机固互联全光水下通信方法

技术领域

本发明属于光纤通信和蓝绿光通信的交叉学科领域，具体是指一种通过对海底光缆通信系统和蓝绿光通信系统进行功能耦合集成、实现远距离传输、大范围覆盖、机动平台与固定节点互通互联的全光水下通信方法，尤其涉及一种机固互联全光水下通信方法、系统及存储介质。

背景技术

水下通信是水下平台之间、水下平台与水上平台之间信息传输的关键，可分为固定通信和机动通信两类。水下固定通信的主要手段是海底光缆通信，具有传输距离长、编码速率高、系统稳定等优势，但只能为固定节点建立通信链路，检修难度高、供能压力大、不能大范围覆盖。水下机动通信的主要手段包括无线电通信、声波通信和蓝绿光通信等：无线电通信编码速率较低、天线尺寸大功耗高、电磁污染严重、受海水吸收损耗影响严重；声波通信是目前最具优势的水下通信技术方案，然而机械换能器尺寸庞大、功耗较高、易受背景噪声影响；蓝绿光通信具有远高于声波通信和无线电通信的编码速率，但在海水吸收损耗的影响下，横向传输距离难以突破公里量级，纵深传输距离不足百米。

发明内容

鉴于单一水下通信手段难以同时兼顾传输距离远、覆盖范围广、编码速率高、可跨介质传输等应用需求，本发明借鉴微波光子学广泛采用的光纤拉远技术，提出一种机固互联全光水下通信方法，本发明要解决的技术问题是如何将光纤通信模块和蓝绿光通信模块紧耦合集成，光纤通信模块通过海底光缆将明文信息以光信号形式传输，蓝绿光通信模块通过精准跟瞄系统与衰减半径范围内的机动平台建立持久稳定的光学信道，通过栅格化排布的海底光缆实现各固定节点间的通信互联，通过蓝绿光通信模块实现固定节点与机动平台或机动平台之间的通信互联，通过波长转换为蓝绿光衰减半径之外的通信双方建立长距离全光通信链路。

为了达到上述效果，本发明提供的机固互联全光水下通信方法，包括多个节点，节点之间通过海底光缆连接，节点布设光纤通信模块和蓝绿光通信模块；包括以下步骤：

步骤一、光纤通信，以海底光缆为传输通道通过信号调制、信号传输、中继放大、信号解调完成，主要面向栅格点阵分布的、彼此通过海底光缆连接的各水下固定平台之间的高速数据传输业务；

步骤二、蓝绿光通信，通过精准跟瞄、通信信号发送、微弱信号解析完成，主要面向蓝绿光衰减半径内、通信双方至少有一方为机动平台的高速数据传输业务；

步骤三、机固互联远距离通信，通过光纤通信、蓝绿光通信、通信信号波长转换实施，主要面向距离远超蓝绿光衰减半径的水下机动平台之间、水下机动平台与水上机动平台之间的高速数据传输业务。

优选的，上述节点为固定节点或水下机动平台节点或空中机动平台节点。

优选的，上述光纤通信模块以海底光缆为传输信道为固定节点提供数据传输服务，所述蓝绿光通信模块利用跟踪瞄准系统与视距范围内的机动平台或固定平台建立光学信道并进行高速全光通信。

优选的，上述两个节点之间建立通信链路，通信双方根据业务需求和实际情况选择不同工作模式，通信双方均为固定节点的选择固定模式，通信双方至少一方部位固定节点且间距小于蓝绿光衰减半径的选择机动模式，通信双方至少一方部位固定节点且间距大于蓝绿光衰减半径的、或通信双方有一方在水上的选择机固互联模式。

优选的，在机固互联模式下的通信双方通过蓝绿光通信信号和光纤通信信号的逻辑转换或非线性波长转换建立完整的全光链路，实现覆盖范围内任意位置与超远距离平台的可靠全光通联。

