胡 青， 賈會建, 李金源

(1.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 大連 116026； 2.船舶導(dǎo)航系統(tǒng)國家工程研究中心， 大連 116026)

在e-航海戰(zhàn)略快速實(shí)施發(fā)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(shù)據(jù)通信需求，國際航海業(yè)界提出了第三代海上通信系統(tǒng)——甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VHF data exchange system, VDES)概念[1]。VDES基于自組織聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可不通過特定中繼節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)船船之間的高速數(shù)據(jù)交換，特別適用于船舶編隊(duì)通信聯(lián)網(wǎng)場景。為此，針對船舶編隊(duì)移動模型特征，研究基于VDES的船舶編隊(duì)聯(lián)網(wǎng)通信路由技術(shù)具有重要的意義。

VDES作為船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)的下一代海上數(shù)字通信系統(tǒng)，在AIS基礎(chǔ)上增加了專用報(bào)文(application special message, ASM)和VHF數(shù)據(jù)交換(VHF data exchange, VDE)業(yè)務(wù)[2]。其中ASM主要用于傳輸水文，氣象等安全信息，VDE是VDES實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)在2015年發(fā)布了VDES技術(shù)建議書ITU-R M.2092，隨后國際航標(biāo)協(xié)會(The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA)在2092建議書基礎(chǔ)上又公布了VDES技術(shù)規(guī)范G1139，經(jīng)過不斷的補(bǔ)充和完善，VDES所應(yīng)用的技術(shù)已趨成熟，計(jì)劃將在2021年左右發(fā)布正式版VDES技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)，這將促進(jìn)VDES的快速發(fā)展，為研究基于VDES的船舶編隊(duì)通信聯(lián)網(wǎng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

基于VDES的船舶編隊(duì)聯(lián)網(wǎng)研究主要包括船舶編隊(duì)移動模型和船舶編隊(duì)移動自組網(wǎng)通信路由協(xié)議兩部分。目前中外多位學(xué)者研究了物體移動模型，部分學(xué)者深入研究了移動體編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在物體移動模型領(lǐng)域，Liu等[3]通過分析人體運(yùn)動特征，設(shè)計(jì)一種符合人體真實(shí)運(yùn)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(shè)備的人和交通工具抽象為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，同時利用節(jié)點(diǎn)間的移動規(guī)律，設(shè)計(jì)一種新的基于社區(qū)的移動模型；馬昱音等[5]利用反演法，設(shè)計(jì)了全局坐標(biāo)系下的分布式控制策略，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)群的期望運(yùn)動。孫為康等[6]考慮了風(fēng)浪流的干擾和作用力，建立了多輸入海況下的船舶運(yùn)動模型。

在編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究方面，Toorchi等[7]針對無人機(jī)編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性問題，提出了一種低成本、自適應(yīng)的基于骨架的群路由協(xié)議；徐婷婷[8]在OLSR(optimized link state routing)路由協(xié)議基礎(chǔ)上增加了鏈路感知，參數(shù)自適應(yīng)以及組網(wǎng)路由的功能，提高帶寬利用率和無人機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)效能。吳建澤[9]針對無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)的特性，為了減少網(wǎng)絡(luò)中的路由開銷，設(shè)計(jì)了一種基于AODV(Ad Hoc on-demand distance vector)的分級路由協(xié)議ENC-AODV。Cheriguene等[10]針對群體拓?fù)涞母叨葎討B(tài)性問題，提出了一種適用于成群飛行的無人機(jī)的Swarm節(jié)能多播路由協(xié)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(duì)通信聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議方面都進(jìn)行了大量研究，但并沒有針對船舶編隊(duì)移動特征的研究，同時，也未見將海上新型通信網(wǎng)絡(luò)VDES應(yīng)用于船舶編隊(duì)通信聯(lián)網(wǎng)中的路由協(xié)議研究。為此，首先研究并提出一種基于海上船舶編隊(duì)移動特征的群組移動模型，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合VDES新型通信網(wǎng)絡(luò)特征，在仿真分析VDES網(wǎng)絡(luò)下多種常見路由協(xié)議性能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出基于VDES的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路由方案。

