基于甚高頻數據交換系統的船舶編隊通信網絡最優路由方案

胡 青， 賈會建, 李金源

(1.大連海事大學信息科學技術學院， 大連 116026； 2.船舶導航系統國家工程研究中心， 大連 116026)

在e-航海戰略快速實施發展的背景下，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)又提出了海面自主航行船舶概念。為滿足這一背景下船-船之間高速數據通信需求，國際航海業界提出了第三代海上通信系統——甚高頻數據交換系統(VHF data exchange system, VDES)概念[1]。VDES基于自組織聯網技術，可不通過特定中繼節點即可實現船船之間的高速數據交換，特別適用于船舶編隊通信聯網場景。為此，針對船舶編隊移動模型特征，研究基于VDES的船舶編隊聯網通信路由技術具有重要的意義。

VDES作為船舶自動識別系統(automatic identification system，AIS)的下一代海上數字通信系統，在AIS基礎上增加了專用報文(application special message, ASM)和VHF數據交換(VHF data exchange, VDE)業務[2]。其中ASM主要用于傳輸水文，氣象等安全信息，VDE是VDES實現高速數據傳輸的基礎。國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)在2015年發布了VDES技術建議書ITU-R M.2092，隨后國際航標協會(The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA)在2092建議書基礎上又公布了VDES技術規范G1139，經過不斷的補充和完善，VDES所應用的技術已趨成熟，計劃將在2021年左右發布正式版VDES技術國際標準，這將促進VDES的快速發展，為研究基于VDES的船舶編隊通信聯網奠定了技術基礎。

基于VDES的船舶編隊聯網研究主要包括船舶編隊移動模型和船舶編隊移動自組網通信路由協議兩部分。目前中外多位學者研究了物體移動模型，部分學者深入研究了移動體編隊通信網絡系統。

在物體移動模型領域，Liu等[3]通過分析人體運動特征，設計一種符合人體真實運動特征的人體高斯馬爾科夫移動模型；陳賀婉等[4]將攜帶各種移動設備的人和交通工具抽象為網絡中的節點，同時利用節點間的移動規律，設計一種新的基于社區的移動模型；馬昱音等[5]利用反演法，設計了全局坐標系下的分布式控制策略，實現了無人機群的期望運動。孫為康等[6]考慮了風浪流的干擾和作用力，建立了多輸入海況下的船舶運動模型。

在編隊通信網絡路由協議研究方面，Toorchi等[7]針對無人機編隊網絡的動態性問題，提出了一種低成本、自適應的基于骨架的群路由協議；徐婷婷[8]在OLSR(optimized link state routing)路由協議基礎上增加了鏈路感知，參數自適應以及組網路由的功能，提高帶寬利用率和無人機編隊作戰效能。吳建澤[9]針對無人機集群網絡的特性，為了減少網絡中的路由開銷，設計了一種基于AODV(Ad Hoc on-demand distance vector)的分級路由協議ENC-AODV。Cheriguene等[10]針對群體拓撲的高度動態性問題，提出了一種適用于成群飛行的無人機的Swarm節能多播路由協議。

綜上所述，近年來，盡管中外在物體移動模型和移動體編隊通信聯網路由協議方面都進行了大量研究，但并沒有針對船舶編隊移動特征的研究，同時，也未見將海上新型通信網絡VDES應用于船舶編隊通信聯網中的路由協議研究。為此，首先研究并提出一種基于海上船舶編隊移動特征的群組移動模型，以此為基礎，結合VDES新型通信網絡特征，在仿真分析VDES網絡下多種常見路由協議性能基礎上，進一步給出基于VDES的船舶編隊通信網絡最優路由方案。

1 船舶編隊移動模型研究

編隊網絡是現實中常用的一種網絡組織模式，包括無人機編隊、坦克編隊、船舶編隊等。根據船舶編隊的特點，其通信網絡需要滿足全編隊覆蓋、低延時、網絡拓撲自組織變化等特征，并具有抗毀性特點。為研究編隊網絡高效聯網通信性能，首先需要研究編隊移動特征，以此為基礎設計更為高效的編隊通信網絡系統。

