CN104679032B - 一种利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法，主要解决船舶岸基无线网络中，因为岸基基站和所服务船舶均使用定向天线，所以无法在邻居发现阶段发现彼此，进而无法进行通信的问题。其实现包括连接建立、岸基基站校准、服务船舶校准三个步骤。本发明适用于岸基基站和船舶都配备定向天线的专用船舶岸基无线网络，天线调节方法简单，能够实现岸基基站与近岸航道上船舶的通信。

Description

一种利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的 方法

技术领域

本发明涉及船舶岸基无线网络通信，具体是一种利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法。

背景技术

船舶岸基无线网络是海洋互联网中的一个重要组成部分，其主要负责将陆上高品质高带宽的因特网无线延伸至离岸5公里-30公里的近岸航道上的船舶。

目前船舶岸基无线网络尚处于研究起步阶段，船舶岸基无线网络之所以研究地比较晚，主要原因是，远洋船舶上工作以及生活的人们已经习惯了航海过程中枯燥乏味的生活，当遇到特殊情况，例如，遇到海盗，撞船事故以及不可抗拒的自然灾难之后，才会勉强使用卫星通信的方法与岸上指挥人员进行联系，众所周知卫星通信不仅带宽极其有限，而且价格非常昂贵，不是一般个人以及小型公司所能承受的。

在经济全球化如此深入，远洋运输的货物量占到国际间货物运输量的80％的今天，人们对廉价高品质的海上无线接入的需求越来越高，人们期待在远洋航行过程中也能像在陆地上一样，可以以能够承受的代价接入因特网，享受各种因特网服务，为海上枯燥乏味的生活带来一些乐趣，同时也能为自己的人生安全带来一份保障。

以上原因致使越来越多的人们展开对海洋上网络的研究。

通过查看全球船舶自动识别系统(Automatic Identification System，简称AIS)船舶实时信息，我们发现海洋上的船舶虽然很多，但是有将近70％是沿着近岸航道航行，只有少部分是在深海中航行，如果我们可以为近岸航道上的船舶提供可靠的因特网接入服务，那么就将我们的研究迈进了一大步，由此可见岸基无线网络在海洋互联网研究中的重要性非常高。

Shengming Jiang在“On the Marine Internet and Its PotentialApplications for Underwater Inter-networking”WUWNet'13Proceedings of theEighth ACM International Conference on Underwater Networks and Systems,NY,USA,2013一文中构建了一个叫做海洋互联网的系统，该系统可以将海洋上航行的船舶以较低的价格较大的带宽接入因特网，船舶岸基无线网络是该系统的一个重要组成部分，该文章从整体上阐述了海洋互联网系统这一构想，不足的是，文章对船舶岸基无线网络没有一个相对详细的实施方案。

Young-Bae Ko在“Medium Access Control Protocols Using DirectionalAntennas in Ad Hoc Network”IEEE INFOCOM,vol.1,2000.pp.13-21一文中，通过假定收发终端进行通信时，发方天线定向传输数据，收方天线全向接收数据，从而在保证带宽的同时延长传输距离，然而这种方式虽然能够在一定程度上提高传输性能，但还不能够充分利用定向天线空间复用的优势，同时定向传输全向接收也会引起天线增益的不对称。

Emad Shihab在“A Distributed Asynchronous Directional-to-DirectionalMAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks”IEEE Transactions on VehicularTechnology,vol.58,2009.pp.5124-5134一文中，通过改进过去天线定向发送全向接收的方法，使用了定向发送定向接收的方法，在很大程度上延长了传送距离也解决了增益匹配问题，但是文章描述得太过笼统，重点放在了多媒体接入控制层的协议的设计上，对天线系统如何调整天线没有一个详细的描述，而且文章也没有一个具体的使用场景。