优选的，上述节点之间是逻辑相连或是直接相连。

优选的，上述信息传输载体为在水中吸收相对较小的蓝绿光波，通信双方通过光学信道连接并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案；所述信息传输载体为在光线中吸收相对较小的光波，通信双方通过海底光缆连接的固定节点，采用相同的工作波长、通信协议和加密方案。

优选的，上述节点通信双方至少有一方在水下、至少有一方是机动平台，机动平台与最近固定节点间距小于蓝绿光衰减半径，机动平台通过跟踪瞄准系统与最近固定节点建立长时稳定的光学信道；利用蓝绿光信号和光纤通信信号的互转换为距离超过蓝绿光衰减半径的通信双方建立长距离通信链路。

一种实现如上述机固互联全光水下通信方法的系统，包括多个固定节点、水下机动平台节点以及空中机动平台节点，所述固定节点之间通过海底光缆连接，固定节点的深度固定节点小于无线电衰减半径，固定节点布设光纤通信模块和蓝绿光通信模块，两者之间是逻辑相连或是直接相连，部分固定节点的衰减半径内有水下机动平台节点或空中机动平台节点，

所述光纤通信模块，用于海底光缆为传输通道通过信号调制、信号传输、中继放大、信号解调完成，主要面向栅格点阵分布的、彼此通过海底光缆连接的各水下固定平台之间的高速数据传输业务；

所述蓝绿光通信模块，通过精准跟瞄、通信信号发送、微弱信号解析完成，主要面向蓝绿光衰减半径内、通信双方至少有一方为机动平台的高速数据传输业务；

所述系统还包括机固互联远距离通信，用于通过光纤通信、蓝绿光通信、通信信号波长转换实施，主要面向距离远超蓝绿光衰减半径的水下机动平台之间、水下机动平台与水上机动平台之间的高速数据传输业务。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明提出蓝绿光通信和海底光缆通信混合集成方法，兼顾了海底光缆通信距离长、环境稳定性强和蓝绿光通信可随遇接入、可立体覆盖、可跨介质传输的技术优势；

2、本发明提出的机固互联思路，只需进行蓝绿光通信信号和光纤通信信号之间的非线性波长转换，大幅降低固定节点设备的尺寸、功耗和防水难度；

3、本发明所述海底光缆构建栅格-蓝绿光通信立体覆盖的总体思路，可为构建传输距离远、覆盖范围广、通信速率高、可跨介质传输的水下全光通信网络提供重要参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明机固互联全光水下通信系统的原理示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一种机固互联全光水下通信方法的实施例，包括多个节点，节点之间通过海底光缆连接，节点布设光纤通信模块和蓝绿光通信模块；包括以下步骤：

步骤一、光纤通信，以海底光缆为传输通道通过信号调制、信号传输、中继放大、信号解调完成，主要面向栅格点阵分布的、彼此通过海底光缆连接的各水下固定平台之间的高速数据传输业务；

步骤二、蓝绿光通信，通过精准跟瞄、通信信号发送、微弱信号解析完成，主要面向蓝绿光衰减半径内、通信双方至少有一方为机动平台的高速数据传输业务；

步骤三、机固互联远距离通信，通过光纤通信、蓝绿光通信、通信信号波长转换实施，主要面向距离远超蓝绿光衰减半径的水下机动平台之间、水下机动平台与水上机动平台之间的高速数据传输业务。

在一些实施例中，节点为固定节点或水下机动平台节点或空中机动平台节点。

在一些实施例中，光纤通信模块以海底光缆为传输信道为固定节点提供数据传输服务，所述蓝绿光通信模块利用跟踪瞄准系统与视距范围内的机动平台或固定平台建立光学信道并进行高速全光通信。

在一些实施例中，两个节点之间建立通信链路，通信双方根据业务需求和实际情况选择不同工作模式，通信双方均为固定节点的选择固定模式，通信双方至少一方部位固定节点且间距小于蓝绿光衰减半径的选择机动模式，通信双方至少一方部位固定节点且间距大于蓝绿光衰减半径的、或通信双方有一方在水上的选择机固互联模式。

