水下无线通信网络制造技术

一种水下无线通信网络，包括漂浮在水体表面处并且包括射频通信收发器和有线通信收发器的第一浮式平台。第一水下传感器节点通过至少一根导线耦合到第一浮式平台，第一浮式平台和第一水下传感器节点通过该导线进行通信。第一水下传感器包括通过至少一根导线与第一浮式平台进行通信的有线通信收发器。第一浮式平台或第一水下传感器节点包括被配置为向第一浮式平台或第一水下传感器节点供电的第一环境能量收集器。设置在水体下方的第二水下传感器节点包括被配置为向第二水下传感器节点供电的第二环境能量收集器。第一水下传感器节点和第二水下传感器节点各自包括传感器、光通信收发器和声学定位系统。收发器和声学定位系统。收发器和声学定位系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水下无线通信网络
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年5月12日提交的题为“UNDERWATER WIRELESS SENSOR NETWORK AND METHOD BASED ON OPTICAL WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGY”的美国临时专利申请No.63/023,458的优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。
[0003]背景


[0004]所公开主题的实施例总体上涉及一种使用自供电水下传感器节点之间的光通信来收集传感器数据的自主水下无线通信网络。

技术介绍

[0005]近年来，用于海洋环境监测、近海勘探、海啸预警等方面的水下无线传感器网络的研究和发展受到了极大的关注。这些水下无线传感器网络通常包括形成自组织网络并使用声学通信进行通信的大量的水下传感器节点，声学通信是水下通信中最成熟的技术。水下声学通信存在许多缺陷。首先，因为传播的声波可能会受到水中层状介质的折射以及海面和海床的反射的影响，因此声学信号会受到显著的多径效应。其次，水声具有慢的传播速度(～1500m/s)和毫秒级的大的传输延迟。此外，声波在水中的传播速度随盐度、温度和压力(取决于深度)而变化，这可能导致传输延迟的动态变化。第三，由于多径效应、传输延迟、背景噪声和各种动态因素(例如，内波在水面上的波)，接收到的声学信号的幅度和相位容易失真，这会导致符号间干扰并导致高的误码率。第四，因为通信频率越高，声波的吸收损耗越大，因此水下声学通信的带宽有限。尽管在小于100m的距离处可以实现100kHz的带宽，但在1km至10km的传输距离处带宽通常小于10kHz。
[0006]鉴于水下声学通信的各种问题，参考文献[1]公开了一种水下多跳通信网络，该水下多跳通信网络使用光收发器进行节点之间的通信和识别邻近节点。多跳通信网络是采用时分多址(TDMA)介质访问控制(MAC)协议的自组织网络。TDMA MAC协议要求将时隙分配到不同的节点，以避免两个或更多个节点传输相互干扰。替代地，TDMA MAC协议可以允许多个节点尝试在特定时隙中进行通信，并提供竞争解决机制来处理试图在特定时隙中进行通信的两个节点之间的干扰通信。因此，TDMA MAC协议为节点引入了额外的处理量。由于节点由电池或燃料电池供电，这种额外的处理量增加了每个节点的电力负载，因此需要较频繁地访问水下节点以更换电池或为燃料电池补充燃料。
[0007]因此，需要一种使用不会遇到与声学通信类似的限制的无线通信形式的水下通信网络。

