基于北斗定位的新型船舶自组网路由研究

沈晨

摘要：结合船舶自组网的特点， 利用中国北斗定位系统的定位功能， 提出了一种新的基于地理位置信息的路由优化算法。该算法利用北斗卫星获取船舶位置和航行方向等信息，传递节点路由信息， 从而减少搜索盲目性， 提高路由效率。仿真结果表明：改进算法提高了路由收敛速度， 提升了数据传输成功率， 节约了能量开销，挺升了网络的性能。

关键词：北斗；位置信息；航行方向；船舶自组网；Spray and Wait

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）28-0228-03

1 引言

船舶自组网是一种由移动的船舶自配置组成的多跳无线通讯网络，是一种Ad-Hoc网络运用到海洋上的自组网，其特殊网络结构及配置方式使其具有传统网络所不具有的特性，如不需要预置基础设施、网络拓扑的动态性以及节点的资源受限等。这些特性使得传统的网络路由技术很难直接应用于移动自组织网络中，因此需要研究适用于船舶自组网的路由算法。

目前，移动自组网多采用基于拓扑信息的路由算法，此类算法能够构造优化路径并保证数据传输可达性，然而此类算法直接或间接需要全局网络的拓扑信息来进行路由选择，由此造成的高路由开销使其不适合应用于大规模网络中。基于位置信息的路由算法由于仅需要局部网络位置信息进行路由选择，在网络规模变大时能仍保持较低开销，因此具有高可扩展性的优点。近年来，网络自定位算法、卫星定位系统的发展使节点获取位置信息的精度不断提高且成本不断降低，利用节点位置信息来构造路径的路由算法因其诸多优点和不再高昂的成本正日益受到重视。

Spray and Wait[7]协议具有传输延迟较小，接近于最优，有较好的适应性，有较好的可扩展性，无论网络的规模大小，节点密度如何改变，都能保持较好的性能且该算法简单便于执行等优点。然而该协议应用在船舶自组网中，由于船舶移动的速度相对较慢，节点稀疏，固定航道，相遇机会概率较低等，无法适应这种背景场景。

本文提出一种利用北斗卫星导航定位系统获取船舶现有位置信息和航行方向，结合相应的算法对未来船舶位置进行预测，对Spray and Wait进行改进，增大船舶自组网网的连通性。最后通过获取相关度量值，通过实验验证结果与目前比较流行机会网络协议比较传输成功率，传输的延迟，路由开销等性能提升来说明其优越性。

2 北斗定位与路由算法

北斗卫星导航定位系统是中国自主研制、自行建立的卫星导航定位系统。已经在轨使用的是由3颗卫星组成的北斗一号区域定位系统， 正在建设的是由30 颗卫星组成的北斗二号全球定位系统。与美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS ）以及欧洲正在发展的伽利略（GALILEO）卫星导航定位系统不同， 北斗一号采用双星定位原理， 而且具有双向数据通信功能， 因此其应用系统也是独具特色的。

在三维立体空间需要3 个条件才能唯一地确定一个点， 而北斗一号只有2 颗经度上相距60°的地球静止卫星（另有一颗备份星）， 为了定位必须要第3个条件--利用已有的数字高程地图， 通过用户与地面指挥中心直接的双向数据通信确定用户至地心的距离（即第3 个条件）， 从而也就知道了用户的位置， 再通过广域差分标校来提高定位精度。在有标校地区的定位精度一般优于10 ～ 20m .这样的技术途径有利也有弊：缺点是用户终端要有接收和发送两种功能， 体积相对大些；优点是把导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起， 不仅用户知道自己所处的位置， 而且调度指挥中心也可以知道用户位置， 双向通信链路将作为大范围网络路由链路来使用。当北斗二号系统完整建成后， 其全球定位与通信的特点将发挥更大作用。

2.1基于船舶位置预测的算法判断

2.1.1.距离判断

通过携带消息的船舶A相遇另外一只船舶B，通过计算预测未来船舶位置，并且计算到未来目的船舶的之间距离，通过比较距离长短，决定消息转不转发，选择距离较近的作为转发中继，在此处，距离长短作为判断的依据。

例如两坐标为A：{，，，}，B{，，，}，目的节点D，分别计算出两个节点到目的节点的距离：

2.1.2航行方向判断

通过北斗的定位功能，比较船舶的运行方向是否偏离目的船舶，来判断决定消息是否转发。在这里，由于海洋上船舶运动方向一般按照预先设定好的航道，运动方向，短时间内不会有大的改变，在预测下一刻时候，可以认为船舶的船速和运动方向没有改变。

3 基于北斗定位的Spary-and-Wait路由协议改进

Spary and Wait算法分为两个阶段。Spray阶段，源节点中的部分数据包被扩散到邻居节点；Wait阶段，若Spray阶段没有发现目标节点，包含数据包的节点以Direct Delivery 方式将数据包传送到目标节点。