综上所述，现有的通信方法如果直接应用到船舶岸基无线网络中，会存在诸多局限，在通信天线的选取上都是采用全向天线；或是采用定向发送全向接收的模式，即使采用定向发送定向接收的模式，也没有对如何对天线进行调整有一个详细的描述，同时也没有一个具体的使用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明将定向发送定向接收这一通信模式，利用到船舶岸基无线网络中船舶与岸基基站的通信上，通过AIS和卫星系统向岸基基站和所服务船舶提供彼此的位置信息，很好地解决了岸基基站和所服务船舶因为都使用定向天线所产生的邻居发现难问题，并且对天线的调整方法进行了详细描述，很好地解决了船舶岸基无线网络中船舶与岸基基站如何进行通信这一问题。本发明的目的在于提供一种利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法。岸基基站和所服务船舶分别通过AIS系统和卫星系统获取对方位置信息，并利用船舶岸基网络双定向天线调整算法调整彼此天线方向角，同时建立连接；岸基基站根据以特定周期获取的所服务船舶的AIS信息中包含的所服务船舶的航速，航向，以及位置信息不断校验自身天线方向角；所服务船舶根据自身AIS终端中的自身位置信息，不断校验自身天线方向角和天线功率。本发明所提供的利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法，通过让收发双方同时使用定向天线，有效延长了通信距离以达到船舶岸基无线网络的要求。此外通过AIS和卫星系统为使用定向天线的通信收发双方提供彼此相关信息，有效解决了长距离通信中，因为收发双方同时采用定向天线，所以在邻居发现阶段无法发现彼此的问题。

本发明的利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法包括以下步骤101、步骤102、和步骤103：

步骤101，即连接建立部分。当岸基基站通过从AIS，获取所服务船舶的AIS信息，所服务船舶从卫星系统获取岸基基站的位置坐标之后，岸基基站与所服务船舶根据彼此的位置坐标，利用船舶岸基网络双定向天线调整算法调整各自天线方向角以建立通信，其具体实现包括以下步骤：

步骤201：岸基基站利用获取的所服务船舶AIS信息中包含的所服务船舶的位置坐标Ship(ship_x,ship_y)，以及从自身北斗终端提取的自身位置坐标BS(bs_x,bs_y)，根据笛卡尔坐标转极坐标公式算出所服务船舶相对于自身的极坐标Ship_p(ρ₁，α₁)；岸基基站控制自身发送天线方向角在[α₁-γ,α₁+γ]范围内，以特定周期T_s1，匀速来回震荡旋转，每经过T_s1/8时间向所服务船舶发送一次通信请求报文DRREQ(ship_x,ship_y,bs_x,bs_y,γ)；γ为天线方向角扫描幅度；

步骤202：所服务船舶利用获取的岸基基站的坐标BS(bs_x,bs_y)和从自身AIS船载终端中提取的自身坐标Ship(ship_x,ship_y)，根据笛卡尔坐标转极坐标公式算出岸基基站相对于自身的极坐标BS_P(ρ，α)；所服务船舶控制自身接收天线方向角在[α-γ,α+γ]范围内，以特定周期T_s2，匀速来回震荡旋转，并始终处于信号接收模式；T_s2≠T_s1；

步骤203：当所服务船舶接收到岸基基站发送的DRREQ之后，立刻向岸基基站发送DRREP(bs_x,bs_y,ship_x,ship_y)，并停止自身天线的转动；

步骤204：当岸基基站接收到DRREP(bs_x,bs_y,ship_x,ship_y)之后，立刻向所服务船舶发送ACK确认信息，并停止自身天线的转动；当岸基基站在发出DRREQ之后的T_d时间内，仍未收到所服务船舶发送给自身的DRREP，则调整参数γ为原来的两倍，并返回步骤201；T_d为DRREQ默认重发时间。

