基于WiMAX網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的海上通信系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

朱 佳

(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南250103)

0 引 言

隨著各種海上服務(wù)和應(yīng)用的發(fā)展，船舶間和船岸間的高速數(shù)據(jù)通信需求不斷增長。然而，由于海洋自然環(huán)境條件的限制，當(dāng)前基于地面的通信網(wǎng)絡(luò)，如3G/4G 蜂窩通信網(wǎng)、802. 11 Wifi 網(wǎng)絡(luò)等，難以應(yīng)用于海上通信。對于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)來說，在海面之上很難部署一個穩(wěn)定的基站和大范圍的光纖網(wǎng)絡(luò)，提供穩(wěn)定的通信服務(wù)。另外，海上通信的距離較長，傳統(tǒng)的通信方式很難在覆蓋較大范圍的同時，做到較高的通信速率。而采用衛(wèi)星通信則需要高昂的成本，難以進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。在當(dāng)前的研究成果中，提出了一種利用Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)船舶間通信的方法，這種方法具有較好的靈活性和移動性，同時其實現(xiàn)和維護(hù)的成本較低，能夠在一定程度上滿足海上通信的需求，然而由于無線信道的特性，Ad hoc 的信號強(qiáng)度難以適應(yīng)長距離的無線傳輸，因而僅僅能夠應(yīng)用于艦隊通信。對于船岸間的通信，當(dāng)前采用的主流方法則是采用傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)。隨著3G/4G 的發(fā)展，已經(jīng)能夠做到信號完全覆蓋沿海區(qū)域，其實現(xiàn)難度較低，同時通信帶寬較為充足，能夠滿足近海的船岸通信需求。傳統(tǒng)的蜂窩通信覆蓋范圍有限，當(dāng)船舶遠(yuǎn)離海岸時，要實現(xiàn)船岸通信，仍然需要昂貴的衛(wèi)星通信方式。

本文提出一種基于WiMAX 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的海上通信系統(tǒng)，其融合WiMAX 網(wǎng)狀網(wǎng)“中心式”和“分布式”2 種工作模式，實現(xiàn)多跳、長距離的船舶間和船岸間通信，并設(shè)計相應(yīng)的帶寬分配機(jī)制，保證高速數(shù)據(jù)通信的帶寬需求。

1 基于WiMAX 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(WMN)［1］是近年來的研究熱點，其被認(rèn)為是下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來，與無線自組網(wǎng)類似，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有良好的伸縮性和可實現(xiàn)性。然而其與Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)適用于對移動性要求不高的場景，其終端節(jié)點通常是靜止的或緩慢移動的，拓?fù)渥兓⒉粍×?。同時，相較于Ad hoc 和其他無線通信網(wǎng)其具有頻譜效率高、覆蓋范圍廣、可擴(kuò)展性強(qiáng)和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點，而且其在保證通信效率的前提下能夠支持較多的用戶數(shù)量，適用于城域網(wǎng)的組建。如今多個國際組織正致力于開發(fā)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的國際標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE 802.16，802.15 和802.11。

IEEE 802.16 標(biāo)準(zhǔn)，亦稱為WiMAX 是最近興起的一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其應(yīng)用了OFDMA，MIMO 等先進(jìn)技術(shù)，具備通信速率高、覆蓋范圍廣、業(yè)務(wù)種類豐富等特點，并且其支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組建，是無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的主要實現(xiàn)技術(shù)之一。WiMAX 有2 種工作模式:一種是傳統(tǒng)的“中心式”模式，另一種是類似于Ad hoc 的“分布式”模式。

在中心式工作模式中，采用中心化的網(wǎng)絡(luò)基站作為接入點，采用一對多的形式提供無線接入服務(wù);另一種是網(wǎng)狀網(wǎng)，通過多個支持WiMAX 的終端，自組織成一個對等的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信。第一種工作方式主要應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)的建設(shè)［2］，可以通過基站與光纖網(wǎng)等骨干網(wǎng)相連，實現(xiàn)較大范圍的無線城域網(wǎng)或局域網(wǎng)，與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)和802.11 網(wǎng)絡(luò)類似，其移動性較弱，需要一個中心化的基站支持通信過程。

圖1 WiMAX 中心式工作模式Fig.1 Centralized mode of WiMAX

圖2 WiMAX 分布式工作模式Fig.2 Distributed mode of WiMAX

而第2 種工作方式，則類似于Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既能夠充當(dāng)Mesh 路由器，也能夠充當(dāng)Mesh 終端，因而能夠?qū)崿F(xiàn)多跳的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，適用于無線接入網(wǎng)的建設(shè)［3］。2 種工作模式各有特點，適用于不同的應(yīng)用場景。

