大型專業(yè)船舶無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)容錯技術(shù)研究

耿雄飛+李東升+竇路

摘 要：大型專業(yè)船舶無線自組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能眾多，網(wǎng)絡(luò)的容錯自愈能力要求較高，本研究針對大型船舶的特點(diǎn)，首先提出了基于獨(dú)立端的故障診斷與恢復(fù)方法，之后研究了機(jī)會路由和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大型專業(yè)船舶 無線自組織網(wǎng)絡(luò) 容錯自愈

水上交通運(yùn)輸歷來是個高風(fēng)險的行業(yè)，盡管當(dāng)代高科技已在船舶工程和航海上大量應(yīng)用，但隨著運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，船舶數(shù)量不斷增多，致使航行密度不斷增大，航行環(huán)境不斷惡化；此外，船舶日趨大型化、專業(yè)化，航速不斷提高，船舶發(fā)生事故的風(fēng)險難以降低，水上交通事故形勢依然嚴(yán)峻。

2005年12月，國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第81次會議收到提案，提出制定e-Navigation 發(fā)展戰(zhàn)略的設(shè)想。 IMO 采納了該提案，并決定主導(dǎo)開展e- Navigation的相關(guān)研究，從此在全球拉開了e- Navigation研究的序幕：即通過電子方式在船上和岸上收集、綜合、顯示海事信息，以增強(qiáng)船舶到泊位的全程航行能力，增強(qiáng)船舶海上服務(wù)和保安能力。

根據(jù) IMO 文件《發(fā)展和實(shí)施e-Navigation戰(zhàn)略》（MSC85/26附錄20）的敘述，e-Navigation環(huán)境下，船上的船舶綜合助航系統(tǒng)集成了自身傳感器、支持信息標(biāo)準(zhǔn)用戶界面以及警戒區(qū)/警報管理等裝置，從而達(dá)到支持船舶安全和航行效率目的。船舶內(nèi)部的無線通信網(wǎng)絡(luò)作為信息傳播的重要載體，其安全性和健壯性將會是評價船舶綜合助導(dǎo)航系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

研究現(xiàn)狀

船舶在航行過程中，經(jīng)常面臨劇烈顛簸、震動、水涌入船體等情況，無線通信網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生故障或損壞。同時，當(dāng)上述天氣或環(huán)境情況發(fā)生時，也是最需要船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的關(guān)鍵時刻，這時需要網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)以保證船上的通信、檢測、定位等應(yīng)用的正常運(yùn)行，是船員應(yīng)對緊急情況的保證。所以當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)或設(shè)備在出現(xiàn)惡劣環(huán)境狀況或惡劣天氣而發(fā)生損壞時，如何保證網(wǎng)絡(luò)面向容災(zāi)，面向自愈性的可靠運(yùn)行和傳輸是研究中的至關(guān)重要的問題。

面向容災(zāi)與容錯的自組織網(wǎng)絡(luò)研究，在國內(nèi)外已經(jīng)吸引了大量的研究工作，但是面向艦船特殊應(yīng)用環(huán)境的研究尚鮮見報道?，F(xiàn)有研究主要面向容錯的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)備份方法，通訊節(jié)點(diǎn)切換方法等。而從這些研究中可以看到，針對船載網(wǎng)絡(luò)在海上運(yùn)行、在惡劣環(huán)境中運(yùn)行、易出錯、易大量損壞的特殊容錯技術(shù)和方法仍然沒有得到解決。

基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法研究

在船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)能量限制、環(huán)境干擾、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化以及節(jié)點(diǎn)的損壞等原因，使得網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點(diǎn)停止工作，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障。為了保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利傳輸，必須要設(shè)計相應(yīng)的算法，保證網(wǎng)絡(luò)可以檢測到故障并能修復(fù)。本研究采用基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自治和修復(fù)。

獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)發(fā)布的控制命令可以在較短的時間內(nèi)傳到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，我們在每個采樣周期的結(jié)束前加了控制時隙，節(jié)點(diǎn)在該時隙處于喚醒狀態(tài)，通過監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)接收獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)發(fā)布的控制命令并轉(zhuǎn)發(fā)。從而大大提高了控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)效率。圖1顯示了控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)過程，其中紅色的雙色箭頭表示控制命令和節(jié)點(diǎn)反饋消息在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層的傳輸過程。

獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)可以在無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)中解決全網(wǎng)重啟、可變采樣周期、在線故障診斷等多種問題。

全網(wǎng)重啟動：船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)部署完成后，經(jīng)常需要重啟整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試聯(lián)調(diào)，如果依靠人工對網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)做重啟動，耗時長、效率低；獨(dú)立的控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布重啟動的命令，該命令在網(wǎng)絡(luò)中通過多跳傳遞給每個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接到命令后進(jìn)入重啟狀態(tài)，從而顯著提高效率。

可變采樣周期：在船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，針對不同類型的信息，其數(shù)據(jù)采樣頻率是不一樣的，這就要求網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的采樣周期可控。大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署完成后，如果想修改某些節(jié)點(diǎn)的采樣周期，采用人工重新燒寫節(jié)點(diǎn)程序的方式效率太低，獨(dú)立的控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布修改采樣周期的命令，該命令中包含需要修改采樣周期的節(jié)點(diǎn)號以及修改后的采樣周期的長度。

在線故障診斷：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的健康狀況直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)能否長時間穩(wěn)定的運(yùn)行，如何快速發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)是首先需要解決的一個關(guān)鍵性問題。獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布一個檢測網(wǎng)絡(luò)健康狀況的命令，該命令以多跳的方式傳播的網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在收到該命令后會做出一個反饋，該反饋?zhàn)罱K會傳到控制節(jié)點(diǎn)，通過讀取控制節(jié)點(diǎn)收到的反饋信息，就可以判斷哪些節(jié)點(diǎn)已經(jīng)停止工作了。

基于機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的容錯技術(shù)研究

機(jī)會路由通過多個潛在中繼節(jié)點(diǎn)競爭、自主智能進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，它充分利用了信道廣播特性，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和傳輸可靠性。機(jī)會路由方法，在每一跳的無線通信過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以在多個實(shí)際接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)中選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這形成一種自然的多徑路由策略，當(dāng)部分轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)損壞時，機(jī)會路由方法仍然能夠以較大概率找到可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點(diǎn)。

采用機(jī)會路由，仍然難以保證網(wǎng)絡(luò)中部分鏈路由于鏈路質(zhì)量較差，導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失等問題；而網(wǎng)絡(luò)編碼方式，在數(shù)據(jù)傳輸時，不是直接傳輸數(shù)據(jù)，而是傳輸數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)的線性編碼，這樣數(shù)據(jù)的信息被編碼到多個數(shù)據(jù)包中，在解碼段，即使部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失，仍然能夠可靠的解碼出網(wǎng)絡(luò)中待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可顯著提高在不可靠網(wǎng)絡(luò)中的可靠數(shù)據(jù)傳輸效果。

本研究提出了機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的改進(jìn)方法，圖2是網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)傳輸示意圖，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S 向下一跳節(jié)點(diǎn)廣播編碼包時，下一跳節(jié)點(diǎn)A、B、C 由于丟包可能各自只收到部分編碼包，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)A、B、C 總共收到足夠多的線性無關(guān)的編碼包后，其中一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個確認(rèn)信息ACK 給源節(jié)點(diǎn)；源節(jié)點(diǎn)在收到ACK 確認(rèn)信息后馬上可以發(fā)送下一數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)包。因?yàn)檫@時節(jié)點(diǎn)A、B、C 中含有足夠多的線性無關(guān)編碼包可以發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)D，這樣源節(jié)點(diǎn)不需要等目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK，從而節(jié)省等待時延。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成理論分析后，進(jìn)一步通過仿真實(shí)驗(yàn)，評價了在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法、基于機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的容錯技術(shù)在保證網(wǎng)絡(luò)通訊性能方面的結(jié)果。圖3是系統(tǒng)仿真場景的示意圖，圖4 比較了節(jié)點(diǎn)故障前后，應(yīng)用容錯算法時，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊成功率。從實(shí)驗(yàn)中可見，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，所提方法仍然能夠很好的維持網(wǎng)絡(luò)的通訊能力，顯示出可靠的容錯性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] L. Mu， “A hybrid network for maritime on-board communications，”in 2012 IEEE 8th International Conference on Wireless and Mobile Computing， Networking and Communications （WiMob）， 2012， pp. 761-768.

