CN102547584B - 基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法，其特征在于：单播信道与广播信道兼容，采用自组织同步时分多址方式接入信道；根据船舶实际，考虑距离和速度两个运动参量，并以危险系数等级保证紧急信号优先接入信道；采用解决最小节点约束集的策略和三级节点退避方案。此外，如果获取不到广播信号，此协议退化为普通的IEEE802.11DCF，保证系统的鲁棒性。充分利用地理信息解决暴露/隐藏终端问题，以及解决选择最小节点约束集(SMS)方案。本发明涉及的信道接入方法是构建船载自组网(SANET)的关键技术之一，对其它移动设备组网也具有很强的参考价值。

Description

基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法

技术领域

本发明涉及无线自组网(Mobile Ad-hoc Networks，MANET)媒体接入控制(MAC)相关技术和应用，具体涉及一种动态同步时分多址的信道接入方法，属于海上船舶通过移动自组织组网进行数据传输的应用范畴。

背景技术

当前海上船舶交通事故的频繁发生，给航行安全和海洋环境造成了巨大的威胁，人们越来越认识到船舶之间紧急情况下数据交换的重要性。最近，一种船载自动标识系统(AIS)，采用自组织时分多址SOTDMA(Self-Organization TDMA)机制，用于满足船舶紧急情况下避碰的需求。但是AIS只能周期性广播安全信号，不能转发点对点数据。而通过增加具有转发功能的单播信道，既能很好地解决宽带数据传输问题，也能通过点对点方式的数据转发，进一步解决了分布式地组建海上船载自组移动通信网问题。

当前移动自组网(MANET)，其主流MAC协议有几十种，按照实时性可以分为基于竞争和基于无竞争两大类。基于竞争的MAC协议，例如基于CSMA/CS机制的IEEE802.11DCF系列，它的缺点是不能保证在重负载和节点密度大的场合有保证地接入信道，即不能满足实时性信道接入的要求。对于无竞争的MAC协议，例如在车载自组网(VANET)中，一种典型的基于可靠预约的RR-ALOHA协议，它主要利用一个周期(帧)的前半周竞争信道，后半周根据竞争得来的信道列表进行数据传输，响应速度较快。但是，由于每个节点参与每个周期的竞争，需要等待全部节点的时隙标记为空闲后才能占用该时隙，没有充分利用时隙连续性的特性。再比如战术数据链(Tactical Data-link)，它基于参与群把时元/时帧/时隙以二叉树的动态分配方式分配给各个战场资源，结构较为复杂。另外，许多为传感网络设计的时分多址(TDMA)协议，属于相对传感器运动不大的静态场合，也不适合应用于船舶通信的具体环境。

基于移动船舶(Shipborne)组成的移动船载自组网络(SANET)，目前的应用研究还是一片空白。此类网络不同于其他MANET，它具有如下特点：①船舶的运动速度适中。其运动速度比士兵、传感器等快，但比汽车、飞机、卫星等要慢，因此，被选定的传输时隙具有连续性，在一段时间内可以重复使用；②船舶一般装配有GPS等导航设备，容易获得自身及邻近节点的地理位置信息，同步性能良好，且其航迹具有可预测性；③船舶对避碰要求较高，安全信号需要周期性广播并且紧急信号必须有保证地实时接入。由于AIS系统携带有大量的船舶动态、静态信息，为SANET点对点数据时隙的接入响应时间的确定、时隙的个数及均匀性，提供了详细的参数，为时隙的分配带来了极大的便利。比如：除了船舶本身的静态特性：如船长、吨位、货物的安全性等，会对时隙选择产生影响外；船舶的运动特性：如在速度高、转向角大、相互距离近的情况下，为避免发生碰撞，需要紧急信号优先接入。因此本发明在解决信道的动态接入时，考虑到对速度、距离等运动参数的优先级和支持度；确保在高密度、重负载场合下通信的质量；在竞争不到时隙时，近距离节点能够采用最小节点约束集，确保紧急信号的优先接入信道。

