專利名稱：分布式水聲定位系統無線電通信方法
技術領域：
本發明涉及無線電通信技術、網絡技術及水下目標跟蹤技術。具體涉及水聲浮標 測量系統中的無線電分系統。
背景技術：
通信協議是通信系統在通信鏈路上實現復雜任務的軟件構架及程序編寫規則，任 何通信系統都離不開通信協議的支持。通信協議一般可分為三層結構物理層，數據鏈路層 和網絡層。物理層是網絡中的最底層，主要任務是透明地傳送二進制的比特流。物理層一 方面接收來自數據鏈路層的數據幀，并順序傳輸這些數據幀的結構和內容；另一方面將數 據傳遞給數據鏈路層，進行重新組幀。數據鏈路層的任務是通過設計數據鏈路層協議，在不 太可靠的物理鏈路上實現可靠的、無差錯的、透明的數據傳輸。網絡層的任務是要選擇合適 的路由信息，確定和分發源節點和目的節點之間的路由。這一層本身沒有傳輸錯誤檢測和 糾正機制，所以必須依賴于數據鏈路層端到端的可靠傳輸服務。相關文獻包括1.專利申請號200710047311. 3 一種用于復印機的通信協議；2.專利申請號200780025646. 3用于便攜式電子設備的通信協議；3.專利申請號98119961. 5用于無線數據系統的通信協議；4. Patent No. W 0 2 0 1 0 0 3 7 0 1 3 (A 2 ) S Y S T EM AND METHOD FOR COORDINATINGHALF-DUPLEX COMMUNICATIONS PROTOCOLS文獻1發明了一種用于復印機的通信協議，該通信協議的模塊結構包括PC Terminal和MCU之間采用的基于異步串行通信方式的安全命令協議，含兩部分的內容命 令/響應數據格式，含包格式定義的順序和所包括的完整信令流程，含描述的對象、命令應 答順序。文獻2發明了一種用于便攜式電子設備的通信協議，能夠擴大或補充便攜式電子 設備的功能或能力。文獻3公開了一種無線數據網絡，提供在覆蓋寬服務區內的尋呼信道上廣播的消 息控制中心和在所述寬服務區中分布的、在所述寬服務區內的本地服務區的本地信道上提 供雙向通信的多個基站。文獻4公開了一種用戶和接入設備之間進行通信的半雙工和頻分雙工協議。上述文獻中的技術內容均與本發明有本質區別。

發明內容
本發明的目的在于提供一種在已有天線高度、發射功率、接收機靈敏度條件下，可 以提高通信系統的有效性和可靠性的分布式水聲定位系統無線電通信方法。本發明的目的是這樣實現的分布式水聲定位系統，在非實時工作狀態下，基站處于偵聽狀態，基站隨機地向單個浮標發送監控信令，浮標根據基站的請求發送相應的數據或相應地改變工作狀態，信令 發送后，時隙被分配給被叫浮標，當浮標接到基站發送來的信息幀后，向基站返回一個數據 幀，此時，信道是由基站控制隨機分配的；實時工作狀態下，采用基站輪詢、集中控制動態分 配時隙的方式，基站的同步幀啟動一個輪詢周期，基站依據路由表依次對各浮標進行呼叫， 差錯控制采用自動請求重發方式，如果基站發送完監控信令后，在規定時間內沒有收到終 端站的回送的確認幀，基站就認定前一信令傳輸不成功，并立即再次重復發送信令。本發明還可以包括1、在浮標里設置有一個桶形緩沖區用來存放實時回傳的數據，桶形緩沖區的大小 和系統同步周期、涌浪周期、數據長度有關。2、利用幀序號作為浮標和基站的確認信息。本發明的分布式水聲定位系統由船載分系統和浮標分系統組成，船載分系統和浮 標分系統之間通過無線電通信鏈進行數據交換。通信方法主要包括通信方式，差錯控制，信 令幀格式，時隙分配，涌浪應對策略，節點間不完全同步應對策略等。本發明的水下目標跟蹤系統中的浮標分系統和船載跟蹤顯控分系統通過無線電 通信鏈進行數據交換。無線電通信鏈由基站和浮標中的通信部分構成。在現有天線高度， 發射功率，接收機靈敏度條件下，通過合理的通信方法，提高通信系統的有效性和可靠性。本發明的有益效果是可以提高通信系統的有效性和可靠性，最大限度的將實時數 據傳回船載跟蹤顯控系統，以便于船載跟蹤顯控系統對目標參數進行解算。