由于通信信道條件較差，在海面長距離傳輸中需要通過帶寬分配和補(bǔ)償機(jī)制來確保信號的衰減不會影響通信的質(zhì)量，因此在本文提出的基于WiMAX網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的海上通信系統(tǒng)中，采用了基于多信道的WiMAX 技術(shù)［4］，并設(shè)計了相應(yīng)的信道帶寬分配機(jī)制。

2 基于WiMAX 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的海上通信

在海上通信環(huán)境中，船舶之間相對的位置變化并不明顯，因而無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓⒉粍×?，因而基于WiMAX 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠較好適應(yīng)海上通信環(huán)境。與地面通信不同，海上通信有船舶間通信和船岸間通信2 種需求，單一的WiMAX 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)工作模式難以滿足實際的需求，因而本文將2 種工作模式混合，設(shè)計了一種混合式的網(wǎng)絡(luò)框架，以適應(yīng)船舶間和船岸間通信的不同需求。

提出的通信系統(tǒng)框架如圖3 所示，在海岸上有若干Mesh 路由器與骨干網(wǎng)相連，通過這些路由器，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點可以訪問骨干通信網(wǎng)。在近海船岸通信過程中，采用WiMAX 的中心式工作模式，船舶設(shè)備充當(dāng)Mesh 終端訪問岸基Mesh 路由實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;在遠(yuǎn)海船岸通信過程中，遠(yuǎn)海船舶設(shè)備充當(dāng)Mesh 終端，通過Mesh 網(wǎng)絡(luò)的多跳過程，實現(xiàn)對于岸基Mesh 路由的訪問。而海上的船舶間通信，則采用分布式的工作模式，每個船舶設(shè)備既是Mesh 路由，又是Mesh 終端，既可以作為接入點提供服務(wù)，也可以作為路由實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，還能夠作為用戶終端訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于:

1)采用中心式的方法實現(xiàn)船岸通信，增加了通信過程的可靠性;

2)采用分布式的方法實現(xiàn)船舶間通信，可以實現(xiàn)多跳無線網(wǎng)絡(luò)，增加了網(wǎng)絡(luò)的靈活性，同時有利于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?

3)與以往船舶間、船岸間通信分別采用不同的通信技術(shù)手段不同，該網(wǎng)絡(luò)均采用WiMAX 技術(shù)，避免了用戶在不同網(wǎng)絡(luò)中的切換和融合問題。

圖3 基于WiMAX 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)海上通信網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Maritime communication network based on WiMAX mesh network

3 多信道帶寬分配算法

3.1 信道劃分

WiMAX 是基于 OFDMA 的通信技術(shù)，在OFDMA 中可以實現(xiàn)多載波調(diào)制，可以將不同的子載波分配給不同的用戶使用，從而實現(xiàn)多個信道的并行傳輸，提高了信道利用率。在基于WiMAX 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，存在3 種不同的控制報文:MSH -NENT，MSH-NCFG 和MSH -DSCH。其中MSH -NENT 負(fù)責(zé)指示終端加入網(wǎng)絡(luò)，MSH -NCFG 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置管理，MSH -DSCH 負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)包的傳輸過程。此外，還有一些重要的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議如路由協(xié)議、安全認(rèn)證協(xié)議等。這些協(xié)議報文的特點是:報文長度較短，對帶寬要求不高但對于信道的可靠性要求較高。對于這類報文，我們將劃分出邏輯信道0，專門用于傳輸網(wǎng)絡(luò)控制和管理協(xié)議。將其他的邏輯信道用來傳輸實際的數(shù)據(jù)。

WiMAX 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)由控制子幀和數(shù)據(jù)子幀組成。每個控制子幀被劃分為若干個定長的(MSH-CRTL-LEN)控制分片。在每個時隙中，可以發(fā)送控制子幀的分片或PDU。在WiMAX 中存在2 種控制子幀:網(wǎng)絡(luò)控制和傳輸控制子幀。其中MSH -NENT 和MSH-NCFG 的PDU 用網(wǎng)絡(luò)控制子幀進(jìn)行傳遞，而MSH-DSCH 的PDU 用傳輸子幀傳遞。

這些控制和管理報文決定了網(wǎng)絡(luò)能否正常工作，任何Mesh 路由或終端均應(yīng)該可靠地接收這些報文，因而所有的Mesh 節(jié)點均應(yīng)該在信道0 處進(jìn)行監(jiān)聽，確保能夠接收到所有的控制報文。

3.2 帶寬分配

一個帶寬的分配由一個多元組標(biāo)記:＜幀偏移，時隙偏移，時隙空間，持續(xù)時間，邏輯信道編號＞。其中幀偏移和時隙偏移指示的是從何時開始傳輸我所需要的幀，也就是決定了帶寬分配開始的時間;時隙空間指的是傳輸一個幀，最低需要多少個時隙;持續(xù)時間是指帶寬的分配需要持續(xù)多長時間;邏輯信道編號則指示的是實現(xiàn)帶寬分配所在的邏輯信道。通過這個多元組，Mesh 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點以及其下一跳的鄰居，能夠知道在哪個信道，從何時開始，預(yù)留多長時間的帶寬。在實現(xiàn)帶寬分配時，WiMAX 采用的是3 次握手協(xié)議，通過請求、允許和允許確認(rèn)3 種報文實現(xiàn)，這3 種報文均由MSH-DSCH 消息傳遞。

