基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法
阅读：397发布：2020-05-12
专利汇可以提供基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于探通一体化的 水 下声磁异构网络快速组网方法，包括：第一簇水下设备的第一主设备接收水面控制中心发布的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步；第一簇水下设备在簇内各设备完成时钟同步之后，采用探通一体化的方式在探测其他簇水下设备的同时，向其他簇水下设备发布水下控制指令；在其他簇水下设备都接收到水下控制指令后，向探测区移动，并在所述探测区根据所述水面控制指令执行探测任务。采用本方法可实现快速组网功能，提高了网络运行的效率。，下面是基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法专利的具体信息内容。
1.一种基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10，第一簇水下设备的第一主设备接收水面控制中心发布的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步；
S20，第一簇水下设备在簇内各设备完成时钟同步之后，采用探通一体化的方式在探测其他簇水下设备的同时，向其他簇水下设备发布水下控制指令；
S30，在其他簇水下设备都接收到水下控制指令后，向探测区移动，并在所述探测区根据所述水面控制指令执行探测任务。
2.根据权利要求1所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，还包括：
其他簇水下设备的主设备接收所述第一簇水下设备发射的水面控制指令后进入待命状态，进行簇内各设备的时钟同步，向主设备发射反馈指令准备进行移动向探测区进行探测任务。
3.根据权利要求2所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，还包括：
第一簇水下设备接收其他簇水下设备发射的反馈指令，在接收到的反馈指令数达到预存的设备数时，判定所有其他簇水下设备均接收到水下控制指令进入待命状态。
4.根据权利要求2所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，在其他簇水下设备的主设备接收所述第一簇水下设备发射的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步，向主设备发射反馈指令之后，还包括：
其他簇水下设备向所述探测区移动，并在所述探测区根据所述水下控制指令执行探测任务。
5.根据权利要求1至4所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，各簇水下设备在执行探测任务的过程中，包括：
主设备和各个从设备发射声波形成空间波束进行探测；
各个从设备依次向主设备汇报探测信息；
所述主设备汇聚探测信息，并向簇内各从设备广播汇聚后的探测信息；
主设备和各个从设备将汇聚后的探测信息编码进发射声波中，使汇聚后的探测信息叠加入发射声波的主瓣，并将发射声波向所述水面控制中心汇报。
6.根据权利要求5所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，每个水下设备的发射信号为：
其中，s(t)表示发射信号，d(mN+n)为第m个OFDM符号在第n个子载波的加载数据，为矩形窗函数，M表示OFDM符号的总数，N表示子载波的总数，t表示时间变量，T表示采样周期，fn表示第n个子载波的载波频率。
7.根据权利要求6所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，接收端的接收信号为：
y(t)＝Ahe2πftwTaφ+n(t)，
其中，y(t)表示接收信号，A表示振幅，h表示水声信道衰落，t表示时间变量，w表示预编码矢量， 表示相位偏差， 表示第i个水下设备的相位偏
差，i＝1,…,K，K为振元的个数，n(t)表示均值为0方差为σ2的高斯白噪声。
8.根据权利要求7所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，w的最优解的确定过程包括：
将满足约束条件且使目标函数取得最大值的矢量参数确定为w的最优解；所述目标函数包括：
所述约束条件包括：
2
||w||≤1。