圖1是系統無線局域網拓撲圖。圖2是系統時隙分配示意圖。圖3是系統桶形緩沖區示意圖。圖4是系統傳輸差錯示意圖。圖5是基站與浮標不完全同步示意圖。圖6的表1是信令類型。圖7的表2是系統工作模式。圖8的表3是數據幀結構。圖9的表4是實時工作模式下數據段定義。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述本發明的技術方案是系統采用時分多址方法，節點間通過唯一的物理地址來加 以區分，時隙分配采用隨機分配與基站集中控制動態分配相結合的方法。在非實時工作狀 態下，基站處于偵聽狀態，根據需要隨機地向單個浮標發送監控信令，浮標根據基站的請求 發送相應的數據或相應地改變工作狀態，信令發送后，時隙被分配給被叫浮標，當浮標接到 基站發送來的信息幀后，向基站返回一個數據幀。此時，信道是由基站控制隨機分配的。實 時工作狀態下，由于浮標實時報送目標的聲學數據長度具有不確定性，此時采用基站輪詢、 集中控制動態分配時隙的方式。基站的同步幀啟動一個輪詢周期，基站依據路由表依次對各浮標進行呼叫。差錯控制采用自動請求重發方式，如果基站發送完監控信令后，在規定時 間內沒有收到終端站的回送的確認幀，基站就認定前一信令傳輸不成功，并立即再次重復 發送信令。涌浪會影響天線高度和姿態，從而影響系統通信質量。為了減小涌浪對通信質量 的影響，在浮標里設置一個桶形緩沖區用來存放實時回傳的數據，桶形緩沖區的大小和系 統同步周期、涌浪周期、數據長度有關。基站和浮標同步脈沖不完全同步，會造成數據幀丟失或重復上傳，采取的策略是 改進浮標和基站間的確認機制，利用幀序號作為浮標和基站的確認信息。結合圖1，本通信系統是一種分布式通信系統，通信節點包含基站和浮標，基站是 網絡的中心控制節點，浮標是終端站，基站和浮標構成一個一點對多點的無線局域網通信 系統，每個節點都由唯一的物理地址來加以區分。表1是系統的主要信令類型。系統主要信令類型有三種監控信令，允許發送信 令，和數據信令。基站發送監控信令和允許發送信令，浮標只發送數據信令。監控信令包括 基站查詢浮標狀態，進行參數設置等等。允許發送信令是在實時跟蹤模式下，基站向浮標發 出數據請求命令，只有收到該信令的浮標才被授權可以發送數據。數據信令是浮標響應基 站的信令而發出的。表2說明系統有兩種工作模式實時跟蹤模式和非實時模式。在實時跟蹤模式下， 基站發出允許發送信令，在一個同步周期內依次詢問每個浮標，盡可能地將測量數據實時 回傳給基站。在非實時模式下，基站發出監控信令，查詢浮標的工作狀態，設置參數等等。錯誤！未找到引用源。是系統的時隙分配圖，系統采用時分多址方法，在實時狀態 下，一個同步周期內，基站要依次詢問各個浮標，因此有必要對時隙進行劃分。同步信號控制著系統通信周期，一個同步信號觸發了一個新的系統通信周期的開 始；1.基站呼叫第一個浮標，基站發射占用時間Tl，然后進入等待狀態，等待狀態占 用時間tl ；2.Tl+tl時間之后，時隙被分配給浮標，浮標上傳測量數據，浮標發射占用時間 T2，然后再次進入等待狀態，等待狀態占用時間t2 ；3.等待狀態之后，基站根據浮標返回的數據決定下一次呼叫；4.依此方式直至所有終端站均無需上傳數據或進入保護時隙，則本周期的輪詢任 務結束。總而言之，基站是時隙分配的策劃者，為主叫方；終端站只被動地偵聽，不能主動 地發射信息，為被叫方。基站對浮標完成一次呼叫所需要的時間為Ta = Tl+T2+tl+t2，保護時隙時長為 t3，若浮標數為n，則基站完成一次輪詢所需要的時間至少為n*Ta+t3，因此T需要滿足T > n*Ta+t3。結合表3，信令幀格式如表所示。信令幀主要由網絡標志符、目的地址、源地址、命 令類型、數據長度、數據段和CRC校驗碼組成。網絡標識符是本網內信令幀的標志，是一個人為定義的、不容易為隨機干擾所偽 造而產生錯誤檢測的獨特字，通過對其有效檢測可以保證系統正確地提取信令幀。
