[发明专利]一种基于多频空域稀疏重构的水声多址通信方法与系统

说明书

本发明给出了一种基于多频空域稀疏重构的水声多址通信方法与系统，包括在压缩感知框架下提出在网络节点配备小尺度水平阵，基于多频频率键控(MFSK)构造空域测量矩阵，将网络多址通信问题转化为每个频点上的空域稀疏恢复问题，以稀疏重构算法对信号进行重构从而恢复节点通信数据，实现异步网络模式下的水声网络多址通信。本发明方案将网络多址通信问题转化为每个频点上的空域稀疏恢复问题，实现了以较低的实时运算复杂度获取更好的水声网络多址通信效果，避免了因碰撞、握手协议导致的时延及低多址接入效率，同时在水声网络节点上有着很好的适装性，结合MFSK与频率分集抑制水声信道多径导致频域选择性衰落的影响，在压缩感知框架下实现了网络多址通信。

技术领域

本发明涉及水声多址通信技术领域，尤其是一种基于多频空域稀疏重构的水声多址通信方法与系统。

背景技术

随着海洋开发、资源勘探、环境监测和国防安全等领域对水下信息获取与传输的需求日益增加，水声网络通过多个水下节点实现互联互通可实现水下分布式、网络化、立体化数据采集、信息获取、态势感知等任务，得到各国广泛重视。

作为水下几乎唯一可选的中、远距离无线通信手段，水声通信提供了一种方便的水下无线通信、组网方式，为水声网络提供了有效技术手段。与点对点通信不同，多址通信是指网络多节点通过共享信道实现多址接入的网络通信方式，通信网络中网络节点往往需通过随机竞争、固定分配等方式实现多址接入通信。

但是，水声通信可用频带极窄以及信道多径、多普勒影响，水声信道资源极其有限，导致采用频分、时分固定多址接入方式的多址通信效率极低；而水声传播速度慢导致的长传输时延则导致竞争类接入方法的握手效率即网络状态感知能力急剧下降，严重影响网络节点的随机接入性能。为了提高水声网络接入性能，研究者提出了多种解决方案。

在现有的技术中，已知有一种适用于水声网络的时反多址接入方法，通过主动时间反转处理进行空时聚焦性，利用水声信道空变特性，削弱水声信道的广播特性，从而有效隔离分布式多跳环境下相邻链路间信号干扰；另有一种基于MACA-U协议的水声网络多址接入方法，该方法利用源节点与目的节点的握手过程获取网络节点状态，计算出源节点或目的节点适合接收另一节点所发送的数据帧的时间，从而提高网络接入性能。

上述水声网络多址方案仍要求网络节点之间进行必要的握手，导致水声网络的长接入时延、低接入效率，严重影响水声网络多址通信性能。

本发明面向水声网络组网需求，充分利用网络节点空间分布造成并发节点具有的稀疏性，提供了一种利用多频空域稀疏重构来提高多址接入效率的水声网络组网多址通信方法。

考虑到典型应用背景下，水声网络中并发节点数目远少于总节点数因而具有空间稀疏性，本发明在压缩感知框架下提出在网络节点配备小尺度水平阵，基于多频频率键控(MFSK)构造空域测量矩阵，将网络多址通信问题转化为每个频点上的空域稀疏恢复问题，以稀疏重构算法(如正交匹配追踪，OMP算法)对信号进行重构从而恢复节点通信数据，实现异步网络模式下的水声网络多址通信。本发明方案实现以较低的实时运算复杂度获取更好的水声网络多址通信效果。

发明内容

本发明提出了一种基于多频空域稀疏重构的水声多址通信方法与系统，以解决上文提到的现有技术的缺陷。

在一个方面，本发明提出了一种基于多频空域稀疏重构的水声多址通信方法，该方法包括以下步骤：

S1：在压缩感知框架下，水声传感网络包括I个传感节点和1个中心接收节点，所述中心接收节点处的阵列接收多频发送信号由传感节点到达所述中心接收节点时的接收信号，其中所述多频发送信号为采用MFSK进行调制后的发送信号；