1 船舶編隊(duì)移動模型研究

編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)實(shí)中常用的一種網(wǎng)絡(luò)組織模式，包括無人機(jī)編隊(duì)、坦克編隊(duì)、船舶編隊(duì)等。根據(jù)船舶編隊(duì)的特點(diǎn)，其通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足全編隊(duì)覆蓋、低延時、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥越M織變化等特征，并具有抗毀性特點(diǎn)。為研究編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)高效聯(lián)網(wǎng)通信性能，首先需要研究編隊(duì)移動特征，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更為高效的編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1.1 船舶編隊(duì)移動模型

船舶編隊(duì)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(diǎn)組移動模型的移動特性相吻合，參考點(diǎn)組移動模型雖然考慮到了群組移動性，但群組的群首節(jié)點(diǎn)的移動是隨機(jī)的，存在急停急轉(zhuǎn)的情況，在真實(shí)環(huán)境下，群組移動的速度和方向前后存在著影響，因此根據(jù)船舶的理論知識和船舶編隊(duì)的移動特點(diǎn)，結(jié)合參考點(diǎn)組移動模型，設(shè)計(jì)了一種符合船舶編隊(duì)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(jié)點(diǎn)，整個群組的運(yùn)動情況和這個中心節(jié)點(diǎn)息息相關(guān)，移動節(jié)點(diǎn)都分布在邏輯中心的周圍，邏輯中心的移動方式?jīng)Q定了整個群組的移動方式，包括運(yùn)動速度、方向、加速度等。根據(jù)船舶的運(yùn)動特征，中心點(diǎn)采用一種可以平滑移動的高斯馬爾科夫移動模型，設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)變速，轉(zhuǎn)向，能夠真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)中船舶編隊(duì)運(yùn)動情況的組移動模型FRPGM。該模型具備船舶集群式的運(yùn)動規(guī)律；船舶當(dāng)前時刻的運(yùn)動與上一時刻運(yùn)動相關(guān)，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(yùn)動狀態(tài)；轉(zhuǎn)向時考慮到了船舶在海上平滑轉(zhuǎn)向的特征。加入這些船舶編隊(duì)的運(yùn)動特征后，使該模型成為了更加符合船舶編隊(duì)的群組移動模型。

在FRPGM模型中，群首節(jié)點(diǎn)和成員節(jié)點(diǎn)在時刻t的運(yùn)動速度和運(yùn)動角度相對關(guān)系為

(1)

(2)

式中：Vlea(t)、θlea(t)分別為t時刻群首節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動速度和運(yùn)動角度；Vmem(t)、θmem(t)分別為t時刻成員節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動速度和運(yùn)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(jié)點(diǎn)與群首節(jié)點(diǎn)的偏移程度；?表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前速率和方向與前一時刻的相關(guān)性，取值范圍為[0,1]，?越大，相關(guān)性越強(qiáng);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(duì)勻加速移動特征分析

勻加速階段是指船舶編隊(duì)離港開始按照從0加速到理想速度，處于勻加速直線運(yùn)動狀態(tài)?？紤]到可能存在的外在因素，模型加入了一定的隨機(jī)擾動。

群首節(jié)點(diǎn)速度及方向的更新公式為

Vt+1=Vt+adt+Vn

(3)

(4)

位置坐標(biāo)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(jié)點(diǎn)的加速度；dt2為更新時間間隔；Vn、θn服從正態(tài)分布，分別表示節(jié)點(diǎn)速度及方向的擾動范圍；θt、θt+1分別為t與t+1時刻的運(yùn)動方向；xt+1、yt+1分別表示t+1時刻的橫縱坐標(biāo)信息,xt、yt分別表示t時刻的橫縱坐標(biāo)信息。

