基于WiMAX网状网络的海上通信系统构建与应用

朱 佳

(山东商业职业技术学院，山东 济南250103)

0 引 言

随着各种海上服务和应用的发展，船舶间和船岸间的高速数据通信需求不断增长。然而，由于海洋自然环境条件的限制，当前基于地面的通信网络，如3G/4G 蜂窝通信网、802. 11 Wifi 网络等，难以应用于海上通信。对于传统的通信网络来说，在海面之上很难部署一个稳定的基站和大范围的光纤网络，提供稳定的通信服务。另外，海上通信的距离较长，传统的通信方式很难在覆盖较大范围的同时，做到较高的通信速率。而采用卫星通信则需要高昂的成本，难以进行大规模的应用。在当前的研究成果中，提出了一种利用Ad hoc 网络实现船舶间通信的方法，这种方法具有较好的灵活性和移动性，同时其实现和维护的成本较低，能够在一定程度上满足海上通信的需求，然而由于无线信道的特性，Ad hoc 的信号强度难以适应长距离的无线传输，因而仅仅能够应用于舰队通信。对于船岸间的通信，当前采用的主流方法则是采用传统的蜂窝通信网。随着3G/4G 的发展，已经能够做到信号完全覆盖沿海区域，其实现难度较低，同时通信带宽较为充足，能够满足近海的船岸通信需求。传统的蜂窝通信覆盖范围有限，当船舶远离海岸时，要实现船岸通信，仍然需要昂贵的卫星通信方式。

本文提出一种基于WiMAX 网状网络的海上通信系统，其融合WiMAX 网状网“中心式”和“分布式”2 种工作模式，实现多跳、长距离的船舶间和船岸间通信，并设计相应的带宽分配机制，保证高速数据通信的带宽需求。

1 基于WiMAX 的网状网络

无线网状网络(WMN)［1］是近年来的研究热点，其被认为是下一代无线通信网络的关键技术之一。无线网状网络由Ad hoc 网络发展而来，与无线自组网类似，网状网络具有良好的伸缩性和可实现性。然而其与Ad hoc 网络的不同之处在于网状网络适用于对移动性要求不高的场景，其终端节点通常是静止的或缓慢移动的，拓扑变化并不剧烈。同时，相较于Ad hoc 和其他无线通信网其具有频谱效率高、覆盖范围广、可扩展性强和可靠性强等优点，而且其在保证通信效率的前提下能够支持较多的用户数量，适用于城域网的组建。如今多个国际组织正致力于开发无线网状网络的国际标准，如IEEE 802.16，802.15 和802.11。

IEEE 802.16 标准，亦称为WiMAX 是最近兴起的一种无线网络技术，其应用了OFDMA，MIMO 等先进技术，具备通信速率高、覆盖范围广、业务种类丰富等特点，并且其支持网状网络的组建，是无线网状网络的主要实现技术之一。WiMAX 有2 种工作模式:一种是传统的“中心式”模式，另一种是类似于Ad hoc 的“分布式”模式。

在中心式工作模式中，采用中心化的网络基站作为接入点，采用一对多的形式提供无线接入服务;另一种是网状网，通过多个支持WiMAX 的终端，自组织成一个对等的网络，实现网络内的通信。第一种工作方式主要应用于无线网络骨干网的建设［2］，可以通过基站与光纤网等骨干网相连，实现较大范围的无线城域网或局域网，与传统的蜂窝网络和802.11 网络类似，其移动性较弱，需要一个中心化的基站支持通信过程。

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

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

而第2 种工作方式，则类似于Ad hoc 网络，每个网络节点既能够充当Mesh 路由器，也能够充当Mesh 终端，因而能够实现多跳的数据传输和网状网络的组网，适用于无线接入网的建设［3］。2 种工作模式各有特点，适用于不同的应用场景。

由于通信信道条件较差，在海面长距离传输中需要通过带宽分配和补偿机制来确保信号的衰减不会影响通信的质量，因此在本文提出的基于WiMAX网状网络的海上通信系统中，采用了基于多信道的WiMAX 技术［4］，并设计了相应的信道带宽分配机制。