步骤102，即岸基基站校准部分。岸基基站利用岸基基站定向天线动态校准算法，以特定周期T₁校准自身定向天线方向角θ₁，以此保证通信质量，其具体实现包括以下步骤：

步骤301：岸基基站以特定周期T₁从AIS岸台获取所服务船舶的AIS信息，并根据t时刻获取的AIS信息中所包含的船舶航速v_s以及航向不断估算t至t+T₁时刻船舶的实时位置坐标Ship_T(ship_Tx,ship_Ty)；

步骤302：当岸基基站检测到自身与所服务船舶的通信质量在t至t+T₁之间的某一t₂时刻明显下降的时候，岸基基站使用t时刻船舶的坐标，岸基基站坐标，t₂时刻船舶的坐标和三角形余弦公式计算出方向天线的临时偏向角θ_t，并将自身天线原本的方向角θ₁调整至θ₁+θ_t；θ₁为t时刻岸基基站方向天线的实际方向角；

步骤303：当岸基基站检测到自身与所服务船舶的通信质量在经过步骤301和步骤302调整过后有所提高，则返回步骤301，否则岸基基站处于等待模式，

直到t+T₁时刻，岸基基站获得最新的所服务船舶的AIS信息之后，返回步骤301。

步骤103，即所服务船舶校准部分。所服务船舶根据自身航行轨迹，动态校准自身定向天线方向角θ₂，并根据岸基基站与自身的直线距离d以特定周期T₂调整自身方向天线的发射功率P_s，以此保证通信质量，节约自身能量，其具体实现方法如下：

所服务船舶以特定周期T₂实时从自身AIS终端提取自身位置坐标，并根据岸基基站坐标和自身位置坐标，实时计算岸基基站相对于自身的极坐标BS_Pt(ρ_t，α_t)，并根据以特定周期T₂实时调整自身定向天线方向角θ₂，同时根据岸基基站与自身的直线距离d和距离能量换算公式，算出所服务船舶天线最小额定发射功率P_min，以特定周期T₂调整自身天线的发射功率P_s，令其趋近于最小额定发射功率P_min，以节约船舶有限的能量；为t-T₂时刻岸基基站相对于所服务船舶的极坐标中的方向角度；θ₂为t时刻船舶方向天线的实际方向角；为t-T₂时刻船舶方向天线的实际方向角。

本发明具有如下优点：

(1)岸基基站与船舶都使用了定向天线进行通信，这有效地延长了它们之间的通信距离，提高了通信的空间利用率，解决了增益的匹配问题，同时减小了其它信号对通信的干扰，提高了通信质量，增大了通信速率，并且降低了被其它非法节点发现和监听的概率，增加了通信的安全性；

(2)岸基基站和船舶都具有北斗终端和AIS终端，因此岸基基站和船舶获取彼此的相关信息非常容易，岸基基站只需要连入AIS系统就可以得到船舶的AIS信息，船舶只需要连入卫星系统，就可以得到岸基基站的位置信息；

(3)船舶可以通过岸基基站的位置坐标得到岸基基站与自身的距离，通过岸基基站与自身距离调整自身发射天线的功率已达到节约自身有限能量的目的。

附图说明

图1为本发明中岸基基站分别使用定向天线与全向天线在使用相同功率前提下，传输范围的对比图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为步骤302中θ_t的计算示意图；

图5为实施例的信令流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清晰，以下参照附图并举实施例，对发明做进一步的详细说明。

在参考图2、图3、图4和图5更详细地说明根据本发明原理的可能操作之前，首先参见图1。图1是岸基基站分别使用定向天线与全向天线在使用相同功率前提下，信号传输范围的对比图，从图1中可以很清晰地看出，岸基基站若使用全向天线进行通信，信号覆盖的范围近似于一个半径为r公里的圆，5公里≤r≤10公里，岸基基站若使用定向天线进行通信，信号覆盖的范围近似天线一侧一个扇形区域，且最远可以覆盖到离岸基基站m公里的位置，m≥30公里，一般近岸航道离海岸线在5公里至30公里的位置，若岸基基站使用定向天线与船舶进行通信，只要适当调整天线的参数，信号完全可以覆盖到近岸航道上的大部分船舶，但如果使用全向天线与船舶通信，那么信号就不一定可以覆盖到近岸航道上的船舶了。通过图1可以知道通过给岸基基站配备定向天线并且根据船舶位置适当调整天线方向角，岸基基站就可以与近岸航道上的船舶通信。