[2]Xiongfei Geng， Yongcai Wangy， Haoran Fengz and Zhoufeng Chen. “Hybrid Radio-map for Noise Tolerant Wireless Indoor Localization” 11th IEEE International Conference on Networking， Sensing and Control， 2014.

[3] 閆丹丹. 基于自適應(yīng)方法容錯控制系統(tǒng)設(shè)計[D].吉林大學(xué). 2004年.

[4] 耿雄飛.無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中基于鏈路狀態(tài)參數(shù)的動態(tài)源路由協(xié)議研究[D]. 吉林大學(xué). 2007年.

[5] 吳東亞，侯紫峰，侯朝楨.移動自組網(wǎng)DSR協(xié)議路徑緩存策略優(yōu)化.計算機(jī)工程與應(yīng)用. 2004. pp. 158-160.

[6] 程福挺， 蔣燕榮. WMN各層協(xié)議研究[J]. 中國新通信（技術(shù)版）. 2006年10月. pp. 53-56.endprint

摘 要：大型專業(yè)船舶無線自組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能眾多，網(wǎng)絡(luò)的容錯自愈能力要求較高，本研究針對大型船舶的特點(diǎn)，首先提出了基于獨(dú)立端的故障診斷與恢復(fù)方法，之后研究了機(jī)會路由和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大型專業(yè)船舶 無線自組織網(wǎng)絡(luò) 容錯自愈

水上交通運(yùn)輸歷來是個高風(fēng)險的行業(yè)，盡管當(dāng)代高科技已在船舶工程和航海上大量應(yīng)用，但隨著運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，船舶數(shù)量不斷增多，致使航行密度不斷增大，航行環(huán)境不斷惡化；此外，船舶日趨大型化、專業(yè)化，航速不斷提高，船舶發(fā)生事故的風(fēng)險難以降低，水上交通事故形勢依然嚴(yán)峻。

2005年12月，國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第81次會議收到提案，提出制定e-Navigation 發(fā)展戰(zhàn)略的設(shè)想。 IMO 采納了該提案，并決定主導(dǎo)開展e- Navigation的相關(guān)研究，從此在全球拉開了e- Navigation研究的序幕：即通過電子方式在船上和岸上收集、綜合、顯示海事信息，以增強(qiáng)船舶到泊位的全程航行能力，增強(qiáng)船舶海上服務(wù)和保安能力。

根據(jù) IMO 文件《發(fā)展和實(shí)施e-Navigation戰(zhàn)略》（MSC85/26附錄20）的敘述，e-Navigation環(huán)境下，船上的船舶綜合助航系統(tǒng)集成了自身傳感器、支持信息標(biāo)準(zhǔn)用戶界面以及警戒區(qū)/警報管理等裝置，從而達(dá)到支持船舶安全和航行效率目的。船舶內(nèi)部的無線通信網(wǎng)絡(luò)作為信息傳播的重要載體，其安全性和健壯性將會是評價船舶綜合助導(dǎo)航系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

研究現(xiàn)狀

船舶在航行過程中，經(jīng)常面臨劇烈顛簸、震動、水涌入船體等情況，無線通信網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生故障或損壞。同時，當(dāng)上述天氣或環(huán)境情況發(fā)生時，也是最需要船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的關(guān)鍵時刻，這時需要網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)以保證船上的通信、檢測、定位等應(yīng)用的正常運(yùn)行，是船員應(yīng)對緊急情況的保證。所以當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)或設(shè)備在出現(xiàn)惡劣環(huán)境狀況或惡劣天氣而發(fā)生損壞時，如何保證網(wǎng)絡(luò)面向容災(zāi)，面向自愈性的可靠運(yùn)行和傳輸是研究中的至關(guān)重要的問題。