当前，我国沿海大小船舶有50多万艘，目前仅仅局限于基于AIS的广播通信，缺乏船载通信系统(SANET)这种基于双信道(广播信道和单播信道)的自组织时分多分址技术。本发明设计采用动态同步自组织的信道接入技术，除了能保证公平性、服务质量(QoS)、解决隐蔽、暴露终端等问题外，还要考虑近距离通信的动态接入问题。自组网船载通信系统(SANET)组网灵活、展开迅速、不依赖于通信基础设施、成本低、生存能力强，能够为海事通信提供基础的网络基础传输平台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对移动船舶组网技术难题，提供一种能实现动态分布式组网、保证信道可靠接入的基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法，其特征在于：它将信道频率分成广播信道和单播信道，所述的广播信道和单播信道既能独立工作，又能兼容协调工作；信道上每个节点都能在广播信道上周期性广播安全信号，在单播信道上转发数据；所述的单播信道包括AISF、RTS/CTS/ACK和DATA的信息帧格式。

所述的节点在发送信息前，边监听信道边寻找空闲时隙，并构造前向预测时隙状态表，发送时隙预测差值编码。

进一步，根据速度和最近节点的相互距离这两个参数来表示船舶的运动特性和信道接入特性，并采用危险等级三级程度系数。

进一步，利用AISF中的地理坐标信息，解决SMS问题，当站台需要重新利用时隙时，除了空闲时隙之外，根据优先级由高到低还有三种情况，第一，利用可用于同时传输的暴露终端问题；第二，从最远站台中选择可重用的时隙，并减小功率或选择最小节点集来减少节点数量；第三，通过软预约方式发送约束节点控制信息。

当节点竞争不到时隙时，采用选择最小节点集退避策略。

所述的选择最小节点集的退避策略是先发送选择最小节点集信息，所述的选择最小节点集的发送半径降低一半，如果仍然竞争不到时隙，则再降低发送半径，依此退避，直到竞争到时隙为止。

本发明的基于自组织时分多址的信道接入方法，主要包括内容进一步阐述如下：

1、采用时分多址信道接入方法解决信道可靠接入，兼容现有的AIS广播信道；

2、以速度和距离反映船舶安全运动特性，在船舶以自组织时分多址的方式实时接入信道时，以三级危险系数划分信道接入的紧急程度；

3、利用AISF中的地理信息，采用选择最小节点集(SMS)的方法，保证紧急信号优先接入信道。

其中，内容1具体包括：把1分钟划为2250个时隙，每个时隙又划分为三部分：第一部分是AIS的协议帧格式(AISF)；第二部分是请求发送/清除发送/确认(RTS/CTS/ACK)；第三部分是数据(DATA)部分。第一部分存放船舶的动态信息和静态信息：如船舶对地航速、对地航向、航迹向、转向率、航行状态(横倾角、纵倾、横摆)以及与一跳范围内其他节点的位置等信息，其中TMO和时隙偏移(即Slot Offset)记录着节点名义传输时隙与以后七帧真实占用时隙之间偏移量(Exterior Offset)的差分编码值。第二部分中RTS存放源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间，CTS存放这次通信所需的持续时间，ACK存放确认信息。其中的三次握手内容包括：第一次握手，发送节点向邻居节点发送请求通信的信息RTS；第二次握手，邻居节点监听消息，没有收到，则放弃该次握手，成功接收则获取信息并决定是否继续该次握手；第三次握手，发送节点监听一个反馈消息CTS，没有收到，则丢弃该握手，成功接收则计算接收信号强度并决定是否继续该握手，若想继续则向接收节点发送确认信号ACK，接收节点成功接收以后完成两节点的连接。第三部分存放要发送的数据，例如语音、图像等数据。由于AISF携带有地理坐标信息，本发明采用地理信息与RTS/CTS/ACK相结合的方式，来解决暴露/隐藏终端问题，效果比IEEE802.11要好。

表一：选择最小节点集(SMS)三级危险系数参数表

其中，内容2具体包括：AIS所采用的时分多址只考虑了速度因素。但是，实际场景比如节点密度大、速度高、转向角大的情况下，船舶间的相互距离是另外一个关键性的参数，使用方法如下：先定义一个碰撞危险参数S，设S＝(100v)/d，其中，v表示船航行的速率，单位是海里/小时，d表示两船之间的距离，单位是海里。系统启动时，检测AIS信号，如果有信号，就将此信号通过无线(或者有线)方式取出，从而获取各节点的活动状态，于是根据取出信息中的速度、距离，将S划分三级紧急方案如表一所示。