技术实现思路

[0008]根据实施例，存在一种水下无线通信网络，其包括漂浮在水体表面处并且包括射频通信收发器和有线通信收发器的第一浮式平台。第一水下传感器节点通过至少一根导线
耦合到第一浮式平台，第一浮式平台和第一水下传感器节点通过所述至少一根导线进行通信。第一水下传感器包括有线通信收发器，以通过至少一根导线与第一浮式平台进行通信。第一浮式平台或第一水下传感器节点包括被配置为向第一浮式平台或第一水下传感器节点供电的第一环境能量收集器。第二水下传感器节点设置在水体下方并且包括被配置为向第二水下传感器节点供电的第二环境能量收集器。第一水下传感器节点和第二水下传感器节点各自包括传感器、光通信收发器和声学定位系统。
[0009]根据实施例，存在一种用于使用水下无线通信网络进行通信的方法。声学定位系统用于确定第一水下传感器节点在第二水下传感器节点的光通信范围内。响应于确定第一水下传感器节点在第二水下传感器节点的光通信范围内，在第一水下传感器节点的第一光收发器与第二水下传感器节点的第二光收发器之间建立光通信连接。由第二水下传感器节点的第二传感器收集的传感器数据通过所建立的光通信连接传输到第一水下传感器节点。第一水下传感器节点使用第一水下传感器节点的有线收发器和漂浮在水体表面处的第一浮式平台的有线收发器，通过有线连接，将由第一水下传感器节点的第一传感器收集的传感器数据和由第二传感器节点收集的传感器数据传输到第一浮式平台。第一浮式平台的射频收发器将由第一传感器和第二传感器收集的传感器数据传输到陆基射频基站。
[0010]根据实施例，存在一种用于使用包括第一和第二水下传感器节点的水下无线通信网络进行通信的方法，所述第一和第二水下传感器节点分别包括第一和第二光收发器。水下运载工具的声学定位系统用于确定水下运载工具在第二传感器节点的光通信范围内。响应于确定第二水下传感器节点在水下运载工具的光通信范围内，在第二水下传感器节点的第二光收发器与水下运载工具的光收发器之间建立光通信连接。由第二水下传感器节点的第二传感器收集的传感器数据通过所建立的光通信连接传输到水下运载工具。水下运载工具的声学定位系统用于确定水下运载工具在第一水下传感器节点的光通信范围内。响应于确定水下运载工具在第一水下传感器节点的光通信范围内，在第一水下传感器节点的第一光收发器与水下运载工具的光收发器之间建立光通信连接。水下运载工具通过所建立的光通信连接将第二水下传感器节点的第二传感器采集的传感器数据传输到第一水下传感器节点。第一水下传感器节点使用第一水下传感器节点的有线收发器和漂浮在水体表面处的第一浮式平台的有线收发器，通过有线连接，将由第一传感器节点的第一传感器收集的传感器数据和第二传感器节点收集的传感器数据传输到第一浮式平台。第一浮式平台的射频收发器将由第一传感器和第二传感器收集的传感器数据传输到陆基射频基站。
附图说明
[0011]包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了一个或更多个实施例，并且与描述一起解释了这些实施例。在附图中：
[0012]图1A
‑
1D是根据实施例的水下无线通信网络的示意图；
[0013]图2A是根据实施例的浮式平台的框图；
[0014]图2B是根据实施例的第一水下传感器节点的框图；
[0015]图2C是根据实施例的第二水下传感器节点的框图；
[0016]图2D是根据实施例的水下运载工具的框图；
[0017]图2E是根据实施例的水下传感器节点的另一框图；和
[0018]图3A、3B、4A和4B是用于使用水下无线通信网络进行通信的方法的流程图。
具体实施方式
[0019]示例性实施例的以下描述参考附图。不同附图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本专利技术。相反，本专利技术的范围由所附权利要求限定。为了简单起见，以下实施例是关于使用节点之间的光通信的无线水下通信网络的术语和结构来讨论的。
[0020]在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定是指同一实施例。此外，在一个或更多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
[0021]图1A
‑
1D和图2A
‑
