基于WLAN的船舶通信网络应用与仿真

苑隆寅

(重庆邮电大学 移通学院，重庆401520)

0 引 言

随着信息科技的进步，船舶设备的信息化水平也得到了进一步的提高，综合导航系统、卫星通信、电子地图等技术被广泛应用于船舶航行、通信、导航等领域，并逐渐成为船舶航行所不可或缺的重要助航设备。近年来，信息科技的发展逐渐朝着小型化、便携化、移动化发展，大量的移动智能终端涌现，并应用于各行各业，取得了惊人的效率［1-2］。同时随着传感器网络的发展，物联网也逐渐渗透到社会、商业、工业等各个领域。与此同时，船舶制造业也引入了以上先进信息技术，各种微型智能终端和传感器取代原先笨重、低效的大型机器设备，在船舶航行、安全监控、智能控制、海洋监测等领域发挥着重要的作用，与传统的机器和电脑设备相比，一方面，这些智能终端和传感器有着更高的信息处理速度，另一方面，这些终端有着更好的经济性和易操作性。因此，智能终端和传感器的大量使用将是未来船舶发展的趋势［3］。

然而，这些新型设备的使用也带来了新的问题。传统船舶中使用的串行通信链路或当前主要使用的以太网通信链路，无法与这些智能终端或传感器相连;而且，有线的通信网络大大制约了移动终端和传感器设备的移动性和灵活性。为了解决这一问题，应当在船舶上部署无线局域网(WLAN)形成“船域网”［4］，一方面，无线网络能够覆盖微型设备的通信需求;另一方面，无线网络具有较好的灵活性，能够实现各种移动终端和传感器的按需部署，大大提高了通信网络的灵活性和适应性［5］。

基于以往WIFI 技术中传统的AP 接入方式和最新的WIFI direct 技术，本文设计了一种混合结构的船舶无线通信网络，一方面利用了AP 接入的稳定性，另一方面利用了WIFI direct 技术的灵活性，并通过在OPNET 中的仿真，证明了本文提出的方案可行且高效。

1 无线局域网技术

无线局域网技术是当前最为成熟、应用最为广泛的计算机通信技术之一，其主要是为了解决陆地上较小范围内移动终端的互联互通问题。当前主要使用的标准有802.11、802.16 等，前者就是我们熟知的WIFI 技术，后者为WiMAX 技术。WIFI 与WiMAX 类似，但是后者具有更好的通信带宽和更大的覆盖范围，然而根据本文的实际需求，将采用WIFI 作为实现船舶通信网的技术，主要原因有如下几点［6］:

1)通常的WIFI 热点覆盖范围约在90 m 左右，传输速率在54 mbps，以1 艘中型船舶为例，部署2～3个热点，就可以覆盖整艘船舶的通信需求，因而使用WIFI 能够满足船舶通信网络的需求;

2)与WiMAX 相比，WIFI的部署难度、部署成本、使用和维护费用，均较为低廉，且相关的技术和产品更加丰富和成熟，能够提供更好的可实现性和稳定性;

3)当前船舶使用的通信网络多为基于802.3的以太网通信链路，WIFI 能够与以太网通信网实现无缝连接，因而在部署无线网络时，可以保留原先的通信网络，大大节约了投资。

WIFI的网络拓扑结构如图1所示。

图1 WIFI 网络结构图Fig.1 The structure of wifi

如图1所示，在传统802.11 标准中，移动终端通过1个接入点(Access Point，AP)接入无线网络，然后AP 通过以太网连接骨干网。在陆地上，这种网络结构能够满足相应的需求，但海洋条件较为苛刻，当在较为恶劣的天气状况和海况下，可能会对无线链路造成较大的干扰，出现连接断开和通信速率下降等问题。因而，为了保证在以上情况下，各个分布式智能终端和传感器设备的数据能够顺利传输到中央服务器，必须是相距较近的节点之间能够在没有AP 支持的情况下，实现点对点的数据传输。为了实现这一过程，本文将采用最新的WIFI direct 技术。

WIFI direct 技术是2010年由WIFI 联盟提出的新技术，该技术旨在解决无线终端在无AP 支持下的互联互通问题。

通过这一技术，不同的无线终端之间可以实现直接的点对点连接，而不需要接入同一个AP。该技术有以下优点:

1)移动性更高:使得无线终端能够脱离AP的束缚，实现无基础设施的无线自组网，使得无线终端之间的通信更加自由，增加了分布式网络的灵活性和自主性;