更详细的内容阐述如下：

1)、通过AIS信号获取一跳范围内各节点的速度和距离，根据S＝(100v)/d计算各节点S的值。

2)、如表一所示，当S≥1500时，设为一级方案，表示发生碰撞危险的概率大，优先级最高，紧急信号需要优先接入信道，属于碰撞危险区域；当1500≥S≥200时，设为二级方案，表示发生碰撞危险的概率较大，但比一级方案小，优先级小于一级方案，紧急信号需要及时接入信道；当S≤200时，设为三级方案，表示发生碰撞危险的概率小，属于会遇安全区域，正常通信。

其中，内容3具体包括：选择最小节点集场景如图4所示。对于节点A来说，外圆包含的邻居节点集为{C1，C2，C3，C4，D2，D3，D4，B，E}，如果节点第一次在选择间隔SI中竞争不到时隙，则看是否有邻居节点发送信息，若没有就减小SMN个数，若有则要等待一段时间直到邻居节点发送完信息再减小SMN个数，可以通过把自己的选择节点集降低到发送半径的一半来实现，这时所包含选择最小节点集为SMS{C2，C3，C4，D3，D4，B}。如此类推。流程图如图5、图6。选择最小节点集(SMS)也可以通过减小发送功率来解决。通过减小远距离节点竞争信道，保证近距离的节点较快地速度接入信道。

与现有技术相比，本发明的优点在于：为解决紧急信号及时接入信道的问题，本发明在传统时分多址技术的基础上，进一步采用动态同步自组织时分多址技术，并对节点的动态特征(例如速度、距离)给予优先级支持。减小了入网接入时间，提高了动态响应度，改善了现有的船舶动态组网通信性能。

附图说明

图1是选择时隙流程图；

图2是单播信道示意图；

图3是重新利用时隙流程图；

图4是选择最小节点集SMS场景；

图5是选择最小节点集流程图；

图6是减少可选邻居节点集个数流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

在船载自组网环境中，为了应对紧急信号可靠接入信道，本发明提出一个单播数据信道的同步时分多址接入协议。本协议兼容原有SOTDMA广播信道，并且能够对点对点的数据传输提供支持。保证船舶在速度高、转向角大、距离近等紧急情况下即时通信，满足船舶动态实时接入信道的安全需求。如图2给出了单播信道的示意图，其中的每个时隙划分为三部分：第一部分是AIS的协议帧格式(AISF)；第二部分是请求发送/清除发送/确认(RTS/CTS/ACK)；第三部分是数据(DATA)部分，如图2中205-207。第一部分存放船舶的动态信息和静态信息；第二部分中RTS存放源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间，CTS存放这次通信所需的持续时间，ACK存放确认信息；第三部分存放要发送的数据，例如语音、图像等数据。

对本实施例的方法按如下三个步骤作具体说明。

1、采用时分多址信道接入方法解决信道可靠接入，兼容现有的AIS广播信道。包括如下步骤：a1、网络帧听阶段；a2、网络登录阶段；a3、连续操作阶段；a4、报告速率改变阶段。

预测方法，构造将要占用时隙的前向预测状态表104。在被占用的时隙中取出节点的AISF信息，从而获取一跳范围内发送信息的节点的活动状态以及时隙占用情况，建立一个反映各节点活动状态的状态表和反映信道活动状态的时隙表。在此过程中可能出现不能正常获取AISF的情况，此问题在后面a4中讨论。

其中，步骤a2具体包括：每次在当前时隙至未来标称增量NI的时间范围内随机选择一个空闲时隙作为信息传输的第一个时隙，即标称开始时隙201。在NSS时隙发送的总是船位报告，目的是让其他节点发现自己。这里可能会遇到时隙被占满的情况，这时需要重新利用时隙，具体情况将在后面实施步骤2详细介绍。待前向预测表中的确定一个帧长的发射时隙后，完成登录阶段。

