基于AIS的海上无线数据通信网络研究与仿真

刘 旭

(重庆电子工程职业学院，重庆401331)

0 引 言

海上船舶间通信主要有卫星通信和中频及甚高频通信2 种方式。卫星通信具有可靠性高、通信距离长的优点，然而卫星通信终端设备价格和通信费用较为昂贵，难以在船舶上得到广泛使用;中频及甚高频通信具有较好的通信距离同时使用成本低廉，是目前常用的通信手段之一。然而这种通信方式传输速率较低，同时容易受到干扰，越来越难以满足当今船舶通信的需求。针对以上问题，部分学者提出了使用无线自组网实现船舶间通信的解决方案，其使用802.11s实现网状网并解决无线自组网的寻路问题，然而802.11s 提出的Mesh WLAN 针对的是陆上移动应用环境，其寻路算法难以在海上得到应用［1－4］。综上所述，当前的船舶间通信仍然难以实现较高速率的数据通信。为了克服以上困难，本文提出一种基于AIS 的海上无线数据通信网络，该网络既拥有组网灵活、通信速率高等特点，又借助AIS 提供的船舶标识和认证功能，实现了较为简单和有效的位置发现及通信路由功能，解决了海上无线自组网的有效寻路问题，同时也为海上船舶间通信提供了一种廉价、高速的通信手段。

1 背景知识介绍

海上无线自组网 (VANET)是移动自组网(MANET)在海上船舶间通信的应用。当前的主要研究方向在于使用802.11s 协议，构建海上Mesh WLAN 实现船舶间的高效能通信。相较于当前普遍使用的甚高频通信、调频通信和中频通信等通信方式，VANET 具有组网灵活，对拓扑不敏感等优点，因而受到学者的青睐。802.11s 具有2 种路由协议即按需路由和树状路由。其中按需路由类似于移动自组网路由协议，通过源节点的广播请求和各个节点的应答，建立一条唯一的通信通路。然而，在海面通信中，船舶间隔距离较远，通过广播方式进行路由发现可靠性和效率较低，难以实用。而树状路由首先选出一个节点作为根节点，各节点维护与根节点的路由，进而形成各自之间的路由。但在海面通信中，没有像地面基站那样相对固定的根节点，因而这样的组网方式和路由协议并不可靠和实用。综上所述，针对地面的Mesh WLAN 技术难以适应海面的通信环境。

船舶自动识别系统(AIS)是一种集合了网络技术、通信技术、计算机技术等的一体化助航设备。该系统能够获取近海海域中船舶的名称、位置、航向、速度等信息，一方面能够给船舶以唯一的标识，另一方面能够维护一个全局的船舶视图，以供船舶交通管理系统(VTS)或其他系统使用［5－6］。

本文针对VANET 中存在的问题，以及AIS 所具备的优势，提出一种新型的基于AIS 的海上无线数据通信网络。该网络一方面能够实现灵活的组网和拓扑无关性，另一方面能够利用AIS 所提供的船舶信息，实现更加有效、精确的位置服务和寻路功能，克服了VANET 中路由协议的不足。网络的整体框架如图1 所示。

在船舶加入网络时，首先通过AIS 向最近的AIS 基站发送自身的信息，全体船舶的AIS 信息存储于AIS 服务器中。在本文提出的基于AIS 的无线网络中，各个船舶可以向AIS 基站发送请求，获得自身的位置信息，以及向周边船舶发送信息，获得邻居船舶的信息，通过AIS 和邻居船舶等多个方面确定自身所处的位置以及呼叫对象所处的位置。当船舶A 希望和船舶C 通信时，首先通过多维位置发现服务，获得船舶C 所处的位置，然后根据路由算法获得到达目的船舶的通信路径。

图1 网络整体框架图Fig.1 Architecture of wireless network

2 多维位置发现服务

在AIS 中，船舶通报自身位置，AIS 服务器了解全体船舶的各个位置，而船舶本身并不了解自身在整个船舶通信网络之中的位置，以及呼叫对象在通信网络之中的位置。本文提出一种多维位置发现服务，通过该服务船舶不仅能够了解自身的绝对位置，同时能够通过维护邻居表和路由表，获取自身在通信网络中的相对位置，进而各个船舶可以通过自身的邻居表和路由表构建整个通信网络的整体视图，相较于传统的AIS 位置服务，具备更多的位置衡量维度，因而称为多维度位置发现服务。

AIS 定义了27 种消息类型［7］，本文将继续沿用以上消息类型，同时引入3 种新的消息类型:1)邻居建立请求及应答消息:NB_ req/ NB_ rep;2)对象信息请求及应答消息:NI_ req/NI_ rep;3)邻居信息请求及应答消息:NC_ req/NC_ rep。其中NB_ req、NB_ rep、NI_ req、NC_ req 的格式较为简单，包含信息量较少，因而在此主要介绍NI_ rep及NC_ rep 的消息格式。

