基于AIS的海上無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)研究與仿真

劉 旭

(重慶電子工程職業(yè)學院，重慶401331)

0 引 言

海上船舶間通信主要有衛(wèi)星通信和中頻及甚高頻通信2 種方式。衛(wèi)星通信具有可靠性高、通信距離長的優(yōu)點，然而衛(wèi)星通信終端設(shè)備價格和通信費用較為昂貴，難以在船舶上得到廣泛使用;中頻及甚高頻通信具有較好的通信距離同時使用成本低廉，是目前常用的通信手段之一。然而這種通信方式傳輸速率較低，同時容易受到干擾，越來越難以滿足當今船舶通信的需求。針對以上問題，部分學者提出了使用無線自組網(wǎng)實現(xiàn)船舶間通信的解決方案，其使用802.11s實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)并解決無線自組網(wǎng)的尋路問題，然而802.11s 提出的Mesh WLAN 針對的是陸上移動應(yīng)用環(huán)境，其尋路算法難以在海上得到應(yīng)用［1－4］。綜上所述，當前的船舶間通信仍然難以實現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)通信。為了克服以上困難，本文提出一種基于AIS 的海上無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)既擁有組網(wǎng)靈活、通信速率高等特點，又借助AIS 提供的船舶標識和認證功能，實現(xiàn)了較為簡單和有效的位置發(fā)現(xiàn)及通信路由功能，解決了海上無線自組網(wǎng)的有效尋路問題，同時也為海上船舶間通信提供了一種廉價、高速的通信手段。

1 背景知識介紹

海上無線自組網(wǎng) (VANET)是移動自組網(wǎng)(MANET)在海上船舶間通信的應(yīng)用。當前的主要研究方向在于使用802.11s 協(xié)議，構(gòu)建海上Mesh WLAN 實現(xiàn)船舶間的高效能通信。相較于當前普遍使用的甚高頻通信、調(diào)頻通信和中頻通信等通信方式，VANET 具有組網(wǎng)靈活，對拓撲不敏感等優(yōu)點，因而受到學者的青睞。802.11s 具有2 種路由協(xié)議即按需路由和樹狀路由。其中按需路由類似于移動自組網(wǎng)路由協(xié)議，通過源節(jié)點的廣播請求和各個節(jié)點的應(yīng)答，建立一條唯一的通信通路。然而，在海面通信中，船舶間隔距離較遠，通過廣播方式進行路由發(fā)現(xiàn)可靠性和效率較低，難以實用。而樹狀路由首先選出一個節(jié)點作為根節(jié)點，各節(jié)點維護與根節(jié)點的路由，進而形成各自之間的路由。但在海面通信中，沒有像地面基站那樣相對固定的根節(jié)點，因而這樣的組網(wǎng)方式和路由協(xié)議并不可靠和實用。綜上所述，針對地面的Mesh WLAN 技術(shù)難以適應(yīng)海面的通信環(huán)境。

船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)是一種集合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等的一體化助航設(shè)備。該系統(tǒng)能夠獲取近海海域中船舶的名稱、位置、航向、速度等信息，一方面能夠給船舶以唯一的標識，另一方面能夠維護一個全局的船舶視圖，以供船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)或其他系統(tǒng)使用［5－6］。

本文針對VANET 中存在的問題，以及AIS 所具備的優(yōu)勢，提出一種新型的基于AIS 的海上無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)一方面能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的組網(wǎng)和拓撲無關(guān)性，另一方面能夠利用AIS 所提供的船舶信息，實現(xiàn)更加有效、精確的位置服務(wù)和尋路功能，克服了VANET 中路由協(xié)議的不足。網(wǎng)絡(luò)的整體框架如圖1 所示。

在船舶加入網(wǎng)絡(luò)時，首先通過AIS 向最近的AIS 基站發(fā)送自身的信息，全體船舶的AIS 信息存儲于AIS 服務(wù)器中。在本文提出的基于AIS 的無線網(wǎng)絡(luò)中，各個船舶可以向AIS 基站發(fā)送請求，獲得自身的位置信息，以及向周邊船舶發(fā)送信息，獲得鄰居船舶的信息，通過AIS 和鄰居船舶等多個方面確定自身所處的位置以及呼叫對象所處的位置。當船舶A 希望和船舶C 通信時，首先通過多維位置發(fā)現(xiàn)服務(wù)，獲得船舶C 所處的位置，然后根據(jù)路由算法獲得到達目的船舶的通信路徑。