其中，步骤a3具体包括：在每一个NTS发射之前，应该选择好下一个NS，并在SI的候选时隙中选择标称传输时隙203，计算出下一个NTS与当前NTS的偏移量(InteriorOffset)，注意，我们这里的偏移量是前向预测表中连续7帧的偏移量，这时的超时(TMO)和偏移量的值将存放名义占用时隙和真实占用时隙的差值的编码。当前向预测表中的候选时隙出现被占满的情况时106，采用选择最小节点集(SMS)约束算法，这时需要重新计算时隙偏移量，具体的分析将在具体实施方式步骤2中讨论。

其中，步骤a4具体包括：当速率发生变化时，标称增量(NI)也发生变化，这就需要重新选择NS和NTS，并更新前向预测表。如果SI范围内有原先分配好的NTS，则等待NTS的到来；如果没有，则等待下一个SI，重新选择新的NTS并计算与当前NTS的内部偏移量(Interior Offset)，更新前向预测时隙状态表，加入信息包发射出去。如此循环。

如果获取不到AIS信号，本此过程就退化成普通的IEEE802.11DCF。操作过程简述如下：①、发送节点首先检测信道，若信道空闲，向邻居节点发送一个短的控制帧206，即发送请求(RTS)；若信道忙，则推迟一段时间再发送。②、邻居节点监听消息，若成功接收则响应一个控制帧，即清除发送(CTS)；若没有收到，则不发送CTS。③、发送节点监听反馈消息CTS，若成功接收则向接收节点发送数据帧。若没有收到，则认为发生了冲突，延迟一段时间继续发送RTS。④、接收节点成功接收数据后发送确认帧(ACK)，发送节点收到后就完成了两节点间的连接。

2、运动节点以自组织同步时分多址的方式实时接入信道。

图1示出新节点加入的入网流程100，首先进行信道初始化101(即帧听阶段)，若节点在当前时隙至未来标称增量(NI)的时间范围内，没有发现空闲时隙，则要继续帧听，直到发现空闲时隙；若发现空闲时隙，立即占用并作为自己的标称开始时隙(NSS)，发射直到发现空闲时隙；若发现空闲时隙，立即占用并作为自己的标称开始时隙(NSS)，发射信息报告自己的到来，然后进入104阶段。在此阶段若候选时隙中有空闲时隙则进入107阶段，若候选时隙不足一个，则要重新选择时隙。节点以自组织同步时分多址的方式实时接入信道过程中也会遇到候选时隙不足一个的情况，此时也需要重新利用时隙。图3示出重新选择时隙的流程。

a2、当候选时隙中没有空闲时隙时，进入302阶段，即解决无线传输时的暴露终端问题，在实施方式的步骤3中有详细描述。若不符合暴露终端问题，即(Twithin-OH&&Rwithout-OH)‖(Rwithin-OH&&Twithout-OH)，则进入303阶段。

b2、当发送节点在候选时隙内找不到可预约的时隙时，根据所划分的三级方案占用优先级低的远距离节点预约的时隙。如图4，假设A为发送节点，C3、C4、D4、B都落在A的一级方案内，D2落在D4的三级方案内。当A与C4通信预约时隙时，候选时隙内没有空闲时隙，但存在远距离节点如D2与D4预约的时隙。则A在当前发送时隙会广播它与C4预约不到时隙的情况，D4听到后执行退避，主动让出与D2的预约时隙。若不存在远距离节点已预约的时隙，则进入304阶段。

c2、选择最小节点集304场景如图4所示。对于节点A来说，外圆包含的邻居节点集为{C1，C2，C3，C4，D2，D3，D4，B，E}，当节点第一次在选择间隔SI中竞争不到时隙时，根据图5所示的流程，先发送改变SMS的信息状态信息，等待邻居节点响应信息。这时收到SMS消息的节点采用相同的策略约束字节的邻接。成功则就进入504阶段，若有则要等待一段时间直到邻居节点发送完信息再进入504阶段，这时再检测是否有空闲时隙，若有就发送信息，若没有则返回502阶段。

