基于甚高频数据交换系统的船舶编队通信网络最优路由方案

胡 青， 贾会建, 李金源

(1.大连海事大学信息科学技术学院， 大连 116026； 2.船舶导航系统国家工程研究中心， 大连 116026)

在e-航海战略快速实施发展的背景下，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)又提出了海面自主航行船舶概念。为满足这一背景下船-船之间高速数据通信需求，国际航海业界提出了第三代海上通信系统——甚高频数据交换系统(VHF data exchange system, VDES)概念[1]。VDES基于自组织联网技术，可不通过特定中继节点即可实现船船之间的高速数据交换，特别适用于船舶编队通信联网场景。为此，针对船舶编队移动模型特征，研究基于VDES的船舶编队联网通信路由技术具有重要的意义。

VDES作为船舶自动识别系统(automatic identification system，AIS)的下一代海上数字通信系统，在AIS基础上增加了专用报文(application special message, ASM)和VHF数据交换(VHF data exchange, VDE)业务[2]。其中ASM主要用于传输水文，气象等安全信息，VDE是VDES实现高速数据传输的基础。国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)在2015年发布了VDES技术建议书ITU-R M.2092，随后国际航标协会(The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA)在2092建议书基础上又公布了VDES技术规范G1139，经过不断的补充和完善，VDES所应用的技术已趋成熟，计划将在2021年左右发布正式版VDES技术国际标准，这将促进VDES的快速发展，为研究基于VDES的船舶编队通信联网奠定了技术基础。

基于VDES的船舶编队联网研究主要包括船舶编队移动模型和船舶编队移动自组网通信路由协议两部分。目前中外多位学者研究了物体移动模型，部分学者深入研究了移动体编队通信网络系统。

在物体移动模型领域，Liu等[3]通过分析人体运动特征，设计一种符合人体真实运动特征的人体高斯马尔科夫移动模型；陈贺婉等[4]将携带各种移动设备的人和交通工具抽象为网络中的节点，同时利用节点间的移动规律，设计一种新的基于社区的移动模型；马昱音等[5]利用反演法，设计了全局坐标系下的分布式控制策略，实现了无人机群的期望运动。孙为康等[6]考虑了风浪流的干扰和作用力，建立了多输入海况下的船舶运动模型。

在编队通信网络路由协议研究方面，Toorchi等[7]针对无人机编队网络的动态性问题，提出了一种低成本、自适应的基于骨架的群路由协议；徐婷婷[8]在OLSR(optimized link state routing)路由协议基础上增加了链路感知，参数自适应以及组网路由的功能，提高带宽利用率和无人机编队作战效能。吴建泽[9]针对无人机集群网络的特性，为了减少网络中的路由开销，设计了一种基于AODV(Ad Hoc on-demand distance vector)的分级路由协议ENC-AODV。Cheriguene等[10]针对群体拓扑的高度动态性问题，提出了一种适用于成群飞行的无人机的Swarm节能多播路由协议。

综上所述，近年来，尽管中外在物体移动模型和移动体编队通信联网路由协议方面都进行了大量研究，但并没有针对船舶编队移动特征的研究，同时，也未见将海上新型通信网络VDES应用于船舶编队通信联网中的路由协议研究。为此，首先研究并提出一种基于海上船舶编队移动特征的群组移动模型，以此为基础，结合VDES新型通信网络特征，在仿真分析VDES网络下多种常见路由协议性能基础上，进一步给出基于VDES的船舶编队通信网络最优路由方案。

1 船舶编队移动模型研究

编队网络是现实中常用的一种网络组织模式，包括无人机编队、坦克编队、船舶编队等。根据船舶编队的特点，其通信网络需要满足全编队覆盖、低延时、网络拓扑自组织变化等特征，并具有抗毁性特点。为研究编队网络高效联网通信性能，首先需要研究编队移动特征，以此为基础设计更为高效的编队通信网络系统。