需要注意的是，對于每一個子信道來說，其無法同時發(fā)送和接收消息，因而當(dāng)一個Mesh 節(jié)點收到一個帶寬請求時，應(yīng)答確保其要求的子信道應(yīng)當(dāng)在所要求的若干個連續(xù)的時隙內(nèi)是空閑的或準(zhǔn)備接收的。

3.3 帶寬分配算法

在實際通信過程中，除了信道0 之外，可能有若干個信道能夠滿足通信雙方對于帶寬的要求，如果隨機(jī)地選取通信使用的信道，則可能會造成某些信道空閑時間太長，信道利用率下降。

在本文中，將采用空閑最久信道優(yōu)先的原則選取通信的信道，同時綜合考慮子信道的負(fù)載情況，使得各個子信道被充分利用。

令Bi為第i 個子信道的傳輸速率，D 為需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則其在信道i 上的持續(xù)時間為ti:

則定義子信道的負(fù)載函數(shù)為:

令Ti為信道i 到帶寬預(yù)留開始時刻時的空閑時間，則通過空閑時間和負(fù)載函數(shù)，可以判斷出應(yīng)該選擇的子信道

則可得整個帶寬分配算法的流程圖為:

圖4 帶寬分配算法流程圖Fig.4 The flow chart of bandwidth allocation

在帶寬分配過程中，當(dāng)一個Mesh 節(jié)點接收到一個帶寬分配請求，則檢查其所要求的子信道，在要求的時隙內(nèi)是否可用，若能夠滿足要求，則接受，若不能滿足要求，則向上一跳拒絕;當(dāng)接收了請求之后，則重新計算幀偏移和時隙偏移，確定帶寬分配的開始節(jié)點，之后再按照之前介紹的方法挑選子信道，然后形成新的請求發(fā)給下一跳;若下一跳拒絕了該請求，則將當(dāng)前所選的子信道剔除之后，重新選擇子信道。

4 仿真與實現(xiàn)

本文采用了軟件Qualnet software［5-6］模擬的方法，在仿真中，采用了2 種不同的海況條件，在不同的海況條件下，無線信號的衰減情況也有所不同，2 種不同的海況參數(shù)如表1 所示。

表1 海況參數(shù)Tab.1 Sea state parameter

本文采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^簡單，在海面上具有2 個航線不同的船隊，一個船隊從東向西行駛，另一個船隊則相反，2 個船隊相距20 km，岸基Mesh路由距離海岸線10 km。在Mesh 網(wǎng)絡(luò)的通信過程中，采用AODV 路由。

在仿真過程中，采用固定比特率通信方式，速率為5.5 Mbit/s，共有3 個不同頻率的信道。共產(chǎn)生了52 艘模擬船舶，每個信源產(chǎn)生長度為40 bytes的數(shù)據(jù)包，每個包產(chǎn)生的間隔設(shè)置為0.01 ～0.02 s，每個仿真過程持續(xù)600 s，則可以模擬2 種不同的負(fù)載，當(dāng)間隔較小時負(fù)載較重，當(dāng)間隔較大時反之。

分別使用單信道模式和本文提出的多信道加帶寬分配算法模式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 不同負(fù)載和海況下的數(shù)據(jù)包到達(dá)率Fig.5 Delivery ratio in different load and sea state

圖6 不同負(fù)載和海況下的時延Fig.6 Delay in different load and sea state

通過仿真結(jié)果看以看出，通過本文所提出的方法:首先，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的船舶間、船岸間通信;其次，通過使用本文提出的多信道的帶寬分配算法，能夠有效地提高數(shù)據(jù)包的到達(dá)率，并減小數(shù)據(jù)包傳輸中的時延，具有較好的可行性和高效性。

5 結(jié) 語

本文針對海上通信的需求和WiMAX Mesh 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點，設(shè)計了一種具備混合結(jié)構(gòu)的，能夠統(tǒng)一實現(xiàn)船舶間和船岸間高速數(shù)據(jù)通信的通信系統(tǒng)，研究了整個系統(tǒng)的工作機(jī)制。同時，針對無線通信過程中的信號衰減問題，本文提出了利用WiMAX的多信道特性，設(shè)計了相應(yīng)的信道帶寬分配算法，為遠(yuǎn)距離和多跳傳輸提供了可靠性支持。最后，本文對提出的方案進(jìn)行仿真，證明了相較于普通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和單信道的通信模式，本文提出的方法具有更好的性能。

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