9.根据权利要求8所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于， 其中，w*表示w的最优解。
10.根据权利要求1至4所述的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，其特征在于，各簇水下设备进行簇内各设备时钟同步的过程包括：
簇内各个从设备向主设备发送本地时钟产生的从时间戳；
主设备接收到各个从时间戳后，向各个从设备发送反馈数据包，所述反馈数据包包括接收到从设备时间戳的时间，发送反馈数据包的时间，以及主设备的主时间戳；
各个从设备接收到反馈数据包后记录接收反馈数据包的时间，计算主时间戳与本地时钟产生的从时间戳之间的时间偏差，补偿时间偏差后将本地时钟同步到主设备的时钟。
基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法
技术领域
[0001] 本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法。
背景技术
[0002] 随着海洋研究热潮的兴起，海洋监测在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方面起着十分重要的作用。无人水下自主航行器以其无缆，无人和自主的特点，在海洋监测中得到了广泛的应用，其可以通过搭载各种传感器及探测设备组成包括多簇水下设备的移动式水下无线传感器网络，实现情报搜集、确定和跟踪各种感兴趣的目标，依据控制消息监测目标区域等功能。在移动式水下无线传感器网络中，智能协同自组织是无人水下航行器集群重要的发展方向，需要凭借设备间的相互感知以及即时的通信网络保证对整个网络内所有设备的控制，保证网络的稳健性。传统的移动式水下无线传感器网络的组网效率低。
发明内容
[0003] 针对以上问题，本发明提出一种基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法。
[0004] 为实现本发明的目的，提供一种基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，包括如下步骤：
[0005] S10，第一簇水下设备的第一主设备接收水面控制中心发布的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步；
[0006] S20，第一簇水下设备在簇内各设备完成时钟同步之后，采用探通一体化的方式在探测其他簇水下设备的同时，向其他簇水下设备发布水下控制指令；
[0007] S30，在其他簇水下设备都接收到水下控制指令后，向探测区移动，并在所述探测区根据所述水面控制指令执行探测任务。
[0008] 在其中一个实施例中，上述基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，还包括：
[0009] 其他簇水下设备的主设备接收所述第一簇水下设备发射的水面控制指令后进入待命状态，进行簇内各设备的时钟同步，向主设备发射反馈指令准备进行移动向探测区进行探测任务。
[0010] 作为一个实施例，上述基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，还包括：
[0011] 第一簇水下设备接收其他簇水下设备发射的反馈指令，在接收到的反馈指令数达到预存的设备数时，判定所有其他簇水下设备均接收到水下控制指令进入待命状态。
[0012] 作为一个实施例，在其他簇水下设备的主设备接收所述第一簇水下设备发射的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步，向主设备发射反馈指令之后，还包括：
[0013] 其他簇水下设备向所述探测区移动，并在所述探测区根据所述水下控制指令执行探测任务。
[0014] 在其中一个实施例中，各簇水下设备在执行探测任务的过程中，包括：
[0015] 主设备和各个从设备发射声波形成空间波束进行探测；
[0016] 各个从设备依次向主设备汇报探测信息；
[0017] 所述主设备汇聚探测信息，并向簇内各从设备广播汇聚后的探测信息；
[0018] 主设备和各个从设备将汇聚后的探测信息编码进发射声波中，使汇聚后的探测信息叠加入发射声波的主瓣，并将发射声波向所述水面控制中心汇报。
[0020]
[0021] 其中，s(t)表示发射信号，d(mN+n)为第m个OFDM符号在第n个子载波的加载数据，为矩形窗函数，M表示OFDM符号的总数，N表示子载波的总数，t表示时间变量，T表示采样周期，fn表示第n个子载波的载波频率。
[0022] 作为一个实施例，接收端的接收信号为：