NI_ rep 的消息格式如图2 所示。

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

NI_ rep 消息返回的是对象船舶的具体信息，包含了对象船舶的源海上移动识别码(SMMSI)、自身船舶的目的海上移动识别码(DMMSI)及对象船舶的经纬度、速度、航向等信息。可将对象船舶的MMSI 加入邻居表中。

NC_ rep 的消息格式如图3 所示。

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

NC_ rep 消息返回的是对象的邻居船舶信息，其包含源/目的海上移动识别码(SMMSI/DMMSI)及邻居海上移动识别码(NMMSI)。

在建立邻居关系的过程中，首先自身船舶向周边船舶发送广播NB_ req 消息，周边船舶若接收到，并允许建立邻居关系，则发送应答NB_ rep;自身船舶根据NB_ rep 消息中提供的MMSI，向AIS BS 发送NI_ req，AIS BS 通过查询服务器并计算后，向自身船舶发送NI_ rep 消息，其中包含了周边船舶的位置、速度等信息，自身船舶将这些信息添加入邻居关系表，通过邻居关系表，则船舶能够了解自身所处的位置，以及在全体船舶之中的位置。若自身船舶需要获得某个邻居船舶信息则发送NC_ req，同时接受NC_ rep 来获取相应的信息。通过以上关系，不同船舶之间可以通过自身的邻居关系建立连接关系。

邻居表及路由表的更新算法如图4 所示。

图4 更新算法流程图Fig.4 Flow chart of the refresh algorithm

3 基于AIS 的路由协议

第2 节中介绍的多维位置发现服务，每个节点均维护了1 张邻居关系表和路由表，这些邻居船舶可以直接进行通信。当需要与较远距离的目标进行通信时，则需要相应的路由协议确定在VANET 中的通信路径。

首先定义路由协议中需要的消息格式:1)目的位置请求消息:DL_ req;2)目的位置应答消息DL_ rep;

路由协议流程如图5 所示。

图5 路由协议流程图Fig.5 Flow chart of routing algorithm

路由协议工作的步骤如下:

1)首先船舶A 根据自己的路由表，通过BS 向自己的邻居发送DL_ req 消息，邻居收到消息之后，向BS 发送应答DL_ rep，返回自身的邻居表;

2)船舶A 根据DL_ rep 更新自己的路由表和路由表，并向新添加的邻居发送DL_ req 消息，并检查DL_ rep 中是否有目的船舶的信息;

3)若船舶A 的路由表和邻居表中新添加了目的船舶，那么寻路结束，根据路由表建立通往船舶通信路径;若没有则重复2)，直到路由表和邻居表中没有新的元素被添加。

在路由协议中，接收消息DL_ rep 与第2 节中介绍的消息格式类似，其格式如图6 所示。

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

其中OMMSI 为呼叫对象的MMSI，NeMMSI 为对象船舶路由表中的下一跳船舶的MMSI。通过第2节中的邻居表和路由表更新，可以建立较为充分的“目的——下一跳”表项，为本节的路由协议提供基础。

4 系统实现与仿真

系统节点的实现如图7 所示。

图7 系统实现结构图Fig.7 Implementation structure of system

其中外部计算模块使用的是利用C + +编写的程序代码，模拟船舶中网络节点的路由计算及消息处理。外部I/O 模块，负责显示当前的网络节点状态和工作过程。在模拟节点中，每个AIS 发送/接收终端与外部计算模块相连，计算模块模拟了路由协议在节点中的工作过程，演示了上文提到的几种重要消息类型。

最后使用NS2 对本文提出的网络进行了仿真，仿真环境为X86 架构计算机，Core i3 四核处理器，4G 内存，Win 7 (64 位)操作系统。

在NS2 中的仿真图如图8 所示，其中①～⑦为模拟船舶节点，其内部结构如图7 所示，⑧～⑨为模拟AIS BS。仿真过程中实现的是，⑥之间的通信过程⑦，在初始状态下，⑥和⑦不是邻居关系，图8 显示的是不同节点发送消息的状态。

图8 NS2 网络仿真图Fig.8 Simulation in NS2 of network

通过路由协议的工作，最终⑥和⑦实现了有效的通信，最终显示的消息在NS2 中如图9 所示所示。

5 结 语

本文针对VANET 在实际应用过程中所暴露出的不足，提出了一种基于AIS 的海上无线数据通信网络，给出了网络的整体框架，并对多维位置发现服务以及基于AIS 的路由协议进行了深入研究，定义了需要的消息格式，并设计了相应的算法，使得网络能够在AIS 的帮助下，实现在无线自组网内的路由和有效通信。最后，本文给出了系统的简单实现，并在NS2 中给出了整个网络工作过程的仿真过程，证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－hoc 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］．