2)易用性更强:通过WIFI direct，用户的无线设备能够使用自动的设备发现和服务发现功能，与周边的其他设备相连，无需额外的认证机制和接入机制，更加易于使用;

3)兼容性更好:使用WIFI direct 技术的终端可以完全兼容以往的设备，可以与AP 相连，也可以与支持802.11 协议的设备进行通信。

WIFI direct 网络有2 种模式:一对多模式和一对一模式，2 种模式的结构如图2所示。

图2 WIFI direct的两种模式Fig.2 The two modes of WIFI direct

第1 种模式通常用于实现无线终端之间的点对点通信;第2 种模式则通常用户实现各种无线终端之间的服务发现［7-8］。WIFI direct 技术的主要不足在于其功耗较大，制约了其在无线便携式终端上的进一步普及，然而在船舶应用场景中，无线终端和传感器可以使用有线供电设备，因而无需考虑WIFI direct的能耗水平。

本文设计的船舶无线通信网络主要由2 部分组成:中心化的AP 接入网和分布式的通信簇。中心化的AP 接入网提供能够覆盖全体船舶的无线通信接入网，无线终端通过接入AP 能够获得较高的通信速率;分布式通信簇是由若干终端和传感器组成的通信集群，能够实现一个簇内的相互通信［9］。

2 WLAN 结构设计

在本文设计的无线通信网络中，由AP 接入网和通信簇组成。其中AP 接入网相当于无线网络的骨干，一方面能够与以太网链路连接，将无线网络融入整个船舶的通信网络;另一方面能够实现通信簇与主干网络的连接，使得较小范围的通信集群能够将数据和信息发送给中央处理器。通信簇的作用主要是:首先，当通信链路无法覆盖所有终端时，通信簇可以作为一种冗余措施，实现多跳的通信方式，实现消息的中继传输;其次，当需要在某个范围内收集传感器数据时，可以实现在通信簇内的区域消息传递。AP 接入网的结构如图3所示。

图3 AP 接入网结构图Fig.3 The structure of AP access network

图3 中，在船舶的各个位置部署有若干AP，S表示交换机或路由，AP 通过交换机或路由与以太网链路相连，与整个船舶的通信网络融为一体。由于海上通信的条件较为恶劣，因此无线通信网络应该具备一定的冗余措施，因而在AP 接入网络设计时，应保证每一个终端至少被2个AP所覆盖，这样当1个AP 损坏或通信链路断开的时候，仍然能够保证数据传输不会中断。

通信簇是1 组由智能终端或传感器组成的通信集群，其可以由智能终端充当中心节点，也可以采取无线自组网的形式。图4 给出2 种通信簇的网络结构。

图4所示结构在一个通信簇中，各个智能终端可以实现点对点的通信。通过这样的通信方式，可以实现对于各种数据的预处理，然后将经过处理过的数据传输给中央服务器。另一种通信簇的结构如图5所示。

图5所示通信簇结构主要应用于无线传感器网络中。在当代船舶中，无线传感器已经被大量使用，用来测量机器设备的震动、工作情况和水压、流速、水文等水文信息。而船舶无线传感器网络的发展一直制约着各种传感器在船舶上的进一步使用，采用图5所示的网络结构能够较好的解决这一问题。智能终端采用WIFI direct 与各个传感器相连，收集数据并进行预处理，然后通过AP 将数据传输给以太网络，并进一步发送给中央服务器。

图5 通信簇的层级化结构Fig.5 The layered structure of communication cluster

需要注意的是，在本文设计的无线通信网络中，各个通信节点应当具有一定的数据存储能力。由于海面通信条件复杂多变，当环境较为严苛时，无线通信链路不稳定，此时传输数据极易造成较高的丢包率和较大的延迟，一方面降低了通信的效果，另一方面存在数据丢失的隐患，因而为了保证无线通信的稳定性，在通信条件恶劣时，各个通信节点应当将通信数据暂存，等待合适的时间再将数据发送;当有实时数据，如报警信息、导航信息等，需要发送时，可通过多跳发送来实现可靠的数据传输。

3 通信网络实现机制

通过上文的研究和描述，可将AP、智能终端、传感器等灵活组网，实现灵活可靠的无线通信网络。在本节中，将重点讨论该组网过程如何实现。在本文设计的无线网络中，组网的过程主要有扫描和同步2个步骤。