图2是本发明的整体示意图，从示意图中我们可以看到本发明主要涉及四个设备，卫星系统、AIS岸台、岸基基站和所服务船舶。卫星系统为所服务船舶提供岸基基站的位置信息，AIS岸台为岸基基站提供所服务船舶的AIS信息，岸基基站和所服务船舶分别根据已经获得的彼此的位置信息利用船舶岸基网络双定向天线调整算法调整自身天线的方向角，使彼此建立连接；连接建立以后，岸基基站利用从AIS岸台，实时获得的所服务船舶的AIS信息，校准自身方向天线的方向角；与此同时，所服务船舶利用从自身AIS船载设备，实时获得的自身AIS信息，校准自身方向天线的方向角，调整自身天线的发射功率，以达到保证传输质量，节约自身能量的目的。

图3显示了本实施例所述的利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法的流程图。如图3所示，上述实施例所述的利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法应当包括以下过程：

(一)岸基基站和所服务船舶根据从AIS系统和卫星系统获取的彼此位置信息，利用船舶岸基网络双定向天线调整算法调整彼此天线方向角以建立连接，其具体实现包括以下步骤：

步骤201.岸基基站从AIS岸台以特定周期T₁获取所服务船舶的AIS信息，同时所服务船舶从卫星系统获取岸基基站的位置坐标BS(bs_x,bs_y)；接着岸基基站利用获取的所服务船舶AIS信息中包含的所服务船舶的位置坐标Ship(ship_x,ship_y)，以及从自身北斗终端提取的自身位置坐标BS(bs_x,bs_y)，根据笛卡尔坐标转极坐标公式算出所服务船舶相对于自身的极坐标岸基基站控制自身发送天线方向角在范围内，以特定周期T_s1，匀速来回震荡旋转，每经过T_s1/8时间向所服务船舶发送一次通信请求DRREQ(ship_x,ship_y,bs_x,bs_y,γ)；γ为天线方向角扫描幅度；

步骤202.所服务船舶利用从步骤201获取的岸基基站的坐标BS(bs_x,bs_y)和从自身AIS船载终端中提取的自身坐标Ship(ship_x,ship_y)，根据笛卡尔坐标转极坐标公式算出岸基基站相对于自身的极坐标 所服务船舶控制自身天线方向角在范围内，以特定周期T_s2，匀速来回震荡旋转，并始终处于信号接收模式；T_s2≠T_s1；

步骤203.当所服务船舶接收到岸基基站发送给自身的DRREQ之后，立刻向岸基基站发送DRREP(bs_x,bs_y,ship_x,ship_y)，并停止自身天线的转动；

步骤204.当岸基基站接收到发送给自己的DRREP之后，立刻向所服务船舶发送ACK确认信息，并停止自身天线的转动；当岸基基站在发出DRREQ之后的T_d时间内，仍未收到所服务船舶发送给自身的DRREP，则调整参数γ为原来的两倍，并返回步骤201；T_d为DRREQ默认重发时间。

(二)岸基基站根据实时获取的所服务船舶的AIS信息中包含的所服务船舶的航速，航向，以及位置信息不断校验自身天线方向角，其具体实现包括以下步骤：

步骤301.岸基基站继续以周期T₁从AIS岸台获取所服务船舶的AIS信息，并根据t时刻获取的AIS信息中所包含的船舶航速v_s以及航向不断估算t至t+T₁之间时刻船舶的实时位置坐标Ship_T(ship_Tx,ship_Ty)；