在一些实施例中，在机固互联模式下的通信双方通过蓝绿光通信信号和光纤通信信号的逻辑转换或非线性波长转换建立完整的全光链路，实现覆盖范围内任意位置与超远距离平台的可靠全光通联。

在一些实施例中，节点之间是逻辑相连或是直接相连。

在一些实施例中，信息传输载体为在水中吸收相对较小的蓝绿光波，通信双方通过光学信道连接并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案；所述信息传输载体为在光线中吸收相对较小的光波，通信双方通过海底光缆连接的固定节点，采用相同的工作波长、通信协议和加密方案。

在一些实施例中，节点通信双方至少有一方在水下、至少有一方是机动平台，机动平台与最近固定节点间距小于蓝绿光衰减半径，机动平台通过跟踪瞄准系统与最近固定节点建立长时稳定的光学信道；利用蓝绿光信号和光纤通信信号的互转换为距离超过蓝绿光衰减半径的通信双方建立长距离通信链路。

本发明还提供一种实现如上述机固互联全光水下通信方法的系统的实施例，包括多个固定节点、水下机动平台节点以及空中机动平台节点，所述固定节点之间通过海底光缆连接，固定节点的深度固定节点小于无线电衰减半径，固定节点布设光纤通信模块和蓝绿光通信模块，两者之间是逻辑相连或是直接相连，部分固定节点的衰减半径内有水下机动平台节点或空中机动平台节点，

所述光纤通信模块，用于海底光缆为传输通道通过信号调制、信号传输、中继放大、信号解调完成，主要面向栅格点阵分布的、彼此通过海底光缆连接的各水下固定平台之间的高速数据传输业务；

所述蓝绿光通信模块，通过精准跟瞄、通信信号发送、微弱信号解析完成，主要面向蓝绿光衰减半径内、通信双方至少有一方为机动平台的高速数据传输业务；

所述系统还包括机固互联远距离通信，用于通过光纤通信、蓝绿光通信、通信信号波长转换实施，主要面向距离远超蓝绿光衰减半径的水下机动平台之间、水下机动平台与水上机动平台之间的高速数据传输业务。

如图1所示，本发明提供了一种机固互联全光水下通信方法的实施例，A～G为固定节点，I、J为水下机动平台，H为空中机动节点；节点A-B、A-D、B-E、D-E、E-F、F-C、C-G之间通过海底光缆连接；D、E、F三个固定节点深度较大，A、B、C三个固定节点深度较小，G固定节点深度最小且小于蓝绿光衰减半径。各固定节点布设光纤通信模块和蓝绿光通信模块，两者之间可以是逻辑相连(光纤通信信号和蓝绿光通信信号之间需要明文信息解译才能转换)也可以是直接相连(光纤通信信号和蓝绿光通信信号通过光学非线性效应直接转换)；节点A衰减半径内有水下机动平台I，节点F衰减半径内有水下机动平台J，节点G衰减半径内有空中机动平台H(此衰减半径需考虑水下部分和自由空间部分综合求得)。

在以上设定的基础上，本发明所述机固互联全光水下通信包括但不限于以下工作模式：

1.固定模式：任意量固定节点间通信可通过固定模式实现，此时全光水下通信系统退化为传统海底光缆通信系统。

2.机动模式：蓝绿光衰减半径之内的、通信双方至少有一方是水下机动平台的通信可通过激动模式实现，此时全光水下通信系统退化为蓝绿光通信系统。

3.机固互联模式：蓝绿光衰减半径之外的、通信双方至少有一方是水下机动平台的通信可通过机固互联模式实现，以图1为例，水下机动平台I和固定节点B之间可按照I→蓝绿光→A→光缆→B的方式通信，水下机动平台I和J之间可按照I→蓝绿光→A→光缆→B(D)→光缆→E→光缆→F→蓝绿光→J的方式通信，水下机动平台J和空中机动平台H之间可按照J→蓝绿光→E→光缆→G→蓝绿光→H的方式通信。尽管水下机动平台I和J之间距离已经远超蓝绿光衰减半径，深水机动平台J和高空机动平台H甚至分属两个介质空间，但借助本发明所述的机固互联模式，两者仍能进行有效的通信互联。