1.2.2 FRPGM模型下船舶編隊(duì)勻速移動特征分析

勻速階段是指船舶編隊(duì)加速到理想速度后由加速階段轉(zhuǎn)為勻速行駛階段。

群首節(jié)點(diǎn)速度及方向更新公式為

(7)

(8)

位置坐標(biāo)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(duì)轉(zhuǎn)向移動特征分析

轉(zhuǎn)向階段是指處于勻速直線航行狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向的過程。轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向半徑近似等于進(jìn)距與滯距之差，滯距為船長的1～2倍，進(jìn)距近似為船長的2～8倍，由此可推出轉(zhuǎn)向半徑與船長的關(guān)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(jì)算公式為

xr=x-Rsinθt

(14)

yr=y+Rcosθt

(15)

位置坐標(biāo)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(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)向半徑；n為轉(zhuǎn)向半徑和船長Lboat的關(guān)聯(lián)參數(shù)；Lboat為船長；xr、yr分別表示回旋中心的橫縱坐標(biāo)；x、y表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的橫縱坐標(biāo)；Δθ為節(jié)點(diǎn)更新坐標(biāo)的角度偏移量；t為轉(zhuǎn)向階段中節(jié)點(diǎn)更新的時間間隔。

2 基于VDES的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議性能分析

2.1 VDES通信組網(wǎng)特征

為了選擇出最優(yōu)的路由方案，需要設(shè)置一個真實(shí)具體的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)場景。網(wǎng)絡(luò)仿真是基于VDES下進(jìn)行的，VDES中的MAC協(xié)議為時分多址接入(time division multiple access, TDMA)方式，為了確保接入?yún)f(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，對時隙進(jìn)行了詳細(xì)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(jié)構(gòu)在時隙的使用上采用時間交錯模式，在時間上是非連續(xù)的[11]，如圖1所示。

圖1 TDMA幀層次結(jié)構(gòu)Fig.1 TDMA hierarchy

設(shè)計(jì)仿真場景時，數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)包的大小均為VDES的通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置的傳輸速率為307.2 kB/s，數(shù)據(jù)包的大小為672字節(jié)。MAC協(xié)議采用NS2仿真平臺的CSMA/CD協(xié)議，也為時分復(fù)用，VDES的TDMA把時隙劃分得更加精確，當(dāng)節(jié)點(diǎn)過多時，可以有效地減少數(shù)據(jù)沖突和報(bào)文傳輸?shù)却龝r間，因?yàn)橐话愦熬庩?duì)的數(shù)目為10～30條船，本文設(shè)置的為15個節(jié)點(diǎn)，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(xié)議作為VDES下編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。

主要考慮不同節(jié)點(diǎn)速度下路由協(xié)議的性能，在NS2仿真平臺中將仿真環(huán)境按比例縮小為4 000×4 000，編隊(duì)數(shù)量設(shè)置為15，考慮到船舶編隊(duì)隨著移動速度的增大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變頻繁的情況，通過在同一場景下改變節(jié)點(diǎn)的移動速度來達(dá)到不同仿真場景設(shè)計(jì)的要求，節(jié)點(diǎn)移動最大速度分別設(shè)置為0、10、20、30、40、50 m/s，仿真時間為200 s，分組發(fā)送率為每秒2個數(shù)據(jù)包。實(shí)驗(yàn)參數(shù)盡可能地接近了具體的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)場景，如表1所示。

表1 模擬場景仿真參數(shù)表

2.2 移動自組網(wǎng)路由協(xié)議

目前常用的移動自組織通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議主要包括DSDV協(xié)議、DSR協(xié)議和AODV協(xié)議。DSDV路由協(xié)議中節(jié)點(diǎn)實(shí)時性的維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的路由信息，比較適合對實(shí)時性要求較高的網(wǎng)絡(luò)，但是節(jié)點(diǎn)頻繁的交換拓?fù)涓碌南?，維護(hù)路由信息的代價較高，產(chǎn)生很大的路由開銷，不適合拓?fù)渥兓l繁的網(wǎng)絡(luò)[12-13]。DSR協(xié)議比較適合于對實(shí)時性要求不高，拓?fù)浞€(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)[14]。AODV協(xié)議具有一定的路由修復(fù)能力，可以及時修復(fù)受損的鏈路，并且在車聯(lián)網(wǎng)和無人機(jī)編隊(duì)自組網(wǎng)中應(yīng)用廣泛，這也證實(shí)了AODV比較適合這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常變化的網(wǎng)絡(luò)[15]。3種路由協(xié)議整體的性能對比如表2所示。