1.1 船舶编队移动模型

船舶编队在海上移动时，通常是由一条母船和几条跟随船组成，移动的方向和速度大致相同，这与参考点组移动模型的移动特性相吻合，参考点组移动模型虽然考虑到了群组移动性，但群组的群首节点的移动是随机的，存在急停急转的情况，在真实环境下，群组移动的速度和方向前后存在着影响，因此根据船舶的理论知识和船舶编队的移动特点，结合参考点组移动模型，设计了一种符合船舶编队的群组移动模型(formation reference point group mobility model, FRPGM)。

1.2 FRPGM模型描述

在FRPGM模型中，每个群组都有一个逻辑中心节点，整个群组的运动情况和这个中心节点息息相关，移动节点都分布在逻辑中心的周围，逻辑中心的移动方式决定了整个群组的移动方式，包括运动速度、方向、加速度等。根据船舶的运动特征，中心点采用一种可以平滑移动的高斯马尔科夫移动模型，设计了可以实现变速，转向，能够真实反映现实中船舶编队运动情况的组移动模型FRPGM。该模型具备船舶集群式的运动规律；船舶当前时刻的运动与上一时刻运动相关，不存在速度与方向的突变；并且加入了变速操作，符合船舶从离港开始逐渐加速至理想速度的运动状态；转向时考虑到了船舶在海上平滑转向的特征。加入这些船舶编队的运动特征后，使该模型成为了更加符合船舶编队的群组移动模型。

在FRPGM模型中，群首节点和成员节点在时刻t的运动速度和运动角度相对关系为

(1)

(2)

式中：Vlea(t)、θlea(t)分别为t时刻群首节点的运动速度和运动角度；Vmem(t)、θmem(t)分别为t时刻成员节点的运动速度和运动角度；RSD为速度偏移率，RAD为角度偏移率，RSD,RAD∈[0,1]，用来描述群组成员节点与群首节点的偏移程度；∂表示节点当前速率和方向与前一时刻的相关性，取值范围为[0,1]，∂越大，相关性越强;Smax为最大移动速度，Amax为最大移动角度。

1.2.1 FRPGM模型下船舶编队匀加速移动特征分析

匀加速阶段是指船舶编队离港开始按照从0加速到理想速度，处于匀加速直线运动状态。考虑到可能存在的外在因素，模型加入了一定的随机扰动。

群首节点速度及方向的更新公式为

Vt+1=Vt+adt+Vn

(3)

(4)

位置坐标更新公式为

xt+1=xt+(1/2)acos(θt+1)dt2

(5)

yt+1=yt+(1/2)asin(θt+1)dt2

(6)

式中：Vt+1为t+1时刻的速度；Vt为t时刻速度；a代表节点的加速度；dt2为更新时间间隔；Vn、θn服从正态分布，分别表示节点速度及方向的扰动范围；θt、θt+1分别为t与t+1时刻的运动方向；xt+1、yt+1分别表示t+1时刻的横纵坐标信息,xt、yt分别表示t时刻的横纵坐标信息。

1.2.2 FRPGM模型下船舶编队匀速移动特征分析

匀速阶段是指船舶编队加速到理想速度后由加速阶段转为匀速行驶阶段。

群首节点速度及方向更新公式为

(7)

(8)

位置坐标更新公式为

xt+1=xt+Vt+1cos(θt+1)dt

(9)

yt+1=yt+Vt+1sin(θt+1)dt

(10)

1.2.3 FRPGM模型下船舶编队转向移动特征分析

转向阶段是指处于匀速直线航行状态的节点开始转向的过程。转向过程中，转向半径近似等于进距与滞距之差，滞距为船长的1～2倍，进距近似为船长的2～8倍，由此可推出转向半径与船长的关系

R=nLboat

(11)

时间及角度更新公式为

t=ΔθR/Vt+1

(12)

(13)

回旋中心计算公式为

xr=x-Rsinθt

(14)

yr=y+Rcosθt

(15)