1.1 船舶編隊移動模型

船舶編隊在海上移動時，通常是由一條母船和幾條跟隨船組成，移動的方向和速度大致相同，這與參考點組移動模型的移動特性相吻合，參考點組移動模型雖然考慮到了群組移動性，但群組的群首節點的移動是隨機的，存在急停急轉的情況，在真實環境下，群組移動的速度和方向前后存在著影響，因此根據船舶的理論知識和船舶編隊的移動特點，結合參考點組移動模型，設計了一種符合船舶編隊的群組移動模型(formation reference point group mobility model, FRPGM)。

1.2 FRPGM模型描述

在FRPGM模型中，每個群組都有一個邏輯中心節點，整個群組的運動情況和這個中心節點息息相關，移動節點都分布在邏輯中心的周圍，邏輯中心的移動方式決定了整個群組的移動方式，包括運動速度、方向、加速度等。根據船舶的運動特征，中心點采用一種可以平滑移動的高斯馬爾科夫移動模型，設計了可以實現變速，轉向，能夠真實反映現實中船舶編隊運動情況的組移動模型FRPGM。該模型具備船舶集群式的運動規律；船舶當前時刻的運動與上一時刻運動相關，不存在速度與方向的突變；并且加入了變速操作，符合船舶從離港開始逐漸加速至理想速度的運動狀態；轉向時考慮到了船舶在海上平滑轉向的特征。加入這些船舶編隊的運動特征后，使該模型成為了更加符合船舶編隊的群組移動模型。

在FRPGM模型中，群首節點和成員節點在時刻t的運動速度和運動角度相對關系為

(1)

(2)

式中：Vlea(t)、θlea(t)分別為t時刻群首節點的運動速度和運動角度；Vmem(t)、θmem(t)分別為t時刻成員節點的運動速度和運動角度；RSD為速度偏移率，RAD為角度偏移率，RSD,RAD∈[0,1]，用來描述群組成員節點與群首節點的偏移程度；?表示節點當前速率和方向與前一時刻的相關性，取值范圍為[0,1]，?越大，相關性越強;Smax為最大移動速度，Amax為最大移動角度。

1.2.1 FRPGM模型下船舶編隊勻加速移動特征分析

勻加速階段是指船舶編隊離港開始按照從0加速到理想速度，處于勻加速直線運動狀態。考慮到可能存在的外在因素，模型加入了一定的隨機擾動。

群首節點速度及方向的更新公式為

Vt+1=Vt+adt+Vn

(3)

(4)

位置坐標更新公式為

xt+1=xt+(1/2)acos(θt+1)dt2

(5)

yt+1=yt+(1/2)asin(θt+1)dt2

(6)

式中：Vt+1為t+1時刻的速度；Vt為t時刻速度；a代表節點的加速度；dt2為更新時間間隔；Vn、θn服從正態分布，分別表示節點速度及方向的擾動范圍；θt、θt+1分別為t與t+1時刻的運動方向；xt+1、yt+1分別表示t+1時刻的橫縱坐標信息,xt、yt分別表示t時刻的橫縱坐標信息。

1.2.2 FRPGM模型下船舶編隊勻速移動特征分析

勻速階段是指船舶編隊加速到理想速度后由加速階段轉為勻速行駛階段。

群首節點速度及方向更新公式為

(7)

(8)

位置坐標更新公式為

xt+1=xt+Vt+1cos(θt+1)dt

(9)

yt+1=yt+Vt+1sin(θt+1)dt

(10)

1.2.3 FRPGM模型下船舶編隊轉向移動特征分析

轉向階段是指處于勻速直線航行狀態的節點開始轉向的過程。轉向過程中，轉向半徑近似等于進距與滯距之差，滯距為船長的1～2倍，進距近似為船長的2～8倍，由此可推出轉向半徑與船長的關系

R=nLboat

(11)

時間及角度更新公式為

t=ΔθR/Vt+1

(12)

(13)

回旋中心計算公式為

xr=x-Rsinθt

(14)

yr=y+Rcosθt

(15)

位置坐標更新公式為

x=xr+Rcos(θt+1+Δθ)