2 基于WiMAX 网状网络的海上通信

在海上通信环境中，船舶之间相对的位置变化并不明显，因而无线网络的拓扑变化并不剧烈，因而基于WiMAX 的网状网络能够较好适应海上通信环境。与地面通信不同，海上通信有船舶间通信和船岸间通信2 种需求，单一的WiMAX 网状网络工作模式难以满足实际的需求，因而本文将2 种工作模式混合，设计了一种混合式的网络框架，以适应船舶间和船岸间通信的不同需求。

提出的通信系统框架如图3 所示，在海岸上有若干Mesh 路由器与骨干网相连，通过这些路由器，网状网络的节点可以访问骨干通信网。在近海船岸通信过程中，采用WiMAX 的中心式工作模式，船舶设备充当Mesh 终端访问岸基Mesh 路由实现数据传输;在远海船岸通信过程中，远海船舶设备充当Mesh 终端，通过Mesh 网络的多跳过程，实现对于岸基Mesh 路由的访问。而海上的船舶间通信，则采用分布式的工作模式，每个船舶设备既是Mesh 路由，又是Mesh 终端，既可以作为接入点提供服务，也可以作为路由实现数据的传递，还能够作为用户终端访问网络数据。这种网络结构的优势在于:

1)采用中心式的方法实现船岸通信，增加了通信过程的可靠性;

2)采用分布式的方法实现船舶间通信，可以实现多跳无线网络，增加了网络的灵活性，同时有利于保证数据传输的带宽;

3)与以往船舶间、船岸间通信分别采用不同的通信技术手段不同，该网络均采用WiMAX 技术，避免了用户在不同网络中的切换和融合问题。

图3 基于WiMAX 网状网络海上通信网络Fig.3 Maritime communication network based on WiMAX mesh network

3 多信道带宽分配算法

3.1 信道划分

WiMAX 是基于 OFDMA 的通信技术，在OFDMA 中可以实现多载波调制，可以将不同的子载波分配给不同的用户使用，从而实现多个信道的并行传输，提高了信道利用率。在基于WiMAX 的网状网络中，存在3 种不同的控制报文:MSH -NENT，MSH-NCFG 和MSH -DSCH。其中MSH -NENT 负责指示终端加入网络，MSH -NCFG 负责网络的配置管理，MSH -DSCH 负责控制数据包的传输过程。此外，还有一些重要的网络管理协议如路由协议、安全认证协议等。这些协议报文的特点是:报文长度较短，对带宽要求不高但对于信道的可靠性要求较高。对于这类报文，我们将划分出逻辑信道0，专门用于传输网络控制和管理协议。将其他的逻辑信道用来传输实际的数据。

WiMAX 网状网络的帧结构由控制子帧和数据子帧组成。每个控制子帧被划分为若干个定长的(MSH-CRTL-LEN)控制分片。在每个时隙中，可以发送控制子帧的分片或PDU。在WiMAX 中存在2 种控制子帧:网络控制和传输控制子帧。其中MSH -NENT 和MSH-NCFG 的PDU 用网络控制子帧进行传递，而MSH-DSCH 的PDU 用传输子帧传递。

这些控制和管理报文决定了网络能否正常工作，任何Mesh 路由或终端均应该可靠地接收这些报文，因而所有的Mesh 节点均应该在信道0 处进行监听，确保能够接收到所有的控制报文。

3.2 带宽分配

一个带宽的分配由一个多元组标记:＜帧偏移，时隙偏移，时隙空间，持续时间，逻辑信道编号＞。其中帧偏移和时隙偏移指示的是从何时开始传输我所需要的帧，也就是决定了带宽分配开始的时间;时隙空间指的是传输一个帧，最低需要多少个时隙;持续时间是指带宽的分配需要持续多长时间;逻辑信道编号则指示的是实现带宽分配所在的逻辑信道。通过这个多元组，Mesh 网络的节点以及其下一跳的邻居，能够知道在哪个信道，从何时开始，预留多长时间的带宽。在实现带宽分配时，WiMAX 采用的是3 次握手协议，通过请求、允许和允许确认3 种报文实现，这3 种报文均由MSH-DSCH 消息传递。

