衛(wèi)星與船舶延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的研究范文

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摘要:

船舶在海上航行時(shí)，其與陸地及其他船舶的通信主要依靠衛(wèi)星及無(wú)線電系統(tǒng)進(jìn)行。衛(wèi)星與船舶之間距離非常遠(yuǎn)，有時(shí)船舶相互之間的距離也較遠(yuǎn)，影響船舶與衛(wèi)星之間及船舶與船舶之間通信準(zhǔn)確性及時(shí)性。本文通過(guò)對(duì)延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的研究，試圖提高船舶通信的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

關(guān)鍵詞:

衛(wèi)星;無(wú)線電系統(tǒng);準(zhǔn)確性;延遲容忍

近年來(lái)，隨著海上災(zāi)難及事故的不斷發(fā)生，人們逐漸認(rèn)識(shí)到應(yīng)急通信［1］的必要性。應(yīng)急通信的發(fā)展經(jīng)歷了早期的短波通信到如今的各種現(xiàn)代化通信方式。尤其是網(wǎng)絡(luò)已逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钜粋€(gè)不可或缺的組成部分，這得益于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［2］及有線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。但是一旦通信設(shè)備發(fā)生突發(fā)性損壞，有些地方根本無(wú)法建立行之有效的通信網(wǎng)絡(luò)，更不能自成體系、迅速組網(wǎng)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。局部網(wǎng)絡(luò)必然發(fā)生擁塞，形成通信盲區(qū)。這對(duì)災(zāi)害或事故發(fā)生地來(lái)說(shuō)是二次災(zāi)難，造成無(wú)法及時(shí)被救援。由于海運(yùn)船舶多數(shù)時(shí)刻航行在茫茫無(wú)際的大海上，一旦船舶遇險(xiǎn)，必須要在第一時(shí)間向外部發(fā)射求救信號(hào)。因此對(duì)船舶的通信系統(tǒng)提出極其嚴(yán)格的要求。目前船舶上使用的應(yīng)急通信系統(tǒng)都是基于衛(wèi)星及無(wú)線廣播的系統(tǒng)。針對(duì)以上這些情況，我國(guó)目前提出“天基移動(dòng)多功能網(wǎng)絡(luò)”的概念，并投入建設(shè)。通過(guò)此網(wǎng)絡(luò)可以建設(shè)獨(dú)立工作、不同于目前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、便攜式的、可快速自由組網(wǎng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)。而延遲容忍網(wǎng)絡(luò)恰好可以應(yīng)用于這樣的通信方式當(dāng)中。這是由于其主要面向高延時(shí)、頻繁終端、高誤碼率等環(huán)境的特性決定的。

1延遲容忍網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1延遲容忍網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)在通信中發(fā)揮的作用越來(lái)越大。網(wǎng)絡(luò)建立在一種均勻通信設(shè)備協(xié)議基礎(chǔ)之上，也就是TCP/IP［3］。目前也存在一些不同于Internet的網(wǎng)絡(luò)，比如衛(wèi)星、星際通信等。它們之間是互不兼容的。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有各自的服務(wù)區(qū)域。鏈路路徑、鏈路連接性、數(shù)據(jù)不對(duì)稱性及差錯(cuò)率等定義了通信的特點(diǎn)。這違背了Internet結(jié)構(gòu)的通信要求，這些網(wǎng)絡(luò)通常具有很大的延遲、鏈路間任意時(shí)刻可斷開(kāi)、具有很大的差錯(cuò)率以及雙向非對(duì)稱數(shù)據(jù)率［4］。表1給出了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)的區(qū)別:由表1可知，與Internet網(wǎng)絡(luò)不同的網(wǎng)絡(luò)在TCP/IP協(xié)議下并不能達(dá)到非常好的性能。由此提出并設(shè)計(jì)了DTN結(jié)構(gòu)［5］。如圖1所示，DTN結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是Bundle層，其位于應(yīng)用層和傳輸層之間，Bundle同時(shí)與下層的協(xié)議連接起來(lái)。因此，即使跨越多個(gè)區(qū)域，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)仍然可以通信。圖中的Bundle層在節(jié)點(diǎn)之間傳遞消息，也叫傳遞bundle。Bundle的應(yīng)用范圍非常廣，它可以應(yīng)用于所有的DTN結(jié)構(gòu)中。與TCP/IP協(xié)議在端對(duì)端發(fā)揮的作用不同，Bundle層建立于傳輸層之上，同時(shí)還是一個(gè)覆蓋層，具有復(fù)雜多樣的功能，比如數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、攜帶及轉(zhuǎn)發(fā)。由此可知，Bundle可在2個(gè)不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)，直到數(shù)據(jù)傳輸完成到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為止。