本发明提供一种机固互联全光水下通信方法的实施例，包括：

S101、光纤通信模块以海底光缆为传输信道为固定节点提供数据传输服务，蓝绿光通信模块利用跟踪瞄准系统与视距范围内的机动平台或固定平台(可以在水下也可以在水上)建立光学信道并进行高速全光通信；

S102、通信双方根据业务需求和实际情况选择不同工作模式，通信双方均为固定节点的选择固定模式，通信双方至少一方部位固定节点且间距小于蓝绿光衰减半径的选择机动模式，通信双方至少一方部位固定节点且间距大于蓝绿光衰减半径的、或通信双方有一方在水上的选择机固互联模式；

S103、在机固互联模式下的通信双方通过蓝绿光通信信号和光纤通信信号的逻辑转换或非线性波长转换建立完整的全光链路，通过海底光缆实现“化点为线”，通过蓝绿光通信信道实现“连线成面”，实现覆盖范围内任意位置与超远距离平台的可靠全光通联。

本发明提供一种机固互联全光水下通信方法的实施例，对光纤通信模块和蓝绿光通信模块做紧耦合功能集成，通过光纤通信模块实现高速率、网络化、长距离数据传输，通过蓝绿光通信模块实现与衰减半径范围内任意机动平台的数据传输，通过机固互联等效提升蓝绿光通信距离和光纤通信覆盖范围，最终可构建传输距离远、通信速率高、可跨介质传输的全光水下通信网络。

在一些实施例中，蓝绿光通信的信息传输载体为在水中吸收相对较小的蓝绿光波，通信双方通过光学信道连接并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案，典型系统结构包括但不限于光源、调制器、滤波器、放大器、解调器、微弱信号探测器、跟踪瞄准系统等，不限制具体工作波长、不限制通信协议、不限制行业标准、不限制搭载平台。

在一些实施例中，海底光缆通信的信息传输载体为在光线中吸收相对较小的光波，通信双方通过海底光缆连接的固定节点，采用相同的工作波长、通信协议和加密方案，典型系统结构包括但不限于光源、调制器、滤波器、掺铒光纤放大器、解调器、光电探测器等，不限制具体工作波长、不限制通信协议、不限制行业标准，不限制系统结构和搭载平台。

在一些实施例中，机固互联的通信双方至少有一方在水下、至少有一方是机动平台，机动平台与最近固定节点间距小于蓝绿光衰减半径，机动平台通过跟踪瞄准系统与最近固定节点建立长时稳定的光学信道；利用蓝绿光信号和光纤通信信号的互转换为距离超过蓝绿光衰减半径的通信双方建立长距离通信链路。不限制通信双方类型，不限制通信双方距离，不限制固定节点间数据传输的具体路径，不限制路由方案。

在一些实施例中，蓝绿光通信信号与光纤通信信号转换，可以通过逻辑转换或非线性波长转换的方式实现，逻辑转换是指对蓝绿光通信信号携带的明文信息进行解译并重新编码调制于光纤通信信号(反之亦然)，物理场直接转换是指直接利用蓝绿光调制光纤通信载波、转发过程中不对明文信息进行解译(反之亦然)。非线性波长转换方法包括但不限于四波混频、和频率上转换等，不限制具体系统结构，不限制具体波形和编码方案。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明提出蓝绿光通信和海底光缆通信混合集成方法，兼顾了海底光缆通信距离长、环境稳定性强和蓝绿光通信可随遇接入、可立体覆盖、可跨介质传输的技术优势；

其次，本发明提出的机固互联思路，只需进行蓝绿光通信信号和光纤通信信号之间的非线性波长转换，大幅降低固定节点设备的尺寸、功耗和防水难度；

此外，本发明所述海底光缆构建栅格-蓝绿光通信立体覆盖的总体思路，可为构建传输距离远、覆盖范围广、通信速率高、可跨介质传输的水下全光通信网络提供重要参考。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。