基于WLAN的船舶通信網(wǎng)絡應用與仿真

苑隆寅

(重慶郵電大學 移通學院，重慶401520)

0 引 言

隨著信息科技的進步，船舶設備的信息化水平也得到了進一步的提高，綜合導航系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、電子地圖等技術被廣泛應用于船舶航行、通信、導航等領域，并逐漸成為船舶航行所不可或缺的重要助航設備。近年來，信息科技的發(fā)展逐漸朝著小型化、便攜化、移動化發(fā)展，大量的移動智能終端涌現(xiàn)，并應用于各行各業(yè)，取得了驚人的效率［1-2］。同時隨著傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)也逐漸滲透到社會、商業(yè)、工業(yè)等各個領域。與此同時，船舶制造業(yè)也引入了以上先進信息技術，各種微型智能終端和傳感器取代原先笨重、低效的大型機器設備，在船舶航行、安全監(jiān)控、智能控制、海洋監(jiān)測等領域發(fā)揮著重要的作用，與傳統(tǒng)的機器和電腦設備相比，一方面，這些智能終端和傳感器有著更高的信息處理速度，另一方面，這些終端有著更好的經(jīng)濟性和易操作性。因此，智能終端和傳感器的大量使用將是未來船舶發(fā)展的趨勢［3］。

然而，這些新型設備的使用也帶來了新的問題。傳統(tǒng)船舶中使用的串行通信鏈路或當前主要使用的以太網(wǎng)通信鏈路，無法與這些智能終端或傳感器相連;而且，有線的通信網(wǎng)絡大大制約了移動終端和傳感器設備的移動性和靈活性。為了解決這一問題，應當在船舶上部署無線局域網(wǎng)(WLAN)形成“船域網(wǎng)”［4］，一方面，無線網(wǎng)絡能夠覆蓋微型設備的通信需求;另一方面，無線網(wǎng)絡具有較好的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)各種移動終端和傳感器的按需部署，大大提高了通信網(wǎng)絡的靈活性和適應性［5］。

基于以往WIFI 技術中傳統(tǒng)的AP 接入方式和最新的WIFI direct 技術，本文設計了一種混合結構的船舶無線通信網(wǎng)絡，一方面利用了AP 接入的穩(wěn)定性，另一方面利用了WIFI direct 技術的靈活性，并通過在OPNET 中的仿真，證明了本文提出的方案可行且高效。

1 無線局域網(wǎng)技術

無線局域網(wǎng)技術是當前最為成熟、應用最為廣泛的計算機通信技術之一，其主要是為了解決陸地上較小范圍內(nèi)移動終端的互聯(lián)互通問題。當前主要使用的標準有802.11、802.16 等，前者就是我們熟知的WIFI 技術，后者為WiMAX 技術。WIFI 與WiMAX 類似，但是后者具有更好的通信帶寬和更大的覆蓋范圍，然而根據(jù)本文的實際需求，將采用WIFI 作為實現(xiàn)船舶通信網(wǎng)的技術，主要原因有如下幾點［6］:

1)通常的WIFI 熱點覆蓋范圍約在90 m 左右，傳輸速率在54 mbps，以1 艘中型船舶為例，部署2～3個熱點，就可以覆蓋整艘船舶的通信需求，因而使用WIFI 能夠滿足船舶通信網(wǎng)絡的需求;

2)與WiMAX 相比，WIFI的部署難度、部署成本、使用和維護費用，均較為低廉，且相關的技術和產(chǎn)品更加豐富和成熟，能夠提供更好的可實現(xiàn)性和穩(wěn)定性;

3)當前船舶使用的通信網(wǎng)絡多為基于802.3的以太網(wǎng)通信鏈路，WIFI 能夠與以太網(wǎng)通信網(wǎng)實現(xiàn)無縫連接，因而在部署無線網(wǎng)絡時，可以保留原先的通信網(wǎng)絡，大大節(jié)約了投資。

WIFI的網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 WIFI 網(wǎng)絡結構圖Fig.1 The structure of wifi

如圖1所示，在傳統(tǒng)802.11 標準中，移動終端通過1個接入點(Access Point，AP)接入無線網(wǎng)絡，然后AP 通過以太網(wǎng)連接骨干網(wǎng)。在陸地上，這種網(wǎng)絡結構能夠滿足相應的需求，但海洋條件較為苛刻，當在較為惡劣的天氣狀況和海況下，可能會對無線鏈路造成較大的干擾，出現(xiàn)連接斷開和通信速率下降等問題。因而，為了保證在以上情況下，各個分布式智能終端和傳感器設備的數(shù)據(jù)能夠順利傳輸?shù)街醒敕掌鳎仨毷窍嗑噍^近的節(jié)點之間能夠在沒有AP 支持的情況下，實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸。為了實現(xiàn)這一過程，本文將采用最新的WIFI direct 技術。

WIFI direct 技術是2010年由WIFI 聯(lián)盟提出的新技術，該技術旨在解決無線終端在無AP 支持下的互聯(lián)互通問題。

通過這一技術，不同的無線終端之間可以實現(xiàn)直接的點對點連接，而不需要接入同一個AP。該技術有以下優(yōu)點:

1)移動性更高:使得無線終端能夠脫離AP的束縛，實現(xiàn)無基礎設施的無線自組網(wǎng)，使得無線終端之間的通信更加自由，增加了分布式網(wǎng)絡的靈活性和自主性;

2)易用性更強:通過WIFI direct，用戶的無線設備能夠使用自動的設備發(fā)現(xiàn)和服務發(fā)現(xiàn)功能，與周邊的其他設備相連，無需額外的認證機制和接入機制，更加易于使用;

3)兼容性更好:使用WIFI direct 技術的終端可以完全兼容以往的設備，可以與AP 相連，也可以與支持802.11 協(xié)議的設備進行通信。

WIFI direct 網(wǎng)絡有2 種模式:一對多模式和一對一模式，2 種模式的結構如圖2所示。

圖2 WIFI direct的兩種模式Fig.2 The two modes of WIFI direct

第1 種模式通常用于實現(xiàn)無線終端之間的點對點通信;第2 種模式則通常用戶實現(xiàn)各種無線終端之間的服務發(fā)現(xiàn)［7-8］。WIFI direct 技術的主要不足在于其功耗較大，制約了其在無線便攜式終端上的進一步普及，然而在船舶應用場景中，無線終端和傳感器可以使用有線供電設備，因而無需考慮WIFI direct的能耗水平。

本文設計的船舶無線通信網(wǎng)絡主要由2 部分組成:中心化的AP 接入網(wǎng)和分布式的通信簇。中心化的AP 接入網(wǎng)提供能夠覆蓋全體船舶的無線通信接入網(wǎng)，無線終端通過接入AP 能夠獲得較高的通信速率;分布式通信簇是由若干終端和傳感器組成的通信集群，能夠?qū)崿F(xiàn)一個簇內(nèi)的相互通信［9］。

2 WLAN 結構設計

在本文設計的無線通信網(wǎng)絡中，由AP 接入網(wǎng)和通信簇組成。其中AP 接入網(wǎng)相當于無線網(wǎng)絡的骨干，一方面能夠與以太網(wǎng)鏈路連接，將無線網(wǎng)絡融入整個船舶的通信網(wǎng)絡;另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)通信簇與主干網(wǎng)絡的連接，使得較小范圍的通信集群能夠?qū)?shù)據(jù)和信息發(fā)送給中央處理器。通信簇的作用主要是:首先，當通信鏈路無法覆蓋所有終端時，通信簇可以作為一種冗余措施，實現(xiàn)多跳的通信方式，實現(xiàn)消息的中繼傳輸;其次，當需要在某個范圍內(nèi)收集傳感器數(shù)據(jù)時，可以實現(xiàn)在通信簇內(nèi)的區(qū)域消息傳遞。AP 接入網(wǎng)的結構如圖3所示。

圖3 AP 接入網(wǎng)結構圖Fig.3 The structure of AP access network

圖3 中，在船舶的各個位置部署有若干AP，S表示交換機或路由，AP 通過交換機或路由與以太網(wǎng)鏈路相連，與整個船舶的通信網(wǎng)絡融為一體。由于海上通信的條件較為惡劣，因此無線通信網(wǎng)絡應該具備一定的冗余措施，因而在AP 接入網(wǎng)絡設計時，應保證每一個終端至少被2個AP所覆蓋，這樣當1個AP 損壞或通信鏈路斷開的時候，仍然能夠保證數(shù)據(jù)傳輸不會中斷。

通信簇是1 組由智能終端或傳感器組成的通信集群，其可以由智能終端充當中心節(jié)點，也可以采取無線自組網(wǎng)的形式。圖4 給出2 種通信簇的網(wǎng)絡結構。

圖4所示結構在一個通信簇中，各個智能終端可以實現(xiàn)點對點的通信。通過這樣的通信方式，可以實現(xiàn)對于各種數(shù)據(jù)的預處理，然后將經(jīng)過處理過的數(shù)據(jù)傳輸給中央服務器。另一種通信簇的結構如圖5所示。

圖5所示通信簇結構主要應用于無線傳感器網(wǎng)絡中。在當代船舶中，無線傳感器已經(jīng)被大量使用，用來測量機器設備的震動、工作情況和水壓、流速、水文等水文信息。而船舶無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展一直制約著各種傳感器在船舶上的進一步使用，采用圖5所示的網(wǎng)絡結構能夠較好的解決這一問題。智能終端采用WIFI direct 與各個傳感器相連，收集數(shù)據(jù)并進行預處理，然后通過AP 將數(shù)據(jù)傳輸給以太網(wǎng)絡，并進一步發(fā)送給中央服務器。

圖5 通信簇的層級化結構Fig.5 The layered structure of communication cluster

需要注意的是，在本文設計的無線通信網(wǎng)絡中，各個通信節(jié)點應當具有一定的數(shù)據(jù)存儲能力。由于海面通信條件復雜多變，當環(huán)境較為嚴苛時，無線通信鏈路不穩(wěn)定，此時傳輸數(shù)據(jù)極易造成較高的丟包率和較大的延遲，一方面降低了通信的效果，另一方面存在數(shù)據(jù)丟失的隱患，因而為了保證無線通信的穩(wěn)定性，在通信條件惡劣時，各個通信節(jié)點應當將通信數(shù)據(jù)暫存，等待合適的時間再將數(shù)據(jù)發(fā)送;當有實時數(shù)據(jù)，如報警信息、導航信息等，需要發(fā)送時，可通過多跳發(fā)送來實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