1.2Bundle層功能前面已經(jīng)介紹了Bundle的主要功能是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和保管傳遞。1)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中的作用多種多樣，必不可少。比如通過(guò)它可以克服鏈路突發(fā)性斷開(kāi)、非對(duì)稱的數(shù)據(jù)率以及較高的差錯(cuò)率等。圖2展現(xiàn)了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程。存儲(chǔ)部分可以不受限制地存儲(chǔ)傳遞轉(zhuǎn)發(fā)的信息。而短時(shí)間的存儲(chǔ)由存儲(chǔ)芯片決定。2)保管傳遞延遲容忍網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)是支持節(jié)點(diǎn)之間的重復(fù)傳遞，這是為了應(yīng)對(duì)bundle在傳輸層和Bundle層丟失或損壞的突發(fā)狀況。端到端的可靠性只能由Bundle的協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)闆](méi)有傳輸層的協(xié)議能夠有效支持延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中端到端的可靠性實(shí)現(xiàn)。影響節(jié)點(diǎn)對(duì)bundle接收狀況的因素非常多，譬如能耗、能源等。特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡劣及遠(yuǎn)端到目的端沒(méi)有可用路徑時(shí)，影響更大。這時(shí)保管傳遞的使用顯得必不可少，其能夠有效地保證節(jié)點(diǎn)之間的可靠性，從而能夠確保端到端的可靠性傳遞［6］。圖3為保管傳遞功能的工作示意圖。

2延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的路由算法

路由是無(wú)線網(wǎng)組成中非常重要的一部分，路由性能的高低直接決定著數(shù)據(jù)傳輸效率的高低。由于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)特性十分復(fù)雜，且難以測(cè)定，因此選定適當(dāng)?shù)穆酚伤惴梢燥@著提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男室约百|(zhì)量。由于空間段和用戶段的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)不同，因此要采用不同的方法，分別確定路由算法和隨機(jī)性路由算法。

2.1確定性算法確定性路由算法適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)可預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)。在空間段中，船舶上的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是由同步衛(wèi)星、地面基站及船舶衛(wèi)星信號(hào)接收器組成，所以可以認(rèn)為船舶的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是固定不變的。但是由于船舶航行在大海中，加上天氣變幻莫測(cè)，很容易造成鏈路中斷。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是Bundle層，Bundle層的功能是提供存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和保管傳遞這2個(gè)功能，因此能夠克服外力中斷鏈路這種狀況。

2.2隨機(jī)性路由算法用戶段的網(wǎng)絡(luò)是由移動(dòng)終端組成的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。因此，當(dāng)移動(dòng)終端移動(dòng)時(shí)必定導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量的消耗，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)鏈路跟隨變動(dòng)，同時(shí)由于移動(dòng)終端的移動(dòng)范圍具有很強(qiáng)的不確定性，因此采用2種隨機(jī)性路由算法［7］。EpidemicRouting算法也可稱為傳染性或者流行性路由算法。其原理是把節(jié)點(diǎn)中傳輸?shù)腷undle傳輸給其他的節(jié)點(diǎn)。其傳輸過(guò)程如圖4所示。工作過(guò)程為:當(dāng)節(jié)點(diǎn)C1跟節(jié)點(diǎn)C2傳輸時(shí)，會(huì)發(fā)送一個(gè)anti－entropy信息。此時(shí)C1將把自身的SV傳送給C2。這里C1的SV是指C1的全部緩存信息;接著C2的SV將取非，以表示C2所需信息，取非結(jié)果再與C1的SV進(jìn)行邏輯與操作。此時(shí)，C1向C2發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息向量;最后C1把所需信息傳送給C2。

3船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的仿真

首先建立船舶衛(wèi)星通信的模型，模型為地面一個(gè)基站、海上船舶一個(gè)基站及同步衛(wèi)星。采用距離矢量路由算法進(jìn)行仿真，仿真工具為NS2，仿真時(shí)間設(shè)置為500s。圖5是對(duì)時(shí)延分析的結(jié)果。從圖5可看出，采用延遲容忍結(jié)構(gòu)能夠降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，并且時(shí)延的波動(dòng)范圍被限制在很小的范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性非常好。此外，當(dāng)測(cè)量完所有路徑的時(shí)延后，距離矢量路由算法才會(huì)選擇合適的路徑，這條選定的路徑將是最好的。由此可看出，采用DTN結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。由圖6可知，采用延遲容忍結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)能夠保持非常小的抖動(dòng)，其抖動(dòng)范圍同樣很小。因此可知，采用延遲容忍結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，其不確定性非常小，工作狀態(tài)非常穩(wěn)定。

4結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的需要，接著分析了延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及算法，最后對(duì)采用延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。得出采用延遲容忍網(wǎng)絡(luò)，可以使船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)取得穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)，提高了衛(wèi)星通信的效率，從而可以使船舶遇險(xiǎn)后能夠及時(shí)有效與外界聯(lián)系。

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作者：危鋒 單位：河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院 信息管理系 解放軍信息工程大學(xué)