目的地址規定了接收該幀的浮標的地址。只有當系統檢測到目的地址和浮標本身 的地址一致時，系統才開始接收這一幀數。源地址指明了該數據幀的來源。幀類型規定了該信令幀的類型，如查詢是否進入 同步，設置系統參數等等。數據長度指明了該數據段的長度，數據段包含了該信令幀的數 據。校驗碼采用循環冗余校驗碼，循環冗余校驗碼是較常用的數據塊檢測錯誤碼，一 方面應使校驗碼具有較強的檢錯能力，另一方面從編解碼工作所花費的時間來考慮，還應 使編解碼盡可能簡單。綜合考慮，系統選用CRC-CCITT生成多項式，這種校驗碼形式可 100%地捕捉一位錯、兩位錯和所有奇數個錯誤，可以捕捉突發性錯長度小于16的全部錯 誤、長度為17的突發錯誤的99. 98%、長度為18以上的突發錯的99. 997%。系統桶形緩沖區如錯誤！未找到引用源。所示。桶形緩沖區是在系統的RAM中 定義這樣一段存儲區域，每接收到一幀聲學測量數據，新周期數加1，接收指針前進一個數 據段長度，當桶形緩沖區存滿以后，接收指針跳回桶形緩沖區起始處，從起始處開始存放數 據。當發送聲學測量數據時，每發送一幀聲學測量數據，發送周期數加1，新周期數減1，發 送指針前進一個數據段長度。當涌浪引起無線電通信鏈中斷時，沒來得及發送給基站的數 據被保存在桶形緩沖區中，此時發送指針沒有更新，停留在最近一次發送成功的數據幀處， 等到無線電通信鏈恢復時，再把沒有發送給基站的數據上傳。若無線電通信鏈中斷時間太 長，則新數據會把沒有上傳的數據覆蓋，但是系統RAM大小有限而且無線電通信鏈每次最 多上傳數據有限，因此桶形緩沖區不可能無限大，桶形緩沖區大小要根據涌浪周期，同步周 期時長，每周期數據長度，無線電通信鏈最大發送數據長度來合理選擇。表4是系統的數據段定義。系統有兩種工作模式，實時跟蹤模式和非實時模式，在 非實時模式下，數據段中的數據無特殊含義，而在實時跟蹤模式下，數據段定義如表4所示。在實時跟蹤狀態下，基站向浮標所發信令幀數據段的第一個字為上次 接收數據的周期號，浮標判斷接收到的周期號是否與上次發給基站的數據周期號相吻合， 若二者相等，則認為上次發送成功，否則，則認為上次發送失敗。浮標向基站所發信令幀數 據段的第一個字為桶形緩沖區中的剩余周期數，第二個字為本次所發周期數，基站根據收 到的剩余周期數來判斷桶形緩沖區中的剩余的新周期數，若剩余周期數不為0，基站在完成 對所有浮標詢問之后，若沒有進入保護時隙，基站將再次詢問改浮標，直至所有數據傳完為 止。錯誤！未找到引用源。是數據的傳輸錯誤類型。數據傳輸差錯包括兩種類型數 據幀丟失和數據幀被損。數據幀丟失指的是數據幀不能到達收端或被損壞而難以識別；數 據幀被損指的是數據幀已經到達，但出現位錯誤。數據通信中常用的差錯控制主要有三種前向糾錯方式，自動請求重發方式和混 合糾錯方式，前向糾錯方式所發出的碼字具有相當的糾錯能力；自動請求重發方式所發送 出的碼字只需有檢錯能力，而不一定要有糾錯能力；混合糾錯方式是自動請求重發和前向 糾錯方式的綜合。前向糾錯方式只是對改正單一位錯誤行之有效，而且在傳輸數據中需添 加足夠的冗余量以讓接收站點改正差錯，需要大量的系統開銷。本通信網絡的通信信道為 海面，經過大量實驗表明，在IOkm以內的數據通信基本無誤碼，而在通信的極限距離附近， 誤碼率較高，實時工作狀態下終端站數據幀的數據長度最多為200字，所以誤碼位數會很多。綜合來看，ARQ最適合于本系統。錯誤！未找到引用源。(a)是正常情況，基站發送允 許發送信令，浮標正確接收以后，回復數據信令給基站，基站正確接收。錯誤！未找到引用 源。(b)是錯誤類型A，基站發送允許發送信令，浮標沒有收到基站的信令，基站在經過等待 時間之后自動請求重發，直至浮標正確接收。錯誤！未找到引用源。(c)是錯誤類型B，基 站發送允許發送信令，浮標正確接收后，返回給基站數據信令，基站經過等待時間之后，沒 有正確接收浮標的數據信令，自動請求重發，直至基站接收到浮標返回的數據信令。錯誤！未找到引用源。是基站同步脈沖和浮標同步脈沖不完全同步示意圖。在實 時跟蹤過程中，在每個同步周期浮標要將測量的水聲數據回傳到基站。理想情況下，浮標與 浮標、浮標與基站的同步脈沖是完全同步的，但是實際情況可能并非如此，由于浮標與基站 的硬件平臺并不完全相同，同步脈沖有可能會產生偏差。