需要注意的是，对于每一个子信道来说，其无法同时发送和接收消息，因而当一个Mesh 节点收到一个带宽请求时，应答确保其要求的子信道应当在所要求的若干个连续的时隙内是空闲的或准备接收的。

3.3 带宽分配算法

在实际通信过程中，除了信道0 之外，可能有若干个信道能够满足通信双方对于带宽的要求，如果随机地选取通信使用的信道，则可能会造成某些信道空闲时间太长，信道利用率下降。

在本文中，将采用空闲最久信道优先的原则选取通信的信道，同时综合考虑子信道的负载情况，使得各个子信道被充分利用。

令Bi为第i 个子信道的传输速率，D 为需要发送的数据，则其在信道i 上的持续时间为ti:

则定义子信道的负载函数为:

令Ti为信道i 到带宽预留开始时刻时的空闲时间，则通过空闲时间和负载函数，可以判断出应该选择的子信道

则可得整个带宽分配算法的流程图为:

图4 带宽分配算法流程图Fig.4 The flow chart of bandwidth allocation

在带宽分配过程中，当一个Mesh 节点接收到一个带宽分配请求，则检查其所要求的子信道，在要求的时隙内是否可用，若能够满足要求，则接受，若不能满足要求，则向上一跳拒绝;当接收了请求之后，则重新计算帧偏移和时隙偏移，确定带宽分配的开始节点，之后再按照之前介绍的方法挑选子信道，然后形成新的请求发给下一跳;若下一跳拒绝了该请求，则将当前所选的子信道剔除之后，重新选择子信道。

4 仿真与实现

本文采用了软件Qualnet software［5-6］模拟的方法，在仿真中，采用了2 种不同的海况条件，在不同的海况条件下，无线信号的衰减情况也有所不同，2 种不同的海况参数如表1 所示。

表1 海况参数Tab.1 Sea state parameter

本文采用的网络拓扑比较简单，在海面上具有2 个航线不同的船队，一个船队从东向西行驶，另一个船队则相反，2 个船队相距20 km，岸基Mesh路由距离海岸线10 km。在Mesh 网络的通信过程中，采用AODV 路由。

在仿真过程中，采用固定比特率通信方式，速率为5.5 Mbit/s，共有3 个不同频率的信道。共产生了52 艘模拟船舶，每个信源产生长度为40 bytes的数据包，每个包产生的间隔设置为0.01 ～0.02 s，每个仿真过程持续600 s，则可以模拟2 种不同的负载，当间隔较小时负载较重，当间隔较大时反之。

分别使用单信道模式和本文提出的多信道加带宽分配算法模式进行仿真，结果如图5 和图6 所示。

图5 不同负载和海况下的数据包到达率Fig.5 Delivery ratio in different load and sea state

图6 不同负载和海况下的时延Fig.6 Delay in different load and sea state

通过仿真结果看以看出，通过本文所提出的方法:首先，能够实现有效的船舶间、船岸间通信;其次，通过使用本文提出的多信道的带宽分配算法，能够有效地提高数据包的到达率，并减小数据包传输中的时延，具有较好的可行性和高效性。

5 结 语

本文针对海上通信的需求和WiMAX Mesh 网络的技术特点，设计了一种具备混合结构的，能够统一实现船舶间和船岸间高速数据通信的通信系统，研究了整个系统的工作机制。同时，针对无线通信过程中的信号衰减问题，本文提出了利用WiMAX的多信道特性，设计了相应的信道带宽分配算法，为远距离和多跳传输提供了可靠性支持。最后，本文对提出的方案进行仿真，证明了相较于普通的网络结构和单信道的通信模式，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.