3 通信網(wǎng)絡實現(xiàn)機制

通過上文的研究和描述，可將AP、智能終端、傳感器等靈活組網(wǎng)，實現(xiàn)靈活可靠的無線通信網(wǎng)絡。在本節(jié)中，將重點討論該組網(wǎng)過程如何實現(xiàn)。在本文設計的無線網(wǎng)絡中，組網(wǎng)的過程主要有掃描和同步2個步驟。

掃描是發(fā)現(xiàn)通信簇和AP的過程，通過掃描能夠使得智能終端或傳感器發(fā)現(xiàn)可用的AP 或通信簇，將該終端與網(wǎng)絡相連;同步過程是形成通信簇的過程，通過同步過程，通信簇中的各個節(jié)點均能夠保持同步的發(fā)送和接收頻率，使得在該通信簇中的節(jié)點一方面能夠減少對于無線信道的競爭和碰撞，另一方面能夠有效編排各個節(jié)點的收發(fā)順序，有效節(jié)省能量的消耗。本文設計的方法不需要對WIFI 使用的基礎設施進行改進，只需要在協(xié)議層面進行更新即可，有著較小的部署成本。

3.1 網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)機制

當一個移動節(jié)點剛剛被部署時，其需要掃描周邊的網(wǎng)絡以加入某個通信簇，并與AP 相連。傳統(tǒng)的方式下，掃描網(wǎng)絡要么需要不間斷的連續(xù)掃描，耗電量較大;要么采取一定的掃描間隔，可能會導致遺漏某些網(wǎng)絡的信息。尤其在海上通信環(huán)境中，需要一個更加節(jié)能高效的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)機制。

在本文提出的方法中，采用AP 作為同步信號源，在通信簇內(nèi)，各個節(jié)點通過AP的信號頻率實現(xiàn)“sleep-wake”狀態(tài)的同步，而AP的beacon 信號頻率要高于“sleep-wake”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換頻率，因而通過在beacon 中設置n 比特位，指示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時隙，從而實現(xiàn)高效的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)，機制的示意圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)機制Fig.6 The mechanism of network discovery

3.2 網(wǎng)絡同步機制

在海上通信環(huán)境中，由于通信條件復雜多變，始終保持對信道的監(jiān)聽狀態(tài)，可能在某些時段內(nèi)根本無法接收到有效的信息，同時耗費較多的能量，因此，本文設計了一種網(wǎng)絡同步機制，使得通信簇內(nèi)的各個網(wǎng)絡節(jié)點能夠按照一定的“sleep-wake”狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)。在sleep 狀態(tài)下，通信節(jié)點靜默，在wake 狀態(tài)下，通信節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，同步機制如圖7所示。

當一個節(jié)點無法發(fā)現(xiàn)其他通信簇時，其自身形成一個通信簇，并設定該簇內(nèi)的“sleep-wake”狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率，通過廣播向所在AP 范圍內(nèi)發(fā)送通知幀，當一個節(jié)點掃描到該簇時，則通過偵聽通知幀，獲得狀態(tài)轉(zhuǎn)換的頻率和時隙，并根據(jù)這些信息實現(xiàn)與通信簇內(nèi)其他節(jié)點的同步。

圖7 網(wǎng)絡同步機制Fig.7 The mechanism of network synchronization

4 試驗驗證

根據(jù)本文設計的無線通信網(wǎng)絡，在OPNET 平臺上進行仿真，對AP 接入網(wǎng)和通信簇進行了模擬，驗證了海上通信環(huán)境中，本文提出的方法具有較高的吞吐率和較低的丟包率。

如圖8所示，整個網(wǎng)絡有4個通信簇，其通過AP 相連，可以實現(xiàn)點對點的通信，也可以實現(xiàn)多跳的數(shù)據(jù)中繼以及連接AP 進行通信。通過對多種通信方式的試驗驗證，網(wǎng)絡的整體吞吐率和丟包率如圖9所示。通信網(wǎng)絡的吞吐率能夠達到6 Mbps，而丟包率較小，能夠滿足船舶通信的相應需求。

圖8 仿真拓撲圖Fig.8 The topology of simulation

5 結 語

圖9 仿真結果圖Fig.9 The result of the simulation

隨著無線智能終端和傳感器設備的大量使用，船舶對無線通信手段的需求大大提高。針對這一需求，本文設計了一種基于WIFI和WIFI direct 技術的混合無線通信網(wǎng)絡，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的AP 接入和點對點通信，具有較好的靈活性和易用性，并在OPNET 平臺上進行仿真，證明了本文提出方案具有較好的性能，能夠滿足海上船舶通信的需求。

［1］VxworkS Programmer′s Guide［Z］.WindRiver System，Inc.U.S.A:WRS，1998.

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