[0023] y(t)＝Ahe2πftwTaφ+n(t)，
[0024] 其中，y(t)表示接收信号，A表示振幅，h表示水声信道衰落，t表示时间变量，w表示预编码矢量， 表示相位偏差， 表示第i个水下设备的相位偏差，i＝1,…,K，K为振元的个数，n(t)表示均值为0方差为σ2的高斯白噪声。
[0025] 作为一个实施例，w的最优解的确定过程包括：
[0026] 将满足约束条件且使目标函数取得最大值的矢量参数确定为w的最优解；所述目标函数包括：
[0027]
[0028] 所述约束条件包括：
[0029] ||w||2≤1。
[0030] 作为一个实施例， 其中，w*表示w的最优解。
[0031] 在其中一个实施例中，各簇水下设备进行簇内各设备时钟同步的过程包括：
[0032] 簇内各个从设备向主设备发送本地时钟产生的从时间戳；
[0033] 主设备接收到各个从时间戳后，向各个从设备发送反馈数据包，所述反馈数据包包括接收到从设备时间戳的时间，发送反馈数据包的时间，以及主设备的主时间戳；
[0034] 各个从设备接收到反馈数据包后记录接收反馈数据包的时间，计算主时间戳与本地时钟产生的从时间戳之间的时间偏差，补偿时间偏差后将本地时钟同步到主设备的时钟。所述设备间的时钟同步间的信息交互都由磁感应通信实现
[0035] 上述基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，通过第一簇水下设备的第一主设备接收水面控制中心发布的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步，第一簇水下设备在簇内各设备完成时钟同步之后，采用探通一体化的方式在探测其他簇水下设备的同时，向其他簇水下设备发布水下控制指令，在其他簇水下设备都接收到水下控制指令后，所有簇水下设备向探测区移动，在所述探测区根据水面控制指令执行探测任务，其中发布或传输的水下控制指令等各类信息具有更高的稳定性，使水下设备的通信质量得到提高，从而提高的所执行的探测任务的稳定性，同时可实现快速组网功能，提高了网络运行的效率。附图说明
[0036] 图1是一个实施例的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法流程图；
[0037] 图2是一个实施例的水下区域示意图；
[0038] 图3是一个实施例的水下成簇设备示意图；
[0039] 图4是另一个实施例的基于探通一体化协同式MIMO的水下声磁异构网络快速组网方式流程图；
[0040] 图5为一个实施例中水下设备的输出波束图。
具体实施方式
[0041] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0042] 在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0043] 参考图1所示，图1为一个实施例的基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法流程图，包括如下步骤：
[0044] S10，第一簇水下设备的第一主设备接收水面控制中心发布的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步。
[0045] 上述水下设备为能够在水下进行通信，并执行探测任务的设备。水下设备以簇的形式在水下开展相应工作。具体地，某水域的水下区域设置多簇水下设备，各簇水下设备包括一个主设备和多个从设备。
[0046] 在水面控制中心发布水面控制指令时，最先收到上述水面控制中心发布的水面控制指令的一簇水下设备为第一簇水下设备。第一簇水下设备的主设备接收水面控制中心发布的水面控制指令后，控制簇内各设备进行时钟同步，以保证后续向其他簇水下设备发布水下控制指令的稳定性。具体地，水面控制中心发布控制指令后，其中的一个或多个簇(如第一簇水下设备)的主设备进行接收并向簇内设备(如各个从设备)广播，上述广播的过程采用磁感应通信方式进行，磁感应通信稳定且可预测的信道可克服水声信号在复杂环境中多径效应明显等缺陷，保证簇内设备间的可靠通信。为实现协同式MIMO探通一体化，簇内分布式的设备需实现精准同步。在一个示例中，可以采用TPSN开环式同步机制，即采用主设备的时钟作为参考，其余簇内设备的时钟依次同步到主设备的时钟，主要基于同步数据包的交互，磁感应通信的信号在水下的传播速度和电磁波的传播速度相同，可以达到3.33×107m/s，满足簇内设备的同步要求，降低同步的时间误差及频率误差。
[0047] 在一个实施例中，第一簇水下设备进行簇内各设备的时钟同步的过程包括：