面向容災(zāi)與容錯的自組織網(wǎng)絡(luò)研究，在國內(nèi)外已經(jīng)吸引了大量的研究工作，但是面向艦船特殊應(yīng)用環(huán)境的研究尚鮮見報道?，F(xiàn)有研究主要面向容錯的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)備份方法，通訊節(jié)點(diǎn)切換方法等。而從這些研究中可以看到，針對船載網(wǎng)絡(luò)在海上運(yùn)行、在惡劣環(huán)境中運(yùn)行、易出錯、易大量損壞的特殊容錯技術(shù)和方法仍然沒有得到解決。

基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法研究

在船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)能量限制、環(huán)境干擾、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化以及節(jié)點(diǎn)的損壞等原因，使得網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點(diǎn)停止工作，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障。為了保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利傳輸，必須要設(shè)計相應(yīng)的算法，保證網(wǎng)絡(luò)可以檢測到故障并能修復(fù)。本研究采用基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自治和修復(fù)。

獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)發(fā)布的控制命令可以在較短的時間內(nèi)傳到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，我們在每個采樣周期的結(jié)束前加了控制時隙，節(jié)點(diǎn)在該時隙處于喚醒狀態(tài)，通過監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)接收獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)發(fā)布的控制命令并轉(zhuǎn)發(fā)。從而大大提高了控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)效率。圖1顯示了控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)過程，其中紅色的雙色箭頭表示控制命令和節(jié)點(diǎn)反饋消息在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層的傳輸過程。

獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)可以在無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)中解決全網(wǎng)重啟、可變采樣周期、在線故障診斷等多種問題。

全網(wǎng)重啟動：船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)部署完成后，經(jīng)常需要重啟整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試聯(lián)調(diào)，如果依靠人工對網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)做重啟動，耗時長、效率低；獨(dú)立的控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布重啟動的命令，該命令在網(wǎng)絡(luò)中通過多跳傳遞給每個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接到命令后進(jìn)入重啟狀態(tài)，從而顯著提高效率。

可變采樣周期：在船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，針對不同類型的信息，其數(shù)據(jù)采樣頻率是不一樣的，這就要求網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的采樣周期可控。大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署完成后，如果想修改某些節(jié)點(diǎn)的采樣周期，采用人工重新燒寫節(jié)點(diǎn)程序的方式效率太低，獨(dú)立的控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布修改采樣周期的命令，該命令中包含需要修改采樣周期的節(jié)點(diǎn)號以及修改后的采樣周期的長度。

在線故障診斷：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的健康狀況直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)能否長時間穩(wěn)定的運(yùn)行，如何快速發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)是首先需要解決的一個關(guān)鍵性問題。獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布一個檢測網(wǎng)絡(luò)健康狀況的命令，該命令以多跳的方式傳播的網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在收到該命令后會做出一個反饋，該反饋?zhàn)罱K會傳到控制節(jié)點(diǎn)，通過讀取控制節(jié)點(diǎn)收到的反饋信息，就可以判斷哪些節(jié)點(diǎn)已經(jīng)停止工作了。

基于機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的容錯技術(shù)研究

機(jī)會路由通過多個潛在中繼節(jié)點(diǎn)競爭、自主智能進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，它充分利用了信道廣播特性，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和傳輸可靠性。機(jī)會路由方法，在每一跳的無線通信過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以在多個實(shí)際接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)中選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這形成一種自然的多徑路由策略，當(dāng)部分轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)損壞時，機(jī)會路由方法仍然能夠以較大概率找到可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點(diǎn)。

采用機(jī)會路由，仍然難以保證網(wǎng)絡(luò)中部分鏈路由于鏈路質(zhì)量較差，導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失等問題；而網(wǎng)絡(luò)編碼方式，在數(shù)據(jù)傳輸時，不是直接傳輸數(shù)據(jù)，而是傳輸數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)的線性編碼，這樣數(shù)據(jù)的信息被編碼到多個數(shù)據(jù)包中，在解碼段，即使部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失，仍然能夠可靠的解碼出網(wǎng)絡(luò)中待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可顯著提高在不可靠網(wǎng)絡(luò)中的可靠數(shù)據(jù)傳輸效果。