當基站同步脈沖3到來時，基站發出允許發送信令，浮標正確接收并返回數據信 令，數據信令被基站正確接收后，基站同步脈沖4到來，基站再次發出允許發送信令，告知 浮標上次接收是否成功并請求浮標發送下一幀數據。當基站同步脈沖和浮標同步脈沖完全 同步時，上述邏輯可以確保不丟失數據幀，當基站同步脈沖和浮標同步脈沖不完全同步時， 上述邏輯有可能造成數據幀丟失和重復上傳。當基站同步脈沖3到來之后，基站正確接收浮標返回的數據信令，當基站同步脈 沖4到來之后，基站要告知浮標上次接收成功并發送下一幀數據，若在基站同步脈沖4和浮 標同步脈沖5這段期間，基站并沒有收到浮標發送的數據信令，則在浮標同步脈沖5和基站 同步脈沖5期間，基站還在告知浮標上次接收成功并發送下一幀數據，浮標就會將浮標同 步脈沖5所測量的數據發送給基站，這樣就造成了浮標同步脈沖4測量的數據丟失。當基站脈沖3到來之后，基站正確接收浮標返回的數據信令，當基站同步脈沖4到 來之后，基站告知浮標上次接收成功并發送下一幀數據，然而基站并沒有收到浮標返回的 數據信令，基站再次發出允許發送信令，此時接收成功標志位更改為接收失敗標志位，在基 站同步脈沖4和浮標同步脈沖5期間，倘若浮標正確接收到基站再次發送的允許發送信令， 浮標則將浮標同步脈沖3和浮標同步脈沖4測量數據一起傳回基站，造成數據重復上傳。解決脈沖數據丟失和重復上傳的辦法是改變基站浮標間通信成敗的確認機制。由 于幀序號是由同步脈沖來計數的，每來一個同步脈沖，幀序號加1，因此可以使用幀序號作 為確認信息。浮標根據基站返回的幀序號判斷基站成功接收了哪一個同步脈沖的測量數 據。例如浮標同步脈沖2測量數據已經成功上傳到基站，那么基站下傳到浮標的確認信息 應該是幀序號2，即使由于通信質量差而導致浮標同步脈沖3、4、5都沒有成功上傳到基站， 但是由于確認信息還是幀序號2，所以基站同步脈沖6到來之后，浮標會將浮標同步脈沖3、 4、6、6的數據都上傳到基站，從而保證數據既沒有丟失也沒有重復。由此可見，經過這一確 認機制的改動，可以成功的解決在基站浮標同步脈沖發生偏差甚至完全不同步時測量數據 的重復上傳和丟失的問題。
權利要求
一種分布式水聲定位系統無線電通信方法，其特征是分布式水聲定位系統在非實時工作狀態下，基站處于偵聽狀態，基站隨機地向單個浮標發送監控信令，浮標根據基站的請求發送相應的數據或相應地改變工作狀態，信令發送后，時隙被分配給被叫浮標，當浮標接到基站發送來的信息幀后，向基站返回一個數據幀，此時，信道是由基站控制隨機分配的；實時工作狀態下，采用基站輪詢、集中控制動態分配時隙的方式，基站的同步幀啟動一個輪詢周期，基站依據路由表依次對各浮標進行呼叫。差錯控制采用自動請求重發方式，如果基站發送完監控信令后，在規定時間內沒有收到終端站的回送的確認幀，基站就認定前一信令傳輸不成功，并立即再次重復發送信令。
2.根據權利要求1所述的分布式水聲定位系統無線電通信方法，其特征是在浮標里 設置有一個桶形緩沖區用來存放實時回傳的數據，桶形緩沖區的大小和系統同步周期、涌 浪周期、數據長度有關。
3.根據權利要求1或2所述的分布式水聲定位系統無線電通信方法，其特征是利用 幀序號作為浮標和基站的確認信息。
全文摘要
本發明提供的是一種分布式水聲定位系統無線電通信方法。在非實時工作狀態下，基站處于偵聽狀態，基站隨機地向單個浮標發送監控信令，浮標根據基站的請求發送相應的數據或相應地改變工作狀態，信令發送后，時隙被分配給被叫浮標，當浮標接到基站發送來的信息幀后，向基站返回一個數據幀；實時工作狀態下，基站的同步幀啟動一個輪詢周期，基站依據路由表依次對各浮標進行呼叫，差錯控制采用自動請求重發方式，如果基站發送完監控信令后，在規定時間內沒有收到終端站的回送的確認幀，基站就認定前一信令傳輸不成功，并立即再次重復發送信令。本發明可以提高分布式水聲定位系統的有效性和可靠性，最大限度的將實時數據傳回船載跟蹤顯控系統。
文檔編號H04W28/14GK101888266SQ20101014233
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者付進, 嵇建飛, 林旺生, 梁國龍, 王燕 申請人:哈爾濱工程大學