(16)

y=yr+Rsin(θt+1+Δθ)

(17)

式中：R為船舶節點的轉向半徑；n為轉向半徑和船長Lboat的關聯參數；Lboat為船長；xr、yr分別表示回旋中心的橫縱坐標；x、y表示節點當前位置的橫縱坐標；Δθ為節點更新坐標的角度偏移量；t為轉向階段中節點更新的時間間隔。

2 基于VDES的船舶編隊通信網絡的路由協議性能分析

2.1 VDES通信組網特征

為了選擇出最優的路由方案，需要設置一個真實具體的船舶編隊通信網絡場景。網絡仿真是基于VDES下進行的，VDES中的MAC協議為時分多址接入(time division multiple access, TDMA)方式，為了確保接入協議和數據傳輸的穩定性，對時隙進行了詳細的劃分，一幀的長度為1 min，劃分為2 250個時隙，每個時隙為22.67 ms，并且引入了TDMA信道和TDMA幀的概念，VDES-TER中總共有6個TDMA信道，每個TDMA信道又被劃分為TDMA幀，編號為0～24，每個TDMA幀包含15個時隙，TDMA幀結構在時隙的使用上采用時間交錯模式，在時間上是非連續的[11]，如圖1所示。

圖1 TDMA幀層次結構Fig.1 TDMA hierarchy

設計仿真場景時，數據傳輸速率和數據包的大小均為VDES的通信標準，設置的傳輸速率為307.2 kB/s，數據包的大小為672字節。MAC協議采用NS2仿真平臺的CSMA/CD協議，也為時分復用，VDES的TDMA把時隙劃分得更加精確，當節點過多時，可以有效地減少數據沖突和報文傳輸等待時間，因為一般船舶編隊的數目為10～30條船，本文設置的為15個節點，所以這兩種接入方式對性能的影響較小，因此采用了CSMA/CD協議作為VDES下編隊網絡的MAC協議。

主要考慮不同節點速度下路由協議的性能，在NS2仿真平臺中將仿真環境按比例縮小為4 000×4 000，編隊數量設置為15，考慮到船舶編隊隨著移動速度的增大，網絡拓撲結構改變頻繁的情況，通過在同一場景下改變節點的移動速度來達到不同仿真場景設計的要求，節點移動最大速度分別設置為0、10、20、30、40、50 m/s，仿真時間為200 s，分組發送率為每秒2個數據包。實驗參數盡可能地接近了具體的船舶編隊通信網絡場景，如表1所示。

表1 模擬場景仿真參數表

2.2 移動自組網路由協議

目前常用的移動自組織通信網絡的路由協議主要包括DSDV協議、DSR協議和AODV協議。DSDV路由協議中節點實時性的維護整個網絡的路由信息，比較適合對實時性要求較高的網絡，但是節點頻繁的交換拓撲更新的消息，維護路由信息的代價較高，產生很大的路由開銷，不適合拓撲變化頻繁的網絡[12-13]。DSR協議比較適合于對實時性要求不高，拓撲穩定的網絡[14]。AODV協議具有一定的路由修復能力，可以及時修復受損的鏈路，并且在車聯網和無人機編隊自組網中應用廣泛，這也證實了AODV比較適合這種拓撲結構經常變化的網絡[15]。3種路由協議整體的性能對比如表2所示。

表2 協議性能對比

綜上可知，根據船舶編隊的實際應用場景，AODV協議是基于VDES的船舶編隊通信網絡最優的路由方案。

3 基于VDES的船舶編隊通信網絡的路由協議性能仿真分析

利用NS2仿真平臺對基于VDES的船舶編隊通信網絡環境下AODV、DSR、DSDV 3種路由協議進行仿真分析，該網絡一方面對數據傳輸的實時性要求較高，另一方面由于VDES帶寬有限，在保證數據傳輸可靠性的同時要盡可能地降低路由開銷，避免信道擁塞，因此主要針對時延性，路由開銷和分組投遞率3種性能進行比較。