本研究提出了機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的改進(jìn)方法，圖2是網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)傳輸示意圖，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S 向下一跳節(jié)點(diǎn)廣播編碼包時，下一跳節(jié)點(diǎn)A、B、C 由于丟包可能各自只收到部分編碼包，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)A、B、C 總共收到足夠多的線性無關(guān)的編碼包后，其中一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個確認(rèn)信息ACK 給源節(jié)點(diǎn)；源節(jié)點(diǎn)在收到ACK 確認(rèn)信息后馬上可以發(fā)送下一數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)包。因?yàn)檫@時節(jié)點(diǎn)A、B、C 中含有足夠多的線性無關(guān)編碼包可以發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)D，這樣源節(jié)點(diǎn)不需要等目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK，從而節(jié)省等待時延。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成理論分析后，進(jìn)一步通過仿真實(shí)驗(yàn)，評價了在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法、基于機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的容錯技術(shù)在保證網(wǎng)絡(luò)通訊性能方面的結(jié)果。圖3是系統(tǒng)仿真場景的示意圖，圖4 比較了節(jié)點(diǎn)故障前后，應(yīng)用容錯算法時，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊成功率。從實(shí)驗(yàn)中可見，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，所提方法仍然能夠很好的維持網(wǎng)絡(luò)的通訊能力，顯示出可靠的容錯性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] L. Mu， “A hybrid network for maritime on-board communications，”in 2012 IEEE 8th International Conference on Wireless and Mobile Computing， Networking and Communications （WiMob）， 2012， pp. 761-768.

[2]Xiongfei Geng， Yongcai Wangy， Haoran Fengz and Zhoufeng Chen. “Hybrid Radio-map for Noise Tolerant Wireless Indoor Localization” 11th IEEE International Conference on Networking， Sensing and Control， 2014.

[3] 閆丹丹. 基于自適應(yīng)方法容錯控制系統(tǒng)設(shè)計[D].吉林大學(xué). 2004年.

[4] 耿雄飛.無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中基于鏈路狀態(tài)參數(shù)的動態(tài)源路由協(xié)議研究[D]. 吉林大學(xué). 2007年.

[5] 吳東亞，侯紫峰，侯朝楨.移動自組網(wǎng)DSR協(xié)議路徑緩存策略優(yōu)化.計算機(jī)工程與應(yīng)用. 2004. pp. 158-160.

[6] 程福挺， 蔣燕榮. WMN各層協(xié)議研究[J]. 中國新通信（技術(shù)版）. 2006年10月. pp. 53-56.endprint

摘 要：大型專業(yè)船舶無線自組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能眾多，網(wǎng)絡(luò)的容錯自愈能力要求較高，本研究針對大型船舶的特點(diǎn)，首先提出了基于獨(dú)立端的故障診斷與恢復(fù)方法，之后研究了機(jī)會路由和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大型專業(yè)船舶 無線自組織網(wǎng)絡(luò) 容錯自愈

水上交通運(yùn)輸歷來是個高風(fēng)險的行業(yè)，盡管當(dāng)代高科技已在船舶工程和航海上大量應(yīng)用，但隨著運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，船舶數(shù)量不斷增多，致使航行密度不斷增大，航行環(huán)境不斷惡化；此外，船舶日趨大型化、專業(yè)化，航速不斷提高，船舶發(fā)生事故的風(fēng)險難以降低，水上交通事故形勢依然嚴(yán)峻。

2005年12月，國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第81次會議收到提案，提出制定e-Navigation 發(fā)展戰(zhàn)略的設(shè)想。 IMO 采納了該提案，并決定主導(dǎo)開展e- Navigation的相關(guān)研究，從此在全球拉開了e- Navigation研究的序幕：即通過電子方式在船上和岸上收集、綜合、顯示海事信息，以增強(qiáng)船舶到泊位的全程航行能力，增強(qiáng)船舶海上服務(wù)和保安能力。