位置坐标更新公式为

x=xr+Rcos(θt+1+Δθ)

(16)

y=yr+Rsin(θt+1+Δθ)

(17)

式中：R为船舶节点的转向半径；n为转向半径和船长Lboat的关联参数；Lboat为船长；xr、yr分别表示回旋中心的横纵坐标；x、y表示节点当前位置的横纵坐标；Δθ为节点更新坐标的角度偏移量；t为转向阶段中节点更新的时间间隔。

2 基于VDES的船舶编队通信网络的路由协议性能分析

2.1 VDES通信组网特征

为了选择出最优的路由方案，需要设置一个真实具体的船舶编队通信网络场景。网络仿真是基于VDES下进行的，VDES中的MAC协议为时分多址接入(time division multiple access, TDMA)方式，为了确保接入协议和数据传输的稳定性，对时隙进行了详细的划分，一帧的长度为1 min，划分为2 250个时隙，每个时隙为22.67 ms，并且引入了TDMA信道和TDMA帧的概念，VDES-TER中总共有6个TDMA信道，每个TDMA信道又被划分为TDMA帧，编号为0～24，每个TDMA帧包含15个时隙，TDMA帧结构在时隙的使用上采用时间交错模式，在时间上是非连续的[11]，如图1所示。

图1 TDMA帧层次结构Fig.1 TDMA hierarchy

设计仿真场景时，数据传输速率和数据包的大小均为VDES的通信标准，设置的传输速率为307.2 kB/s，数据包的大小为672字节。MAC协议采用NS2仿真平台的CSMA/CD协议，也为时分复用，VDES的TDMA把时隙划分得更加精确，当节点过多时，可以有效地减少数据冲突和报文传输等待时间，因为一般船舶编队的数目为10～30条船，本文设置的为15个节点，所以这两种接入方式对性能的影响较小，因此采用了CSMA/CD协议作为VDES下编队网络的MAC协议。

主要考虑不同节点速度下路由协议的性能，在NS2仿真平台中将仿真环境按比例缩小为4 000×4 000，编队数量设置为15，考虑到船舶编队随着移动速度的增大，网络拓扑结构改变频繁的情况，通过在同一场景下改变节点的移动速度来达到不同仿真场景设计的要求，节点移动最大速度分别设置为0、10、20、30、40、50 m/s，仿真时间为200 s，分组发送率为每秒2个数据包。实验参数尽可能地接近了具体的船舶编队通信网络场景，如表1所示。

表1 模拟场景仿真参数表

2.2 移动自组网路由协议

目前常用的移动自组织通信网络的路由协议主要包括DSDV协议、DSR协议和AODV协议。DSDV路由协议中节点实时性的维护整个网络的路由信息，比较适合对实时性要求较高的网络，但是节点频繁的交换拓扑更新的消息，维护路由信息的代价较高，产生很大的路由开销，不适合拓扑变化频繁的网络[12-13]。DSR协议比较适合于对实时性要求不高，拓扑稳定的网络[14]。AODV协议具有一定的路由修复能力，可以及时修复受损的链路，并且在车联网和无人机编队自组网中应用广泛，这也证实了AODV比较适合这种拓扑结构经常变化的网络[15]。3种路由协议整体的性能对比如表2所示。

表2 协议性能对比

综上可知，根据船舶编队的实际应用场景，AODV协议是基于VDES的船舶编队通信网络最优的路由方案。

3 基于VDES的船舶编队通信网络的路由协议性能仿真分析

利用NS2仿真平台对基于VDES的船舶编队通信网络环境下AODV、DSR、DSDV 3种路由协议进行仿真分析，该网络一方面对数据传输的实时性要求较高，另一方面由于VDES带宽有限，在保证数据传输可靠性的同时要尽可能地降低路由开销，避免信道拥塞，因此主要针对时延性，路由开销和分组投递率3种性能进行比较。