圖1 網(wǎng)絡(luò)整體框架圖Fig.1 Architecture of wireless network

2 多維位置發(fā)現(xiàn)服務(wù)

在AIS 中，船舶通報自身位置，AIS 服務(wù)器了解全體船舶的各個位置，而船舶本身并不了解自身在整個船舶通信網(wǎng)絡(luò)之中的位置，以及呼叫對象在通信網(wǎng)絡(luò)之中的位置。本文提出一種多維位置發(fā)現(xiàn)服務(wù)，通過該服務(wù)船舶不僅能夠了解自身的絕對位置，同時能夠通過維護鄰居表和路由表，獲取自身在通信網(wǎng)絡(luò)中的相對位置，進而各個船舶可以通過自身的鄰居表和路由表構(gòu)建整個通信網(wǎng)絡(luò)的整體視圖，相較于傳統(tǒng)的AIS 位置服務(wù)，具備更多的位置衡量維度，因而稱為多維度位置發(fā)現(xiàn)服務(wù)。

AIS 定義了27 種消息類型［7］，本文將繼續(xù)沿用以上消息類型，同時引入3 種新的消息類型:1)鄰居建立請求及應(yīng)答消息:NB_ req/ NB_ rep;2)對象信息請求及應(yīng)答消息:NI_ req/NI_ rep;3)鄰居信息請求及應(yīng)答消息:NC_ req/NC_ rep。其中NB_ req、NB_ rep、NI_ req、NC_ req 的格式較為簡單，包含信息量較少，因而在此主要介紹NI_ rep及NC_ rep 的消息格式。

NI_ rep 的消息格式如圖2 所示。

圖2 NB_ rep 消息格式Fig.2 The format of NB_ req

NI_ rep 消息返回的是對象船舶的具體信息，包含了對象船舶的源海上移動識別碼(SMMSI)、自身船舶的目的海上移動識別碼(DMMSI)及對象船舶的經(jīng)緯度、速度、航向等信息。可將對象船舶的MMSI 加入鄰居表中。

NC_ rep 的消息格式如圖3 所示。

圖3 NC_ rep 消息格式Fig.3 The format of NC_ req

NC_ rep 消息返回的是對象的鄰居船舶信息，其包含源/目的海上移動識別碼(SMMSI/DMMSI)及鄰居海上移動識別碼(NMMSI)。

在建立鄰居關(guān)系的過程中，首先自身船舶向周邊船舶發(fā)送廣播NB_ req 消息，周邊船舶若接收到，并允許建立鄰居關(guān)系，則發(fā)送應(yīng)答NB_ rep;自身船舶根據(jù)NB_ rep 消息中提供的MMSI，向AIS BS 發(fā)送NI_ req，AIS BS 通過查詢服務(wù)器并計算后，向自身船舶發(fā)送NI_ rep 消息，其中包含了周邊船舶的位置、速度等信息，自身船舶將這些信息添加入鄰居關(guān)系表，通過鄰居關(guān)系表，則船舶能夠了解自身所處的位置，以及在全體船舶之中的位置。若自身船舶需要獲得某個鄰居船舶信息則發(fā)送NC_ req，同時接受NC_ rep 來獲取相應(yīng)的信息。通過以上關(guān)系，不同船舶之間可以通過自身的鄰居關(guān)系建立連接關(guān)系。

鄰居表及路由表的更新算法如圖4 所示。

圖4 更新算法流程圖Fig.4 Flow chart of the refresh algorithm

3 基于AIS 的路由協(xié)議

第2 節(jié)中介紹的多維位置發(fā)現(xiàn)服務(wù)，每個節(jié)點均維護了1 張鄰居關(guān)系表和路由表，這些鄰居船舶可以直接進行通信。當需要與較遠距離的目標進行通信時，則需要相應(yīng)的路由協(xié)議確定在VANET 中的通信路徑。

首先定義路由協(xié)議中需要的消息格式:1)目的位置請求消息:DL_ req;2)目的位置應(yīng)答消息DL_ rep;

路由協(xié)議流程如圖5 所示。

圖5 路由協(xié)議流程圖Fig.5 Flow chart of routing algorithm

路由協(xié)議工作的步驟如下:

1)首先船舶A 根據(jù)自己的路由表，通過BS 向自己的鄰居發(fā)送DL_ req 消息，鄰居收到消息之后，向BS 發(fā)送應(yīng)答DL_ rep，返回自身的鄰居表;

2)船舶A 根據(jù)DL_ rep 更新自己的路由表和路由表，并向新添加的鄰居發(fā)送DL_ req 消息，并檢查DL_ rep 中是否有目的船舶的信息;

3)若船舶A 的路由表和鄰居表中新添加了目的船舶，那么尋路結(jié)束，根據(jù)路由表建立通往船舶通信路徑;若沒有則重復2)，直到路由表和鄰居表中沒有新的元素被添加。

在路由協(xié)議中，接收消息DL_ rep 與第2 節(jié)中介紹的消息格式類似，其格式如圖6 所示。

圖6 DL_ rep 消息格式Fig.6 The format of DL_ rep

其中OMMSI 為呼叫對象的MMSI，NeMMSI 為對象船舶路由表中的下一跳船舶的MMSI。通過第2節(jié)中的鄰居表和路由表更新，可以建立較為充分的“目的——下一跳”表項，為本節(jié)的路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真

系統(tǒng)節(jié)點的實現(xiàn)如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Implementation structure of system

其中外部計算模塊使用的是利用C + +編寫的程序代碼，模擬船舶中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的路由計算及消息處理。外部I/O 模塊，負責顯示當前的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)和工作過程。在模擬節(jié)點中，每個AIS 發(fā)送/接收終端與外部計算模塊相連，計算模塊模擬了路由協(xié)議在節(jié)點中的工作過程，演示了上文提到的幾種重要消息類型。

最后使用NS2 對本文提出的網(wǎng)絡(luò)進行了仿真，仿真環(huán)境為X86 架構(gòu)計算機，Core i3 四核處理器，4G 內(nèi)存，Win 7 (64 位)操作系統(tǒng)。

在NS2 中的仿真圖如圖8 所示，其中①～⑦為模擬船舶節(jié)點，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示，⑧～⑨為模擬AIS BS。仿真過程中實現(xiàn)的是，⑥之間的通信過程⑦，在初始狀態(tài)下，⑥和⑦不是鄰居關(guān)系，圖8 顯示的是不同節(jié)點發(fā)送消息的狀態(tài)。

圖8 NS2 網(wǎng)絡(luò)仿真圖Fig.8 Simulation in NS2 of network

通過路由協(xié)議的工作，最終⑥和⑦實現(xiàn)了有效的通信，最終顯示的消息在NS2 中如圖9 所示所示。

5 結(jié) 語

本文針對VANET 在實際應(yīng)用過程中所暴露出的不足，提出了一種基于AIS 的海上無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，給出了網(wǎng)絡(luò)的整體框架，并對多維位置發(fā)現(xiàn)服務(wù)以及基于AIS 的路由協(xié)議進行了深入研究，定義了需要的消息格式，并設(shè)計了相應(yīng)的算法，使得網(wǎng)絡(luò)能夠在AIS 的幫助下，實現(xiàn)在無線自組網(wǎng)內(nèi)的路由和有效通信。最后，本文給出了系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)，并在NS2 中給出了整個網(wǎng)絡(luò)工作過程的仿真過程，證明了本文提出方法的可行性。

［1］SON J Y，MUN S M． Max-win based routing(MWR)protocol for maritime communication networks with multiple wireless media［J］．Journal of the Korean Society of Marine Engineering，2010(11):1159 －1164．

［2］SON J Y． A routing scheme by normalized transmission characteristics(NTCR)for multi-carrier MANETs at sea［J］．Journal of the Korean Society of Marine Engineering，2011(11):1092 －1097．

［3］SON J Y．A carrier preference-based routing scheme(CPR)for multi-layered maritime data communications networks［J］．Journal of the Korean Society of Marine Engineering，2011(35):1098 －1104．

［4］TA T D，TRAN T D，DO D D，et al．GPS －based wireless ad－h(huán)oc network for marine monitoring，search and rescue(MSnR)［C］//Proceeding of IEEE 2nd International Conference on Intelligent Systems， Modeling， and Simulation，2011:350 －354．

［5］IMO SOLAS Ch．V，Reg．19．2．4［S］．

［6］Ship facilities standards，108th Amendment 5，Minister of Land，Transport and Maritime(MLTM)Announcement No 2010 －551［S］．

［7］Recommendation ITU－R M．1371 －4［S］．