根據(jù) IMO 文件《發(fā)展和實(shí)施e-Navigation戰(zhàn)略》（MSC85/26附錄20）的敘述，e-Navigation環(huán)境下，船上的船舶綜合助航系統(tǒng)集成了自身傳感器、支持信息標(biāo)準(zhǔn)用戶界面以及警戒區(qū)/警報管理等裝置，從而達(dá)到支持船舶安全和航行效率目的。船舶內(nèi)部的無線通信網(wǎng)絡(luò)作為信息傳播的重要載體，其安全性和健壯性將會是評價船舶綜合助導(dǎo)航系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

研究現(xiàn)狀

船舶在航行過程中，經(jīng)常面臨劇烈顛簸、震動、水涌入船體等情況，無線通信網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生故障或損壞。同時，當(dāng)上述天氣或環(huán)境情況發(fā)生時，也是最需要船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的關(guān)鍵時刻，這時需要網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)以保證船上的通信、檢測、定位等應(yīng)用的正常運(yùn)行，是船員應(yīng)對緊急情況的保證。所以當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)或設(shè)備在出現(xiàn)惡劣環(huán)境狀況或惡劣天氣而發(fā)生損壞時，如何保證網(wǎng)絡(luò)面向容災(zāi)，面向自愈性的可靠運(yùn)行和傳輸是研究中的至關(guān)重要的問題。

面向容災(zāi)與容錯的自組織網(wǎng)絡(luò)研究，在國內(nèi)外已經(jīng)吸引了大量的研究工作，但是面向艦船特殊應(yīng)用環(huán)境的研究尚鮮見報道?，F(xiàn)有研究主要面向容錯的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)備份方法，通訊節(jié)點(diǎn)切換方法等。而從這些研究中可以看到，針對船載網(wǎng)絡(luò)在海上運(yùn)行、在惡劣環(huán)境中運(yùn)行、易出錯、易大量損壞的特殊容錯技術(shù)和方法仍然沒有得到解決。

基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法研究

在船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)能量限制、環(huán)境干擾、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化以及節(jié)點(diǎn)的損壞等原因，使得網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點(diǎn)停止工作，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障。為了保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利傳輸，必須要設(shè)計相應(yīng)的算法，保證網(wǎng)絡(luò)可以檢測到故障并能修復(fù)。本研究采用基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自治和修復(fù)。

獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)發(fā)布的控制命令可以在較短的時間內(nèi)傳到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，我們在每個采樣周期的結(jié)束前加了控制時隙，節(jié)點(diǎn)在該時隙處于喚醒狀態(tài)，通過監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)接收獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)發(fā)布的控制命令并轉(zhuǎn)發(fā)。從而大大提高了控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)效率。圖1顯示了控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)過程，其中紅色的雙色箭頭表示控制命令和節(jié)點(diǎn)反饋消息在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層的傳輸過程。

獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)可以在無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)中解決全網(wǎng)重啟、可變采樣周期、在線故障診斷等多種問題。

全網(wǎng)重啟動：船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)部署完成后，經(jīng)常需要重啟整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試聯(lián)調(diào)，如果依靠人工對網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)做重啟動，耗時長、效率低；獨(dú)立的控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布重啟動的命令，該命令在網(wǎng)絡(luò)中通過多跳傳遞給每個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接到命令后進(jìn)入重啟狀態(tài)，從而顯著提高效率。

可變采樣周期：在船載無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，針對不同類型的信息，其數(shù)據(jù)采樣頻率是不一樣的，這就要求網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的采樣周期可控。大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署完成后，如果想修改某些節(jié)點(diǎn)的采樣周期，采用人工重新燒寫節(jié)點(diǎn)程序的方式效率太低，獨(dú)立的控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布修改采樣周期的命令，該命令中包含需要修改采樣周期的節(jié)點(diǎn)號以及修改后的采樣周期的長度。