[0048] 第一簇水下设备中，簇内各个从设备向主设备发送本地时钟产生的从时间戳；第一主设备接收到各个从时间戳后，向各个从设备发送反馈数据包，所述反馈数据包包括接收到从设备时间戳的时间，发送反馈数据包的时间，以及主设备的主时间戳；各个从设备接收到反馈数据包后记录接收反馈数据包的时间，计算主时间戳与本地时钟产生的从时间戳之间的时间偏差，补偿时间偏差后将本地时钟同步到第一主设备的时钟，使第一簇水下设备得各个设备实现时钟同步。
[0049] S20，第一簇水下设备在簇内各设备完成时钟同步之后，采用探通一体化的方式在探测其他簇水下设备的同时，向其他簇水下设备发布水下控制指令。
[0050] 第一簇水下设备所发布的水下控制指令为依据其接收的水面控制指令所生成的控制指令，即第一簇水下设备发布的水下控制指令与其发布该水下控制指令前接收的水面控制指令具有对应关系，两者所携带的信息(如探测任务信息、探测区信息等)是一致的。
[0051] 具体地，水面控制中心发布的水面控制指令可以携带探测任务的信息(如任务类型等)，以及探测区的信息(如探测区的位置等)。相应地，依据上述水面控制指令所生成的水下控制指令也包括上述探测任务的信息，以及探测区的信息。
[0052] 在一个示例中，完成时钟同步后的第一簇水下设备可以进入探测通信一体化发布控制指令阶段(如水下控制指令)。具体地，簇内的多个设备同时发射经过叠加预编码矢量的声波可形成空间波束，波束上携带控制指令，在探测邻居簇的同时传递控制指令，利用协同式MIMO探测通信一体化技术实现快速自组织，直到所有的簇都接收到控制指令。
[0053] S30，在其他簇水下设备都接收到水下控制指令后，(第一簇水下设备和/或其他簇水下设备)向探测区移动，并在所述探测区根据所述水面控制指令执行探测任务。
[0054] 具体地，在执行探测任务之前，第一簇水下设备在执行探测任务之前，位于部署区，在向所有其他簇水下设备均发布水下控制指令之后，由部署区向探测区移动，并在探测区根据所述水面控制指令执行探测任务，以响应水面控制指令发射的水面控制指令。
[0055] 水下设备处于探测阶段是指其在探测区进行探通一体化过程。水下设备到达探测位置后，先进行簇内设备同步，所有设备时钟同步到主设备的时钟后，簇内设备采用磁感应通信的方式依次向主设备汇报探测信息，主设备汇聚探测信息后，在簇内进行广播，所有设备接收到探测信息后将其叠加入所发射的声波，使产生的波束中主瓣用于向水面控制中心汇报，旁瓣进行探测，实现探测通信一体化。
[0056] 上述基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，通过第一簇水下设备的第一主设备接收水面控制中心发布的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步，第一簇水下设备在簇内各设备完成时钟同步之后，采用探通一体化的方式在探测其他簇水下设备的同时，向其他簇水下设备发布水下控制指令，在其他簇水下设备都接收到水下控制指令后，所有簇水下设备向探测区移动，在所述探测区根据水面控制指令执行探测任务，其中发布或传输的水下控制指令等各类信息具有更高的稳定性，使水下设备的通信质量得到提高，从而提高的所执行的探测任务的稳定性，同时可实现快速组网功能，提高了网络运行的效率。
[0057] 在一个实施例中，上述基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，还包括：
[0058] 其他簇水下设备的主设备接收所述第一簇水下设备发射的水面控制指令后进入待命状态，进行簇内各设备的时钟同步，向主设备发射反馈指令准备进行移动向探测区进行探测任务。
[0059] 具体地，其他簇水下设备控制簇内各设备进行时钟同步的过程包括：
[0060] 其他簇水下设备中，簇内各个从设备向主设备发送本地时钟产生的从时间戳；主设备接收到各个从时间戳后，向各个从设备发送反馈数据包，所述反馈数据包包括接收到从设备时间戳的时间，发送反馈数据包的时间，以及主设备的主时间戳；各个从设备接收到反馈数据包后记录接收反馈数据包的时间，计算主时间戳与本地时钟产生的从时间戳之间的时间偏差，补偿时间偏差后将本地时钟同步到主设备的时钟，使其他簇水下设备得各个设备实现时钟同步。
[0061] 作为一个实施例，上述基于探通一体化的水下声磁异构网络快速组网方法，还包括：
[0062] 第一簇水下设备接收其他簇水下设备发射的反馈指令，在接收到的反馈指令数达到预存的设备数时，判定所有其他簇水下设备均接收到水下控制指令进入待命状态。
[0063] 上述预存的设备数可以为部署区的其他簇设备的簇数。若接收到的反馈指令数达到预存的设备数，表明第一簇水下设备已向所有其他簇水下设备发布水下控制指令，其他簇水下设备均接收到上水下控制指令，将依据上述水下控制指令移向探测区，执行相应的探测任务。