3.1 基于VDES的船舶編隊通信網絡路由時延性分析

路由時延即從源節點發送一個分組到目的節點接收分組所用的時間，主要是建立路由和轉發數據所占用的時間，用來衡量編隊網絡數據傳輸的實時性，端到端時延越小，網絡越通暢。端到端平均時延計算公式為

D(i)=Tr(i)-Ts(i)

(18)

(19)

圖2 端到端平均時延對比Fig.2 Comparative of end-to-end mean time delay

圖2中顯示了3種路由協議在不同移動速度下的端到端時延性能，由于節點較少，所以時延性隨移動速度變化不大，并且存在上下波動，總體來看，DSR的時延性是最差的，最大時可以達到AODV的兩倍，平均時延為0.5 s左右；DSDV的時延性最好，平均時延為0.2 s左右，這是因為DSDV路由中節點周期性的維護自身的路由表，當需要建立路由時，可以很快查找到路徑，而AODV時延性僅次于DSDV，平均時延為0.3 s左右。

3.2 基于VDES的船舶編隊通信網絡路由開銷分析

路由開銷(normalized routing load，NRL)是指網絡中所有節點發送的路由控制分組數，目與節點接收到的數據報文數目之比，它反映了網絡的擁塞程度，協議開銷越大，擁塞的概率就越大。路由開銷計算公式為

(20)

式(20)中：NRP為網絡節點接收的數據分組數目；NRC表示節點發送的路由控制分組數目。分析結果如圖3所示。

圖3 路由開銷對比Fig.3 Comparison of normalized routing overhead

圖3中顯示的是3種路由協議在不同移動速度下的路由開銷。由圖3可知，隨著移動速度的增大，路由開銷總體是升高的趨勢，當移動速度大于30時，由于拓撲結構改變得更快，各協議的路由開銷顯著增加，其中DSDV路由協議增大更快，這是因為DSDV協議中節點需要周期性的更新鏈路信息，這極大地增加了很多額外的路由控制分組，時延性較小的同時，帶來了很大的路由開銷，開銷最大達到了45，而AODV協議即使當節點移動速度很大，拓撲變化較快的情況下，仍保持較低的路由開銷，最高也不超過35。

3.3 基于VDES的船舶編隊通信網絡路由分組投遞率分析

分組投遞率(packet delivery fraction，PDF)是指在一段時間內接收到的分組占傳輸總數量的比例。分組投遞率反映出了路由協議傳輸數據時的可靠性，分組投遞率越高，可靠性越好，數據傳輸的完整性和準確性就越好。分組投遞率計算公式為

(21)

式(21)中：NRF表示節點接收到的分組數目；NSP表示節點發送的分組數目。分析結果如圖4所示。

圖4 分組投遞率對比Fig.4 Comparative of packet delivery rate

圖4中為AODV、DSDV、DSR 3種路由協議在不同場景下的分組投遞率。由圖4可知，隨著移動速度的不斷增大，分組投遞率總體是下降趨勢，尤其當速度大于30 m/s，分組投遞率急劇下降，這是因為拓撲結構改變較快時，鏈路容易發生斷裂，鏈路未能及時更新所導致。

在海上通信中，由于VDES通信速率的限制以及當移動速度增大導致網絡拓撲結構的易變性，3種路由協議的分組投遞率都有一定的影響。從仿真可以看出，隨著船舶移動速度的增大，3種路由協議中AODV的性能最好，這是因為當鏈路斷裂時，AODV能依據一定的修復手段對鏈路進行及時的修復。其次是DSR，而DSDV協議的性能明顯低于其他協議。

4 結論

綜上研究可知，基于VDES的船舶編隊通信網絡路由技術研究對端到端時延，歸一化路由開銷，分組投遞率3項性能進行分析如表3所示。

表3 路由協議總體性能分析

由此AODV路由協議較低的時延性，滿足了基于VDES的船舶編隊網絡實時性的要求，較低的路由開銷可以適應海上通信中VDES的低帶寬特性，較高的分組投遞率也適應編隊網絡拓撲結構變化頻繁，易發生鏈路斷裂的特性，所以AODV協議可以作為VDES下船舶編隊通信網絡的最優路由方案。