步骤302.当岸基基站检测到自身与所服务船舶的通信质量在t至t+T₁之间的某一t₂时刻明显下降的时候，岸基基站使用t时刻船舶的坐标，岸基基站坐标，t₂时刻船舶的坐标和三角形余弦公式计算出方向天线的临时偏向角θ_t，如图4，并将自身方向天线原本的方向角θ₁校准至θ₁+θ_t；θ₁为t时刻岸基基站方向天线的实际方向角；

步骤303.当岸基基站检测到自身与所服务船舶的通信质量在经过以上调整之后有所提高，则返回步骤301，否则岸基基站处于等待模式，直到t+T₁时刻，岸基基站再次获得最新的所服务船舶的AIS信息之后，岸基基站返回步骤301。

(三)所服务船舶根据自身AIS终端中的自身位置信息，不断校准自身天线方向角和天线功率，其具体实现方法如下：

所服务船舶与岸基基站建立连接之后，所服务船舶进入船舶校准模式，以特定周期T₂实时从自身AIS终端提取自身位置坐标Ship(ship_x,ship_y)，并根据岸基基站坐标和自身位置坐标，在t时刻实时计算岸基基站相对于自身的极坐标并根据以特定周期T₂，实时校准自身定向天线方向角θ₂，同时根据岸基基站与自身的直线距离岸基基站天线接收灵敏度RxdBm，传播损耗Los，传输频率f以及天线发射功率计算公式：P_min＝32.44+20lg d+20lg f+RxdBm+Los，算出所服务船舶额定最小发射功率P_min，通过调整自身发射天线的实时发射功率P_s，使P_s→P_min+，不断校准自身天线的发射功率，以此节约船舶有限的能量；为t-T₂时刻岸基基站相对于所服务船舶的极坐标中的方向角度；θ₂为t时刻船舶方向天线的实际方向角；为t-T₂时刻船舶方向天线的实际方向角。

图5是本实施例的信令流程图。如图5所示，首先，岸基基站周期性向AIS岸台发送所服务船舶的AIS信息请求，当AIS岸台接收到岸基基站发给自身的请求之后，AIS岸台向岸基基站返回其所请求的船舶的AIS信息，与此同时，所服务船舶也向卫星系统发送岸基基站位置信息请求，当卫星系统接收到所服务船舶发送给自身的请求之后，向所服务船舶返回其所请求的岸基基站的位置信息，岸基基站和所服务船舶根据获得的彼此的位置信息，设置好自身的方向天线的方向角旋转范围，并进行周期性旋转，然后，岸基基站向所服务船舶发送方向天线路由请求报文DRREQ，所服务船舶接收到岸基基站发送给自身的DRREQ之后，停止自身方向天线的转动并向岸基基站返回方向天线路由回应报文DRREP，当岸基基站接收到所服务船舶发送给自身的DRREP之后，停止自身方向天线的转动并向所服务船舶返回确认报文ACK，至此岸基基站与所服务船舶建立通信，最后，岸基基站根据周期获得的所服务船舶的AIS信息中包含的所服务船舶的航速、航向和坐标信息，不断校验自身天线方向角，与此同时，所服务船舶也不断根据自身的位置变化，校验自身天线的方向角和发射功率。

Claims (1)

1.一种利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法，其特征在于包括：

步骤101：当岸基基站通过从船舶自动识别系统，即Automatic IdentificationSystem—AIS，获取所服务船舶的AIS信息，所服务船舶从卫星系统获取岸基基站的位置坐标之后，岸基基站与所服务船舶根据彼此的位置坐标，利用船舶岸基网络双定向天线调整算法调整各自天线方向角以建立通信；步骤101由以下四个子步骤实现：