[0064] 作为一个实施例，在其他簇水下设备的主设备接收所述第一簇水下设备发射的水面控制指令，进行簇内各设备的时钟同步，向主设备发射反馈指令之后，还包括：
[0065] 其他簇水下设备向所述探测区移动，并在所述探测区根据所述水下控制指令执行探测任务。
[0066] 其他簇水下设备在探测区根据水下控制指令执行探测任务是指其在探测区进行探通一体化过程。其他簇水下设备到达探测位置后，可以先进行簇内设备同步，所有设备时钟同步到主设备的时钟后，簇内设备采用磁感应通信的方式依次向主设备汇报探测信息，主设备汇聚探测信息后，在簇内进行广播，所有设备接收到探测信息后将其叠加入所发射的声波，使产生的波束中主瓣用于向水面控制中心汇报，旁瓣进行探测，实现探测通信一体化。
[0067] 在第一簇水下设备和其他簇水下设备移向探测区执行探测任务之前，处于探测初始化阶段，探测初始化阶段指在接收相关控制指令(如水面控制指令和水下控制指令)后水下探测设备由部署区依据指令协同自组织移动到探测区。水面控制中心发布控制指令后，其中的一个或多个簇(第一簇水下设备)的主设备进行接收并向簇内从设备广播，此过程采用磁感应通信方式进行。为实现协同式MIMO探通一体化，簇内分布式的设备需实现精准同步，本实施例可以采用TPSN开环式同步机制，即主设备作为参考，其余簇内设备的时钟依次同步到主设备的时钟，主要基于同步数据包的交互，磁感应通信超高速的传播速度可满足簇内设备的同步要求，降低同步的时间误差及频率误差。完成同步后的簇可以进入探测通信一体化发布控制指令阶段，簇内的多个设备同时发射经过叠加预编码矢量的声波实现探通一体化功能，在探测邻居簇的同时传递控制指令，利用协同式MIMO探测通信一体化技术实现快速自组织，通过统计通知到的簇的数量，确定是否所有的簇都接收到控制指令，直到所有的簇都接收到控制指令。此时所有的水下设备都移动到探测区，探测初始化阶段完成。
[0068] 在一个实施例中，各簇水下设备(包括第一簇水下设备和其他簇水下设备)在执行探测任务的过程中，包括：
[0069] 主设备和各个从设备发射声波形成空间波束进行探测；
[0070] 各个从设备依次向主设备汇报探测信息；
[0071] 所述主设备汇聚探测信息，并向簇内各从设备广播汇聚后的探测信息；
[0072] 主设备和各个从设备将汇聚后的探测信息编码进发射声波中，使汇聚后的探测信息叠加入发射声波的主瓣，并将发射声波向所述水面控制中心汇报。
[0073] 具体地，汇聚后的探测信息以预编码矢量的形式叠加入发射声波的主瓣，以实现探通一体化功能。
[0074] 作为一个实施例，水下设备在执行探测任务的过程中，若考虑一个簇内存在K个水下设备同时发送同一信号，可以采用实现简单、抗干扰能力强的正交频分复用信号，可实现高效的数据传输，其中每个水下设备的发射信号可表示为：
[0075]
[0076] 其中，s(t)表示发射信号，d(mN+n)为第m个OFDM符号在第n个子载波的加载数据，为矩形窗函数，M表示OFDM符号的总数，N表示子载波的总数，t表示时间变量，T表示采样周期，fn表示第n个子载波的载波频率。
[0077] 由于各设备位置不同导致叠加信号相位存在偏差，采用预编码矢量进行补偿，则在接收端(相应通信目标)的接收信号可表示为：
[0078] y(t)＝Ahe2πftwTaφ+n(t)，
[0079] 其中，y(t)表示接收信号，A表示振幅，h表示水声信道衰落，t表示时间变量，w表示预编码矢量， 表示相位偏差， 表示第i个水下设备的相2
位偏差，i＝1,…,K，K为振元的个数，n(t)表示均值为0方差为σ的高斯白噪声。则可由此式计算出预编码矢量w。
位偏差，i＝1,…,K，K为振元的个数，n(t)表示均值为0方差为σ的高斯白噪声。则可由此式计算出预编码矢量w。
[0080] 在一个示例中，w的最优解的确定过程包括：
[0081] 将满足约束条件且使目标函数取得最大值的矢量参数确定为w的最优解；所述目标函数包括：
[0082]
[0083] 所述约束条件包括：
[0084] ||w||2≤1。
[0085] 具体地， 其中，w*表示w的最优解。
[0086] 在一个实施例中，各簇水下设备(包括第一簇水下设备和其他簇水下设备)进行簇内各设备时钟同步的过程包括：
[0087] 簇内各个从设备向主设备发送本地时钟产生的从时间戳；
[0088] 主设备接收到各个从时间戳后，向各个从设备发送反馈数据包，所述反馈数据包包括接收到从设备时间戳的时间，发送反馈数据包的时间，以及主设备的主时间戳；
[0089] 各个从设备接收到反馈数据包后记录接收反馈数据包的时间，计算主时间戳与本地时钟产生的从时间戳之间的时间偏差，补偿时间偏差后将本地时钟同步到主设备的时钟。