扫描是发现通信簇和AP的过程，通过扫描能够使得智能终端或传感器发现可用的AP 或通信簇，将该终端与网络相连;同步过程是形成通信簇的过程，通过同步过程，通信簇中的各个节点均能够保持同步的发送和接收频率，使得在该通信簇中的节点一方面能够减少对于无线信道的竞争和碰撞，另一方面能够有效编排各个节点的收发顺序，有效节省能量的消耗。本文设计的方法不需要对WIFI 使用的基础设施进行改进，只需要在协议层面进行更新即可，有着较小的部署成本。

3.1 网络发现机制

当一个移动节点刚刚被部署时，其需要扫描周边的网络以加入某个通信簇，并与AP 相连。传统的方式下，扫描网络要么需要不间断的连续扫描，耗电量较大;要么采取一定的扫描间隔，可能会导致遗漏某些网络的信息。尤其在海上通信环境中，需要一个更加节能高效的网络发现机制。

在本文提出的方法中，采用AP 作为同步信号源，在通信簇内，各个节点通过AP的信号频率实现“sleep-wake”状态的同步，而AP的beacon 信号频率要高于“sleep-wake”状态的转换频率，因而通过在beacon 中设置n 比特位，指示状态转换的时隙，从而实现高效的网络发现，机制的示意图如图6所示。

图6 网络发现机制Fig.6 The mechanism of network discovery

3.2 网络同步机制

在海上通信环境中，由于通信条件复杂多变，始终保持对信道的监听状态，可能在某些时段内根本无法接收到有效的信息，同时耗费较多的能量，因此，本文设计了一种网络同步机制，使得通信簇内的各个网络节点能够按照一定的“sleep-wake”状态发送数据。在sleep 状态下，通信节点静默，在wake 状态下，通信节点发送数据，同步机制如图7所示。

当一个节点无法发现其他通信簇时，其自身形成一个通信簇，并设定该簇内的“sleep-wake”状态转换频率，通过广播向所在AP 范围内发送通知帧，当一个节点扫描到该簇时，则通过侦听通知帧，获得状态转换的频率和时隙，并根据这些信息实现与通信簇内其他节点的同步。

图7 网络同步机制Fig.7 The mechanism of network synchronization

4 试验验证

根据本文设计的无线通信网络，在OPNET 平台上进行仿真，对AP 接入网和通信簇进行了模拟，验证了海上通信环境中，本文提出的方法具有较高的吞吐率和较低的丢包率。

如图8所示，整个网络有4个通信簇，其通过AP 相连，可以实现点对点的通信，也可以实现多跳的数据中继以及连接AP 进行通信。通过对多种通信方式的试验验证，网络的整体吞吐率和丢包率如图9所示。通信网络的吞吐率能够达到6 Mbps，而丢包率较小，能够满足船舶通信的相应需求。

图8 仿真拓扑图Fig.8 The topology of simulation

5 结 语

图9 仿真结果图Fig.9 The result of the simulation

随着无线智能终端和传感器设备的大量使用，船舶对无线通信手段的需求大大提高。针对这一需求，本文设计了一种基于WIFI和WIFI direct 技术的混合无线通信网络，能够实现传统的AP 接入和点对点通信，具有较好的灵活性和易用性，并在OPNET 平台上进行仿真，证明了本文提出方案具有较好的性能，能够满足海上船舶通信的需求。

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

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

［3］Vxworks Reference Manual［Z］.Wind River Systems，Inc.U.S.A:WRS，2000.

［4］LIANG Chuan.The scenario and application of fingerprint authentication with electronic request-authorization system in traffic business［D］.Chengdu:Sichuan University，2007.

［5］汪陶先，欧建新.舰艇通信与电子系统一体化集成技术研究［J］.舰船科学技术，2011，33(10):125-129.

［6］GREEN W，JOHN D.Internet and distributed application development［M］.Beijing:Beijing Mechanical Industry Press，2004:325-336.

［7］ANIL K J，BOLLE P.An identity-authentication system using fingerprints［C］//Proceedings of The IEEE，1997(9):85.

［8］IEEE Standards Board.802 part11:Wireless LAnmedium Acces Control (MAC) and Physieal Layer (PHY)speeifieations:Higher-Speed Physieal Layer Extension in the 2.4GHz Band.IEEE Standard 802.1la.［S］.1999.

［9］李利，王平军.大型舰艇编队通信指挥决策方案能效评估［J］.舰船科学技术，2012，34(9):236-242.