步骤201：岸基基站利用获取的所服务船舶AIS信息中包含的所服务船舶的位置坐标Ship(ship_x,ship_y)，以及从自身北斗终端提取的自身位置坐标BS(bs_x,bs_y)，根据笛卡尔坐标转极坐标公式算出所服务船舶相对于自身的极坐标Ship_p(ρ₁，α₁)；岸基基站控制自身发送天线方向角在[α₁-γ,α₁+γ]范围内，以特定周期T_s1，匀速来回震荡旋转，每经过T_s1/8时间向所服务船舶发送一次通信请求报文DRREQ(ship_x,ship_y,bs_x,bs_y,γ)；γ为天线方向角扫描幅度；

步骤202：所服务船舶利用获取的岸基基站的坐标BS(bs_x,bs_y)和从自身AIS船载终端中提取的自身坐标Ship(ship_x,ship_y)，根据笛卡尔坐标转极坐标公式算出岸基基站相对于自身的极坐标BS_P(ρ，α)；所服务船舶控制自身接收天线方向角在[α-γ,α+γ]范围内，以特定周期T_s2，匀速来回震荡旋转，并始终处于信号接收模式；T_s2≠T_s1；

步骤203：当所服务船舶接收到岸基基站发送的DRREQ之后，立刻向岸基基站发送DRREP(bs_x,bs_y,ship_x,ship_y)，并停止自身天线的转动；

步骤204：当岸基基站接收到DRREP(bs_x,bs_y,ship_x,ship_y)之后，立刻向所服务船舶发送ACK确认信息，并停止自身天线的转动；当岸基基站在发出DRREQ之后的T_d时间内，仍未收到所服务船舶发送给自身的DRREP，则调整参数γ为原来的两倍，并返回步骤201；T_d为DRREQ默认重发时间；

步骤102：岸基基站利用岸基基站定向天线动态校准算法，以特定周期T₁校准自身定向天线方向角θ₁，以此保证通信质量；

步骤102由以下三个步骤实现：

步骤301：岸基基站以特定周期T₁从AIS岸台获取所服务船舶的AIS信息，并根据t时刻获取的AIS信息中所包含的船舶航速v_s以及航向不断估算t至t+T₁时刻船舶的实时位置坐标Ship_T(ship_Tx,ship_Ty)；

步骤302：当岸基基站检测到自身与所服务船舶的通信质量在t至t+T₁之间的某一t₂时刻明显下降的时候，岸基基站使用t时刻船舶的坐标，岸基基站坐标，t₂时刻船舶的坐标和三角形余弦公式计算出方向天线的临时偏向角θ_t，并将自身天线原本的方向角θ₁调整至θ₁+θ_t；θ₁为t时刻岸基基站方向天线的实际方向角；

步骤303：当岸基基站检测到自身与所服务船舶的通信质量在经过步骤301和步骤302调整过后有所提高，则返回步骤301，否则岸基基站处于等待模式，直到t+T₁时刻，岸基基站获得最新的所服务船舶的AIS信息之后，返回步骤301；

步骤103：所服务船舶根据自身航行轨迹，动态校准自身定向天线方向角θ₂，并根据岸基基站与自身的直线距离d以特定周期T₂调整自身方向天线的发射功率P_s，以此保证通信质量，节约自身能量；

步骤103如下实现：

所服务船舶以特定周期T₂实时从自身AIS终端提取自身位置坐标，并根据岸基基站坐标和自身位置坐标，实时计算岸基基站相对于自身的极坐标BS_Pt(ρ_t，α_t)，并根据以特定周期T₂实时调整自身定向天线方向角θ₂，同时根据岸基基站与自身的直线距离d和距离能量换算公式，算出所服务船舶天线最小额定发射功率P_min，以特定周期T₂调整自身天线的发射功率P_s，令其趋近于最小额定发射功率P_min，以节约船舶有限的能量；为t-T₂时刻岸基基站相对于所服务船舶的极坐标中的方向角度；θ₂为t时刻船舶方向天线的实际方向角；为t-T₂时刻船舶方向天线的实际方向角。