[0090] 所述设备间的时钟同步间的信息交互都由磁感应通信实现。
[0091] 具体地，为实现协同式MIMO探通一体化，簇内分布式的设备需实现精准同步，本实施例采用TPSN开环式同步机制，即主设备作为参考，其余簇内设备的时钟依次同步到主设备的时钟，主要基于同步数据包的交互，磁感应通信超高速的传播速度可满足簇内设备的同步要求，降低同步的时间误差及频率误差。
[0092] 进一步地，完成同步后的簇可以进入探测通信一体化发布控制指令阶段，簇内的多个设备同时发射经过叠加预编码矢量的声波实现探通一体化功能，在探测邻居簇的同时传递控制指令，利用协同式MIMO探测通信一体化技术实现快速自组织，通过统计通知到的簇的数量，确定是否所有的簇都接收到控制指令，直到所有的簇都接收到控制指令。此时所有的水下设备都移动到探测区，探测初始化阶段完成。
[0093] 本实施例可以实现各簇水下设备中各个设备间的精准时钟同步，以保证后续进行相应通信和探测工作的稳定性。
[0094] 在一个实施例中，参考图2所示，水下区域包括探测区和部署区，起初水下设备都以簇的方式部署分布在部署区，在接收到水面控制中心的指令后需移动到探测区进行水下入侵检测跟踪或者探测任务，水面控制中心发布的指令包括控制探测区坐标及探测目标。但由于各个簇具体位置未知，为快速且可靠地在探测区组网，部署区内的所有簇通过协同式MIMO探测通信一体化方式接收并发布指令。在所有的簇运动到探测区后，开展探测任务，通过协同式MIMO波束形成的方式向水面控制中心进行监测数据上传。
[0095] 参照图3，图3所示为本实施例水下成簇设备的示意图，水下设备按区域划分为不同的簇，每个簇存在主设备和其余簇内设备。
[0096] 参照图4，本实施例基于探通一体化协同式MIMO的水下声磁异构网络快速组网方式的流程图，包括探测初始化阶段和探测阶段。
[0097] 探测初始化阶段指在接收控制指令后水下探测设备由部署区依据指令协同自组织移动到探测区。水面控制中心发布控制指令后，其中的一个或多个簇的主设备进行接收并向簇内设备广播，此过程采用磁感应通信方式进行，磁感应通信稳定且可预测的信道可克服水声信号在复杂环境中多径效应明显等缺陷，保证簇内设备间的可靠通信。为实现协同式MIMO探通一体化，簇内分布式的设备需实现精准同步，我们采用TPSN开环式同步机制，即采用主设备的时钟作为参考，其余簇内设备的时钟依次同步到主设备的时钟，主要基于同步数据包的交互，磁感应通信的信号在水下的传播速度和电磁波的传播速度相同，可以达到3.33×107m/s，满足簇内设备的同步要求，降低同步的时间误差及频率误差。完成同步后的簇可以进入探测通信一体化发布控制指令阶段，簇内的多个设备同时发射经过叠加预编码矢量的声波可形成空间波束，波束上携带控制指令，在探测邻居簇的同时传递控制指令，利用协同式MIMO探测通信一体化技术实现快速自组织，直到所有的簇都接收到控制指令。此时所有的水下设备都移动到探测区，并通过虚拟力算法实现均匀部署，探测初始化阶段完成。
[0098] 探测阶段是指水下设备在探测区进行探通一体化过程。所述水下设备到达探测位置后，先进行簇内设备同步，所有设备时钟同步到主设备的时钟后，簇内设备采用磁感应通信的方式依次向主设备汇报探测信息，主设备汇聚探测信息后，在簇内进行广播，所有设备接收到探测信息后将其叠加入所发射的声波，使产生的波束中主瓣用于向水面控制中心汇报，旁瓣进行探测，实现探测通信一体化。
[0099] 参照图5，协同式MIMO可产生空间波束，且输出波束中存在主瓣与旁瓣，在探测初始化阶段，主瓣旁瓣都携带控制指令；在探测阶段，主瓣用于通信，旁瓣用于探测，从而实现探测通信一体化。
[0100] 本实施例中，水面控制中心发布控制指令，快速组网方式旨在将部署区的成簇的水下设备在控制指令的指示下快速协同自组织移动到探测区进行探测。水面控制中心探测并将指令通知到一个簇或多个簇后，该簇通过协同式MIMO波束形成进行探通一体化功能，在发现相邻簇的同时发布水下控制中心指令。接收到探测任务的簇又继续通过探通一体化功能进行相邻簇的探测与指令发布，直到部署区的所有簇都接收到水面控制中心指令。此时所有的簇运动到探测区进行探测任务，并通过协同式MIMO波束形成的方式向水面控制上传监测数据。其能够实现水下设备快速组网，并按照控制指令从部署区移动到探测区执行探测任务，有效降低组网时间，并建立稳定可靠的通信链路，具有高度协同自组织性和鲁棒性。
[0101] 需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
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