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种水下无线通信网络，包括：第一浮式平台(102)，其漂浮在水体(104)的表面处并且包括射频通信收发器(202)和有线通信收发器(204)；第一水下传感器节点(106)，其通过至少一根导线(108)耦合到所述第一浮式平台(102)，所述第一浮式平台(102)和所述第一水下传感器节点(106)通过所述至少一根导线进行通信，其中，所述第一水下传感器(106)包括通过所述至少一根导线(108)与所述第一浮式平台(102)通信的有线通信收发器(204)，并且其中，所述第一浮式平台(102)或所述第一水下传感器节点(106)包括第一环境能量收集器(208)，所述第一环境能量收集器(208)被配置为向所述第一浮式平台(102)或所述第一水下传感器节点(106)供电；和第二水下传感器节点(110)，其位于水体(104)的下方并包括第二环境能量收集器(208)，所述第二环境能量收集器(208)被配置为向所述第二水下传感器节点(110)供电，并且其中，所述第一水下传感器节点(106)和第二水下传感器节点(108)均包括传感器(210)、光通信收发器(206)和声学定位系统(212)。2.根据权利要求1所述的水下无线通信网络，其中，所述第二水下传感器节点位于水体下方、低于所述第一水下传感器节点的深度的深度处。3.根据权利要求2所述的水下无线通信网络，还包括：水下运载工具，其包括光通信收发器和声学定位系统。4.根据权利要求3所述的水下无线通信网络，其中，所述水下运载工具是自主水下运载工具或遥控水下运载工具。5.根据权利要求1所述的水下无线通信网络，还包括：第二浮式平台，其漂浮在水体的表面处并且包括射频通信收发器和有线通信收发器；和第三水下传感器节点，其通过至少一根导线耦合到所述第二浮式平台，所述第二浮式平台和所述第三水下传感器节点通过所述至少一根导线进行通信，其中所述第三水下传感器包括通过所述至少一根导线与所述第二浮式平台进行通信的第三有线通信收发器，并且其中，所述第二浮式平台或所述第三水下传感器包括第三环境能量收集器。6.根据权利要求5所述的水下无线通信网络，还包括：水下运载工具，其包括光通信收发器和声学定位系统。7.根据权利要求6所述的水下无线通信网络，其中，所述水下运载工具是自主水下运载工具或遥控水下运载工具。8.根据权利要求7所述的水下无线通信网络，其中，所述水下运载工具是自主水下运载工具，其被配置为遵循所述第一传感器节点与所述第二传感器节点之间的限定路径。9.根据权利要求1所述的水下无线通信网络，其中，所述浮式平台包括所述第二环境能量收集器。10.根据权利要求1所述的水下无线通信网络，其中，所述第一环境收集器或第二环境收集器是太阳能板、波浪能收集器或潮汐能收集器。11.根据权利要求1所述的水下无线通信网络，其中，所述第二环境能量收集器是光电能转换器，所述光电能转换器被配置为接收来自所述第一水下传感器节点的光能并将接收
到的光能转换成电能。12.根据权利要求1所述的水下无线通信网络，其中，所述第二水下传感器节点还包括电能存储设备。13.一种用于使用水下无线通信网络进行通信的方法，所述方法包括：使用声学定位系统(212)确定(305)第一水下传感器节点(106)在第二水下传感器节点(110)的光通信范围内；响应于确定所述第一水下传感器节点(106)在所述第二水下传感器节点(110)的光通信范围内，在所述第一水下传感器节点(106)的第一光收发器(206)与所述第二水下传感器节点(110)的第二光收发器(206)之间建立(310)光通信连接；通过所建立的光通信连接向所述第一水下传感器节点(106)传输(315)由所述第二水下传感器节点(110)的第二传感器(210)收集的传感器数据；通过所述第一水下传感器节点(106)使用所述第一水下传感器节点(106)的有线收发器(204)和漂浮在水体(104)表面处的第一浮式平台(102)的有线收发器(204)，通过有线连接(108)，将由所述第一水下传感器节点(106)的第一传感器(210)收集的传感器数据和由所述第二传感器节点(110)收集的传感器数据传输(320)到第一浮式平台(102)；和由所述第一浮式平台(102)的射频收发器(202)将由所述第一传感器和第二传感器(210)收集的传感器数据传输(325)到陆基射频基站(112)。14.根据权利要求13所述的方法，还包括：由所述第一浮式平台(102)从所述陆基射频基站(112)接收(330)用于所述第二水下传感器节点(110)的控制数据；由所述第一浮式平台(102)的有线收发器(204)向所述第一水下传感器节点(106)的有线收发器(204)传输(335)控制数据；使用声学定位系统(212)确定(340)所述第一水下传感器节点(106)在所述第二水下传感器节点(110)的光通信范围内；响应于确定所述第一水下传感器节点(106)在所述第二水下传感器节点(110)的光通信范围内，在所述第一水下传感器节点(106)与所述第二水下传感器节点(110)之间建立(345)另外的光通信连接；由所述第一水下传感器节点(106)通过所建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔美巍，黄文秀，伍田祺，
申请(专利权)人：阿卜杜拉国王科技大学，
类型：发明
国别省市：