡(luò)連接管理單元；與網(wǎng)絡(luò)連接管理單元相連的網(wǎng)絡(luò)資源管理單元、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度單元及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)單元。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理模塊14在于優(yōu)化網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源，確保網(wǎng)關(guān)能夠與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。其中，網(wǎng)絡(luò)連接管理單元以生物影響、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和節(jié)點(diǎn)能量消耗等參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用博弈論、與認(rèn)知環(huán)境下的信道建模相結(jié)合的方法，建立雙模式、多用戶、多信道的網(wǎng)絡(luò)最大化(num)系統(tǒng)優(yōu)化信道接入模型；建立多系統(tǒng)接入博弈模型和生物節(jié)點(diǎn)行為預(yù)測(cè)模型，并建立水下網(wǎng)絡(luò)時(shí)空不確定模型。網(wǎng)絡(luò)資源管理單元利用上述網(wǎng)絡(luò)效用最大化理論模型，設(shè)計(jì)多目標(biāo)效用函數(shù)，結(jié)合方向性水聲modem傳輸?shù)忍匦院突诓┺牡墓β士刂扑惴ā＿\(yùn)用博弈論設(shè)計(jì)分布式信道分配算法；以基于時(shí)隙預(yù)約方式的多址接入?yún)f(xié)議為基礎(chǔ)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間交換控制包獲取可用信道信息，求解多節(jié)點(diǎn)最優(yōu)接入與最優(yōu)功率分配的博弈問(wèn)題，提出適用于水下認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的多信道接入機(jī)制。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊13用于實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)議棧與水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之間的相互轉(zhuǎn)換處理，處理過(guò)程包括對(duì)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、vhf等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的對(duì)接與融合、逐層數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)區(qū)分、數(shù)據(jù)封裝與數(shù)據(jù)解析的處理操作。

通信模塊12用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。通信模塊12主要包括射頻電路及與之相連的高頻全向天線。

核心控制模塊11是網(wǎng)關(guān)的調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的全局處理、數(shù)據(jù)融合和信息提取，完成北斗與水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源管理、連接管理及自適應(yīng)切換。該核心控制模塊11主要包括中央控制裝置(比如單片機(jī))、控制系統(tǒng)時(shí)鐘及設(shè)備接口，該設(shè)備接口為與其它類型網(wǎng)絡(luò)(例如vhf網(wǎng)絡(luò))接入所預(yù)留以便于進(jìn)一步的開發(fā)。

能量供應(yīng)模塊16主要包括能量獲取裝置及能量存儲(chǔ)裝置，為網(wǎng)關(guān)的各個(gè)模塊提供必要的電力供應(yīng)。

本發(fā)明提出的網(wǎng)關(guān)，其工作原理如下：

1.網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的過(guò)程如下：由通信模塊12接收來(lái)自水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，通過(guò)核心控制模塊10將接收的感知數(shù)據(jù)緩存到存儲(chǔ)模塊11，接著核心控制模塊10將存儲(chǔ)模塊11存儲(chǔ)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊13，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換模塊13把感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀通信格式，再通過(guò)核心控制模塊10控制北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將感知數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

2.網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的過(guò)程如下：北斗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊15接收來(lái)自北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的控制命令，通過(guò)核心控制模塊10將控制命令的數(shù)據(jù)包緩存到存儲(chǔ)模塊11，接著核心控制模塊10將存儲(chǔ)模塊11存儲(chǔ)的控制命令數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)議棧轉(zhuǎn)換模塊14，由網(wǎng)絡(luò)議棧轉(zhuǎn)換模塊14把北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的控制命令數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀通信格式，再通過(guò)核心控制模塊10控制通信模塊12將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

綜上，本發(fā)明提出的網(wǎng)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)，克服了水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離通信能力的不足，實(shí)現(xiàn)了水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸北斗導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息技術(shù)與分布式水下傳感器網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合，研制兼具衛(wèi)星通信能力與水下聲通信能力的水面網(wǎng)關(guān)模塊，通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與岸基信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離有效交換。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。