d2、减少SMN个数通过降低自己的选择节点集的半径来实现，约束过程的实施步骤如图6所示。当发送节点竞争不到时隙时进入602阶段，发送准备采取最小节点集(SMS)策略的信息，待对方应答后，降低节点集半径，达到303远距离节点信道复用的目的。或者通过软预约方式，使碰撞危险参数低的节点退避。一跳范围内的邻居节点收到后采取相同的退避措施。然后发送节点再检测是否竞争到时隙，若找到空闲时隙则发送信息，若没有则返回602阶段。此过程也可以通过软预约的方式实现，由于AISF携带的有船舶的地理信息，根据本身与邻接节点的距离，以及邻接相互间距离，发送软预约方式和控制功率方式都比较方便。

3、隐藏/暴露终端问题

本发明提出的信道接入方法中需要避免暴露终端问题，例如当A跟B通信时，C3既不能跟A通信也不能跟D3通信。但是可以利用303阶段提到的暴露终端问题来提高信道的时隙复用SR(Slot Reuse)。如图4，当节点C1向D1发送信息或者当C1接收来自D1的信息时，不会影响到节点A与B的通信，所以节点A可以重新利用时隙向B发送信息，这就是处理同时传输时的暴露终端问题，这种情况被称为(Twithin-OH&&Rwithout-OH)‖(Rwithin-OH&&Twithout-OH)，Twithin-OH&&Rwithout-OH表示当一个发送节点的通信范围内的邻居节点在同一时刻向通信范围外的节点发送信息时，此发送节点可以重新利用时隙。Rwithin-OH&&Twithout-OH表示当一个接收节点的通信范围内的邻居节点在同一时刻接收来自通信范围外的节点的信息时，此接收节点可以重新利用时隙。如果SMS半径减小一半，A与B通信的同时节点C2可以与D2通信。如果节点获取了对方的位置信息，这个问题可以借助节点间的距离来判断，效果比IEEE802.11载波监听机制要好。

本发明并不仅限上述实施方式，在本说明书公开的范围内可以有多种变形。所有采用等同技术手段替换实现的技术方案均被视为本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法，它将信道频率分成广播信道和单播信道，所述的广播信道和单播信道既能独立工作，又能兼容协调工作；信道上每个节点都能在广播信道上周期性广播安全信号，在单播信道上转发数据；其特征在于：每个时隙划分为三部分：第一部分是船载自动识别系统(AIS)的协议帧格式(AISF)，存放船舶的动态信息和静态信息；第二部分是请求发送(RTS)/清除发送(CTS)/确认(ACK)，其中RTS存放源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间，CTS存放这次通信所需的持续时间，ACK存放确认信息；第三部分是数据(DATA)部分，存放用户要发送的数据，所述的单播信道包括AISF、RTS/CTS/ACK和DATA的信息帧格式。

2.根据权利要求1所述的基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法，其特征在于：节点在发送信息前，边监听信道边寻找空闲时隙，并构造前向预测时隙状态表，发送时隙预测差值编码。

3.根据权利要求1所述的基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法，其特征在于：根据速度和最近节点的相互距离这两个参数来表示船舶的运动特性和信道接入特性，并采用危险等级三级程度系数。

4.根据权利要求1所述的基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法，其特征在于：利用AISF中的地理坐标信息，解决选择最小节点集(SMS)问题，当站台需要重新利用时隙时，除了空闲时隙之外，根据优先级由高到低还有三种情况，第一，利用可用于同时传输的暴露终端问题；第二，从最远站台中选择可重用的时隙，并减小功率或选择最小节点集来减少节点数量；第三，通过软预约方式发送约束节点控制信息。

5.根据权利要求1所述的基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法，其特征在于：当节点竞争不到时隙时，采用选择最小节点集退避策略。

6.根据权利要求5所述的基于自组织时分多址的船载无线移动自组网信道接入方法，其特征在于：所述的选择最小节点集的退避策略是先发送选择最小节点集信息，把所述的选择最小节点集的发送半径降低一半，如果仍然竞争不到时隙，则再降低发送半径，依此退避，直到竞争到时隙为止。