表2 協(xié)議性能對比

綜上可知，根據(jù)船舶編隊(duì)的實(shí)際應(yīng)用場景，AODV協(xié)議是基于VDES的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的路由方案。

3 基于VDES的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議性能仿真分析

利用NS2仿真平臺對基于VDES的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下AODV、DSR、DSDV 3種路由協(xié)議進(jìn)行仿真分析，該網(wǎng)絡(luò)一方面對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性要求較高，另一方面由于VDES帶寬有限，在保證數(shù)據(jù)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(jìn)行比較。

3.1 基于VDES的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)路由時延性分析

路由時延即從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個分組到目的節(jié)點(diǎn)接收分組所用的時間，主要是建立路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所占用的時間，用來衡量編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，端到端時延越小，網(wǎng)絡(luò)越通暢。端到端平均時延計(jì)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(xié)議在不同移動速度下的端到端時延性能，由于節(jié)點(diǎn)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(dá)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?yàn)镈SDV路由中節(jié)點(diǎn)周期性的維護(hù)自身的路由表，當(dāng)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(duì)通信網(wǎng)絡(luò)路由開銷分析

路由開銷(normalized routing load，NRL)是指網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由控制分組數(shù)，目與節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文數(shù)目之比，它反映了網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，協(xié)議開銷越大，擁塞的概率就越大。路由開銷計(jì)算公式為

(20)

式(20)中：NRP為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)分組數(shù)目；NRC表示節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由控制分組數(shù)目。分析結(jié)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(xié)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(dāng)移動速度大于30時，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變得更快，各協(xié)議的路由開銷顯著增加，其中DSDV路由協(xié)議增大更快，這是因?yàn)镈SDV協(xié)議中節(jié)點(diǎn)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(dá)到了45，而AODV協(xié)議即使當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動速度很大，拓?fù)渥兓^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(duì)通信網(wǎng)絡(luò)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(nèi)接收到的分組占傳輸總數(shù)量的比例。分組投遞率反映出了路由協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時的可靠性，分組投遞率越高，可靠性越好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜏?zhǔn)確性就越好。分組投遞率計(jì)算公式為

(21)

式(21)中：NRF表示節(jié)點(diǎn)接收到的分組數(shù)目；NSP表示節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組數(shù)目。分析結(jié)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(xié)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(dāng)速度大于30 m/s，分組投遞率急劇下降，這是因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)改變較快時，鏈路容易發(fā)生斷裂，鏈路未能及時更新所導(dǎo)致。

在海上通信中，由于VDES通信速率的限制以及當(dāng)移動速度增大導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的易變性，3種路由協(xié)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(xié)議中AODV的性能最好，這是因?yàn)楫?dāng)鏈路斷裂時，AODV能依據(jù)一定的修復(fù)手段對鏈路進(jìn)行及時的修復(fù)。其次是DSR，而DSDV協(xié)議的性能明顯低于其他協(xié)議。

4 結(jié)論

綜上研究可知，基于VDES的船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究對端到端時延，歸一化路由開銷，分組投遞率3項(xiàng)性能進(jìn)行分析如表3所示。

表3 路由協(xié)議總體性能分析

由此AODV路由協(xié)議較低的時延性，滿足了基于VDES的船舶編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性的要求，較低的路由開銷可以適應(yīng)海上通信中VDES的低帶寬特性，較高的分組投遞率也適應(yīng)編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，易發(fā)生鏈路斷裂的特性，所以AODV協(xié)議可以作為VDES下船舶編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路由方案。