3.1 基于VDES的船舶编队通信网络路由时延性分析

路由时延即从源节点发送一个分组到目的节点接收分组所用的时间，主要是建立路由和转发数据所占用的时间，用来衡量编队网络数据传输的实时性，端到端时延越小，网络越通畅。端到端平均时延计算公式为

D(i)=Tr(i)-Ts(i)

(18)

(19)

图2 端到端平均时延对比Fig.2 Comparative of end-to-end mean time delay

图2中显示了3种路由协议在不同移动速度下的端到端时延性能，由于节点较少，所以时延性随移动速度变化不大，并且存在上下波动，总体来看，DSR的时延性是最差的，最大时可以达到AODV的两倍，平均时延为0.5 s左右；DSDV的时延性最好，平均时延为0.2 s左右，这是因为DSDV路由中节点周期性的维护自身的路由表，当需要建立路由时，可以很快查找到路径，而AODV时延性仅次于DSDV，平均时延为0.3 s左右。

3.2 基于VDES的船舶编队通信网络路由开销分析

路由开销(normalized routing load，NRL)是指网络中所有节点发送的路由控制分组数，目与节点接收到的数据报文数目之比，它反映了网络的拥塞程度，协议开销越大，拥塞的概率就越大。路由开销计算公式为

(20)

式(20)中：NRP为网络节点接收的数据分组数目；NRC表示节点发送的路由控制分组数目。分析结果如图3所示。

图3 路由开销对比Fig.3 Comparison of normalized routing overhead

图3中显示的是3种路由协议在不同移动速度下的路由开销。由图3可知，随着移动速度的增大，路由开销总体是升高的趋势，当移动速度大于30时，由于拓扑结构改变得更快，各协议的路由开销显著增加，其中DSDV路由协议增大更快，这是因为DSDV协议中节点需要周期性的更新链路信息，这极大地增加了很多额外的路由控制分组，时延性较小的同时，带来了很大的路由开销，开销最大达到了45，而AODV协议即使当节点移动速度很大，拓扑变化较快的情况下，仍保持较低的路由开销，最高也不超过35。

3.3 基于VDES的船舶编队通信网络路由分组投递率分析

分组投递率(packet delivery fraction，PDF)是指在一段时间内接收到的分组占传输总数量的比例。分组投递率反映出了路由协议传输数据时的可靠性，分组投递率越高，可靠性越好，数据传输的完整性和准确性就越好。分组投递率计算公式为

(21)

式(21)中：NRF表示节点接收到的分组数目；NSP表示节点发送的分组数目。分析结果如图4所示。

图4 分组投递率对比Fig.4 Comparative of packet delivery rate

图4中为AODV、DSDV、DSR 3种路由协议在不同场景下的分组投递率。由图4可知，随着移动速度的不断增大，分组投递率总体是下降趋势，尤其当速度大于30 m/s，分组投递率急剧下降，这是因为拓扑结构改变较快时，链路容易发生断裂，链路未能及时更新所导致。

在海上通信中，由于VDES通信速率的限制以及当移动速度增大导致网络拓扑结构的易变性，3种路由协议的分组投递率都有一定的影响。从仿真可以看出，随着船舶移动速度的增大，3种路由协议中AODV的性能最好，这是因为当链路断裂时，AODV能依据一定的修复手段对链路进行及时的修复。其次是DSR，而DSDV协议的性能明显低于其他协议。

4 结论

综上研究可知，基于VDES的船舶编队通信网络路由技术研究对端到端时延，归一化路由开销，分组投递率3项性能进行分析如表3所示。

表3 路由协议总体性能分析

由此AODV路由协议较低的时延性，满足了基于VDES的船舶编队网络实时性的要求，较低的路由开销可以适应海上通信中VDES的低带宽特性，较高的分组投递率也适应编队网络拓扑结构变化频繁，易发生链路断裂的特性，所以AODV协议可以作为VDES下船舶编队通信网络的最优路由方案。