我们提出了一种基于船舶位置信息的B Spray and Wait 的新协议，主要对Spray and Wait协议在第二阶段（wait阶段）进行改进，通过北斗定位系统来获取船舶的位置和航向，并预测未来t时间的位置，从而增加其与目的节点船只相遇的可能性，来达到一种高效传输的机会路由算法。

在Spray阶段，当碰到一个节点时，决定多少份给该节点。最简单的分发策略是一份一份地发，还有另一种分发策略是每次将一半复制给遇到的节点，当节点只有一份消息时，就退化成Direct Delivery了，则进入第二阶段。关于Spray阶段其他文献有详细的叙述，这里不再重复。

在wait阶段，在Spray阶段经过数据分组，每一个分组之后的副本，在网路环境中移动时并伴有一定的传播范围，如图中的A和B两只船舶在航道中不停地移动，并且不断的记录相关信息实时的更新，根据以往位置信息我们可以预测出未来船舶的位置，在此时根据未来船舶的位置与未来目的船舶的距离长短，即S1和S2，以及速度矢量与 和的夹角，相结合来判断哪个点更有可能到达目的船舶节点，距离最短的和运动方向偏向目的船舶的方向为最佳中继船舶，选择该船舶进行传输（如图3），该方案可以大大可以提高接触目的节点相遇可能性，相比以前在wait阶段的泛洪，有助于我们增大其传输成功率，减小平均延时，降低路由的开销等。

综上所述，改进后的新协议，在Spray阶段源节点以二发法的方式进行数据分组，该算法的机制是源节点为每个在该节点起源的数据分组生成L个副本；若源节点A包含n个数据分组，当其遇到新中继节点B，则以n/2个数据分组转发给B，自己同样留有n/2分组，依次以同样的方法分组，直到所有节点只有一个数据分组，则进入到wait阶段，携带消息节点（包括源节点）如果此时相遇到目的节点D，则直接转发给目的节点，如果没有遇到目的节点D，通过位置预测方案，节点未来的位置，在基于与目的节点的距离长短和节点运行方向来判断那个节点更有可能接触到目的节点，从而决定转发时机，增大了消息传递到目的节点可能性。

4 实验结果与分析

4.1 建立仿真场景

建立特定仿真场景，通过使用ONE软件来模拟仿真，通过比较来说明性能的提升，本文评价自组网路由协议的优劣主要通过以下几个指标来分析。由于自组网的主要目标是尽最大可能传递信息，所以传输的成功率（Delivery Ratio），即在一定的时间内成功到达目标节点数据包总数和源节点发出的需传输数据包总数之比，是最重要的指标。另外传输延时，即数据包从源节点到达目标节点所需的时间，是评价路由的另一重要指标。最后要考虑到资源消耗。

4.2仿真结果分析

本文通过比较Spary and Wait协议和改进过后的B Spray and Wait协议以及机会网络常用路由MaxProp 三者之间的比较，来表现出三者之间的相关性，并且通过设置不同节点数（Number of Nodes），进而突出改进之后的显著效果。

从下面仿真的结果来看，图2显示是三种路由协议传输成功率的一个比较， MaxProp比Spray and Wait高出10%，而B Spray and Wait比原来的MaxProp高15%，性能最优，这是由于新协议通过预测未来船舶可能存在的位置，在一定程度上增加向目的船舶数据包的传递的可能性。

在实验中我们发现MaxProp路由开销呈现的是一种较快增长形势，消耗能量过多，而Spray and Wait和B Spray and Wait基本同一标准上保持较低的路由开销状态，新协议在遵循原协议的基础上开销稍有改善。

而图3显示随着网络中节点的增多时，MaxProp路由的组内直接传送方式的平均传送时延变化并不大，而Spray and Wait传输时延具有明显降低，所需要的平均时间较少，而B Spray and wait通过预测来选择中继节点，缩短传输时间，从而占用更少网络资源。

综上所述，根据图中的三种协议性能指标走向，新协议B Spray and Wait相比其他两种协议，评价指标都有较大的提升，尤其表现在传输成功率显著增高，而路由开销和传输时延，也相应地有所降低，基本上达到了我们预期想要的效果。

5 总结

基于Spray and wait协议本身的一些特性，该协议比较适合应用于海洋互联网，但是面对广阔的海域，以及移动的船舶，由于自身的局限性，执行起来效率并不高，而本文引入了北斗导航定位系统，对Spray and wait协议进行了改进，建立一套船舶自组网路由机制B Spray and wait，可以有效地解决这一问题，提高船舶自组网的连通性。通过仿真实验，验证其改进过后的有效性，能提高传输成功率，减少延时，从而提高了船舶自组网的性能。

参考文献

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