在線故障診斷：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的健康狀況直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)能否長時間穩(wěn)定的運(yùn)行，如何快速發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)是首先需要解決的一個關(guān)鍵性問題。獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布一個檢測網(wǎng)絡(luò)健康狀況的命令，該命令以多跳的方式傳播的網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在收到該命令后會做出一個反饋，該反饋?zhàn)罱K會傳到控制節(jié)點(diǎn)，通過讀取控制節(jié)點(diǎn)收到的反饋信息，就可以判斷哪些節(jié)點(diǎn)已經(jīng)停止工作了。

基于機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的容錯技術(shù)研究

機(jī)會路由通過多個潛在中繼節(jié)點(diǎn)競爭、自主智能進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，它充分利用了信道廣播特性，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和傳輸可靠性。機(jī)會路由方法，在每一跳的無線通信過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以在多個實(shí)際接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)中選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這形成一種自然的多徑路由策略，當(dāng)部分轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)損壞時，機(jī)會路由方法仍然能夠以較大概率找到可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點(diǎn)。

采用機(jī)會路由，仍然難以保證網(wǎng)絡(luò)中部分鏈路由于鏈路質(zhì)量較差，導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失等問題；而網(wǎng)絡(luò)編碼方式，在數(shù)據(jù)傳輸時，不是直接傳輸數(shù)據(jù)，而是傳輸數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)的線性編碼，這樣數(shù)據(jù)的信息被編碼到多個數(shù)據(jù)包中，在解碼段，即使部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失，仍然能夠可靠的解碼出網(wǎng)絡(luò)中待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可顯著提高在不可靠網(wǎng)絡(luò)中的可靠數(shù)據(jù)傳輸效果。

本研究提出了機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的改進(jìn)方法，圖2是網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)傳輸示意圖，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S 向下一跳節(jié)點(diǎn)廣播編碼包時，下一跳節(jié)點(diǎn)A、B、C 由于丟包可能各自只收到部分編碼包，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)A、B、C 總共收到足夠多的線性無關(guān)的編碼包后，其中一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個確認(rèn)信息ACK 給源節(jié)點(diǎn)；源節(jié)點(diǎn)在收到ACK 確認(rèn)信息后馬上可以發(fā)送下一數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)包。因?yàn)檫@時節(jié)點(diǎn)A、B、C 中含有足夠多的線性無關(guān)編碼包可以發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)D，這樣源節(jié)點(diǎn)不需要等目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK，從而節(jié)省等待時延。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成理論分析后，進(jìn)一步通過仿真實(shí)驗(yàn)，評價了在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，基于獨(dú)立控制端的故障診斷與恢復(fù)方法、基于機(jī)會路由與網(wǎng)絡(luò)編碼的容錯技術(shù)在保證網(wǎng)絡(luò)通訊性能方面的結(jié)果。圖3是系統(tǒng)仿真場景的示意圖，圖4 比較了節(jié)點(diǎn)故障前后，應(yīng)用容錯算法時，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊成功率。從實(shí)驗(yàn)中可見，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，所提方法仍然能夠很好的維持網(wǎng)絡(luò)的通訊能力，顯示出可靠的容錯性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] L. Mu， “A hybrid network for maritime on-board communications，”in 2012 IEEE 8th International Conference on Wireless and Mobile Computing， Networking and Communications （WiMob）， 2012， pp. 761-768.

[2]Xiongfei Geng， Yongcai Wangy， Haoran Fengz and Zhoufeng Chen. “Hybrid Radio-map for Noise Tolerant Wireless Indoor Localization” 11th IEEE International Conference on Networking， Sensing and Control， 2014.

[3] 閆丹丹. 基于自適應(yīng)方法容錯控制系統(tǒng)設(shè)計[D].吉林大學(xué). 2004年.

[4] 耿雄飛.無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中基于鏈路狀態(tài)參數(shù)的動態(tài)源路由協(xié)議研究[D]. 吉林大學(xué). 2007年.

[5] 吳東亞，侯紫峰，侯朝楨.移動自組網(wǎng)DSR協(xié)議路徑緩存策略優(yōu)化.計算機(jī)工程與應(yīng)用. 2004. pp. 158-160.

[6] 程福挺， 蔣燕榮. WMN各層協(xié)議研究[J]. 中國新通信（技術(shù)版）. 2006年10月. pp. 53-56.endprint