基于WiMAX網狀網絡的海上通信系統構建與應用

朱 佳

(山東商業職業技術學院，山東 濟南250103)

0 引 言

隨著各種海上服務和應用的發展，船舶間和船岸間的高速數據通信需求不斷增長。然而，由于海洋自然環境條件的限制，當前基于地面的通信網絡，如3G/4G 蜂窩通信網、802. 11 Wifi 網絡等，難以應用于海上通信。對于傳統的通信網絡來說，在海面之上很難部署一個穩定的基站和大范圍的光纖網絡，提供穩定的通信服務。另外，海上通信的距離較長，傳統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。而采用衛星通信則需要高昂的成本，難以進行大規模的應用。在當前的研究成果中，提出了一種利用Ad hoc 網絡實現船舶間通信的方法，這種方法具有較好的靈活性和移動性，同時其實現和維護的成本較低，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 的信號強度難以適應長距離的無線傳輸，因而僅僅能夠應用于艦隊通信。對于船岸間的通信，當前采用的主流方法則是采用傳統的蜂窩通信網。隨著3G/4G 的發展，已經能夠做到信號完全覆蓋沿海區域，其實現難度較低，同時通信帶寬較為充足，能夠滿足近海的船岸通信需求。傳統的蜂窩通信覆蓋范圍有限，當船舶遠離海岸時，要實現船岸通信，仍然需要昂貴的衛星通信方式。

本文提出一種基于WiMAX 網狀網絡的海上通信系統，其融合WiMAX 網狀網“中心式”和“分布式”2 種工作模式，實現多跳、長距離的船舶間和船岸間通信，并設計相應的帶寬分配機制，保證高速數據通信的帶寬需求。

1 基于WiMAX 的網狀網絡

無線網狀網絡(WMN)［1］是近年來的研究熱點，其被認為是下一代無線通信網絡的關鍵技術之一。無線網狀網絡由Ad hoc 網絡發展而來，與無線自組網類似，網狀網絡具有良好的伸縮性和可實現性。然而其與Ad hoc 網絡的不同之處在于網狀網絡適用于對移動性要求不高的場景，其終端節點通常是靜止的或緩慢移動的，拓撲變化并不劇烈。同時，相較于Ad hoc 和其他無線通信網其具有頻譜效率高、覆蓋范圍廣、可擴展性強和可靠性強等優點，而且其在保證通信效率的前提下能夠支持較多的用戶數量，適用于城域網的組建。如今多個國際組織正致力于開發無線網狀網絡的國際標準，如IEEE 802.16，802.15 和802.11。

IEEE 802.16 標準，亦稱為WiMAX 是最近興起的一種無線網絡技術，其應用了OFDMA，MIMO 等先進技術，具備通信速率高、覆蓋范圍廣、業務種類豐富等特點，并且其支持網狀網絡的組建，是無線網狀網絡的主要實現技術之一。WiMAX 有2 種工作模式:一種是傳統的“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，采用中心化的網絡基站作為接入點，采用一對多的形式提供無線接入服務;另一種是網狀網，通過多個支持WiMAX 的終端，自組織成一個對等的網絡，實現網絡內的通信。第一種工作方式主要應用于無線網絡骨干網的建設［2］，可以通過基站與光纖網等骨干網相連，實現較大范圍的無線城域網或局域網，與傳統的蜂窩網絡和802.11 網絡類似，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 網絡，每個網絡節點既能夠充當Mesh 路由器，也能夠充當Mesh 終端，因而能夠實現多跳的數據傳輸和網狀網絡的組網，適用于無線接入網的建設［3］。2 種工作模式各有特點，適用于不同的應用場景。

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償機制來確保信號的衰減不會影響通信的質量，因此在本文提出的基于WiMAX網狀網絡的海上通信系統中，采用了基于多信道的WiMAX 技術［4］，并設計了相應的信道帶寬分配機制。

2 基于WiMAX 網狀網絡的海上通信

在海上通信環境中，船舶之間相對的位置變化并不明顯，因而無線網絡的拓撲變化并不劇烈，因而基于WiMAX 的網狀網絡能夠較好適應海上通信環境。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 網狀網絡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，設計了一種混合式的網絡框架，以適應船舶間和船岸間通信的不同需求。

提出的通信系統框架如圖3 所示，在海岸上有若干Mesh 路由器與骨干網相連，通過這些路由器，網狀網絡的節點可以訪問骨干通信網。在近海船岸通信過程中，采用WiMAX 的中心式工作模式，船舶設備充當Mesh 終端訪問岸基Mesh 路由實現數據傳輸;在遠海船岸通信過程中，遠海船舶設備充當Mesh 終端，通過Mesh 網絡的多跳過程，實現對于岸基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，每個船舶設備既是Mesh 路由，又是Mesh 終端，既可以作為接入點提供服務，也可以作為路由實現數據的傳遞，還能夠作為用戶終端訪問網絡數據。這種網絡結構的優勢在于:

1)采用中心式的方法實現船岸通信，增加了通信過程的可靠性;

2)采用分布式的方法實現船舶間通信，可以實現多跳無線網絡，增加了網絡的靈活性，同時有利于保證數據傳輸的帶寬;

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

圖3 基于WiMAX 網狀網絡海上通信網絡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，在OFDMA 中可以實現多載波調制，可以將不同的子載波分配給不同的用戶使用，從而實現多個信道的并行傳輸，提高了信道利用率。在基于WiMAX 的網狀網絡中，存在3 種不同的控制報文:MSH -NENT，MSH-NCFG 和MSH -DSCH。其中MSH -NENT 負責指示終端加入網絡，MSH -NCFG 負責網絡的配置管理，MSH -DSCH 負責控制數據包的傳輸過程。此外，還有一些重要的網絡管理協議如路由協議、安全認證協議等。這些協議報文的特點是: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，專門用于傳輸網絡控制和管理協議。將其他的邏輯信道用來傳輸實際的數據。

WiMAX 網狀網絡的幀結構由控制子幀和數據子幀組成。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，可以發送控制子幀的分片或PDU。在WiMAX 中存在2 種控制子幀:網絡控制和傳輸控制子幀。其中MSH -NENT 和MSH-NCFG 的PDU 用網絡控制子幀進行傳遞，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絡能否正常工作，任何Mesh 路由或終端均應該可靠地接收這些報文，因而所有的Mesh 節點均應該在信道0 處進行監聽，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記:＜幀偏移，時隙偏移，時隙空間，持續時間，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;持續時間是指帶寬的分配需要持續多長時間;邏輯信道編號則指示的是實現帶寬分配所在的邏輯信道。通過這個多元組，Mesh 網絡的節點以及其下一跳的鄰居，能夠知道在哪個信道，從何時開始，預留多長時間的帶寬。在實現帶寬分配時，WiMAX 采用的是3 次握手協議，通過請求、允許和允許確認3 種報文實現，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，其無法同時發送和接收消息，因而當一個Mesh 節點收到一個帶寬請求時，應答確保其要求的子信道應當在所要求的若干個連續的時隙內是空閑的或準備接收的。

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先的原則選取通信的信道，同時綜合考慮子信道的負載情況，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 為需要發送的數據，則其在信道i 上的持續時間為ti:

則定義子信道的負載函數為:

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

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，當一個Mesh 節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給下一跳;若下一跳拒絕了該請求，則將當前所選的子信道剔除之后，重新選擇子信道。

4 仿真與實現

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 種不同的海況參數如表1 所示。

表1 海況參數Tab.1 Sea state parameter

本文采用的網絡拓撲比較簡單，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 網絡的通信過程中，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。共產生了52 艘模擬船舶，每個信源產生長度為40 bytes的數據包，每個包產生的間隔設置為0.01 ～0.02 s，每個仿真過程持續600 s，則可以模擬2 種不同的負載，當間隔較小時負載較重，當間隔較大時反之。

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行仿真，結果如圖5 和圖6 所示。

圖5 不同負載和海況下的數據包到達率Fig.5 Delivery ratio in different load and sea state

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

通過仿真結果看以看出，通過本文所提出的方法:首先，能夠實現有效的船舶間、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，能夠有效地提高數據包的到達率，并減小數據包傳輸中的時延，具有較好的可行性和高效性。

5 結 語

本文針對海上通信的需求和WiMAX Mesh 網絡的技術特點，設計了一種具備混合結構的，能夠統一實現船舶間和船岸間高速數據通信的通信系統，研究了整個系統的工作機制。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，設計了相應的信道帶寬分配算法，為遠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行仿真，證明了相較于普通的網絡結構和單信道的通信模式，本文提出的方法具有更好的性能。

［1］AKYILDIZ，WANG Xu-dong，WANG Wei-lin.Wireless meshnetworks:a survey［J］. Elsevier Computer Networks，2005(47):445 -487.

［2］IEEE standard for local and metropolitan area networks-part 16:air interface for fixed broadband wireless access systems［S］.IEEE 802.16 -2004.

［3］PATHMASUNTHARAN J S，KONG P Y，JURIANTO J，et al.High speed maritime ship-to-ship/shore mesh networks［C］//NewYork:ITST 2007，2007:256 -263.

［4］CLAUDIO C，AKYILDIZ I F，LUCIANO L.Bandwidth balancing in multi-channel IEEE 802. 16 wireless mesh networks［C］//USA:INFOCOM 2007，2007:2108 -2116.

［5］PATHMASUNTHARAM J S，KONG Peng-yong，ZHOU Ming-tuo，et al. TRITON:high speed maritime mesh networks［C］//France:PIMRC′08，2008:15 -18.

［6］SU W，KONG P Y，PATHMASUNTHARAN J S，et al. A novel framework to simulate maritime wireless communication networks［C］//USA:IEEE/MTS OCEANS，2007:35 -41.