CN111491285A - 用于海上Ad hoc组网通信的控制系统、方法、终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种用于海上Ad hoc组网通信的控制系统、方法、终端，使用GIS系统进行统一授时，达到全网时间同步；本发明通过分簇结构组网，正常工作时，利用系统的低速通信模块进行网络维护，利用高速通信模块承担网络业务通信。高速通信模块异常或繁忙时，可以使用低速通信模块实现应急的短报文、AIS和语音通信。高速通信模块工作在400MHz至600MHz，便于通信系统向军民两用方向升级，通信速率可达100Mbps；低速通信模块工作在30MHz左右的渔用通信频段，通信速率最高为800Kbps；硬件支持亚毫秒级定时，满足基于高精度TDMA的路由协议的时隙分配需求，软件部分搭载无线Ad hoc网络协议栈，用于分簇结构的Ad hoc网络组网。

Description

用于海上Ad hoc组网通信的控制系统、方法、终端

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种用于海上Ad hoc组网通信的控制系统、方法、终端。

背景技术

我国海域辽阔，是水产品生产和贸易大国。随着我国渔业的发展，渔业无线通信显得越来越重要，保障海上作业的安全、加强渔船管理、提高通讯速率等成为海上通信系统开发的关键。由于渔业生产的特点，船只移动速度相对缓慢，网络拓扑变化慢，与GPS定位系统相结合，定位信息准确。海洋渔船通信存在的主要问题是当大量渔船聚集作业时，不可能为每一渔船用户分配一个独立的信道，造成通信网络内信号拥塞，信息不能及时传达，通信质量受到严重影响。

当前，我国广泛应用的海洋通信系统主要包括海上无线通信系统、海洋卫星通信系统和基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信系统。它们共同构成一个基本实现海洋全覆盖的通信网络。该系统能够保障近海、远海和远洋的船舶-海岸、船舶-船舶的日常通信。海洋卫星通信系统最突出的优点是通信距离较远，但卫星通信的应用成本较为昂贵，且通信带宽受限，而我国陆地公共移动通信系统发展完善，作为海上无线通信和卫星通信的补充。在近海区域，岸基移动通信系统具有独特的通信优势，最大的不足就是覆盖的沿岸海域范围太小，因此，将陆地通信网络拓展到近海海洋的关键难点是如何提高其覆盖范围。因此，解决上述问题的技术核心是将自组网络技术与渔船作业特点相结合，建立适用于海上渔船无线自组织网络，更好地为近海作业的渔船提供可靠保障的通信服务。Ad Hoc(点对点)网络是自组织、多跳的宽带无线分布式网络，具有快速部署、易于拓展、快速自愈等特点。而现今的无线网络不仅要有较高传输速率和较大网络容量，还要求覆盖范围广、传输可靠性高和可扩展性强等。为了应对这些需求，Ad Hoc网络还有着诸多问题等待解决。虽然Ad hoc网络非常适合应用在近海渔船间的通信场景中，但目前并没有被广泛使用。这使得很多相关的研究，尤其是海上渔用Ad hoc网络的研究大多停留在仿真阶段。因此，为了促进海上渔用Adhoc网络的应用，搭建一个通用的渔用综合通信平台进行Ad hoc组网成为亟待完成的任务。

传统的渔用电台工作在30MHz左右的频段，渔船单跳范围大但数据传输速率较低，由于带宽需求越来越大，因此需要添加高速通信功能。考虑到渔船在海上对位置信息的依赖程度较高，渔用的通信平台有必要装载GIS功能。在这个基础上，实现渔用Ad hoc网络时可以引入位置信息进行节点的管理。除此之外，越来越多的Ad hoc网络协议设计需要高精度的定时信息，因此亚毫秒级的精确定时也是这类通信平台的主要需求之一。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的渔用电台工作在30MHz左右的频段，渔船单跳范围大但数据传输速率较低，且单跳范围不能满足当前通信距离的需求。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)传统渔用通信系统工作在30MHz的超短波频段，频谱拥挤，很难提高通信速率。

(2)海上渔用单跳通信距离受限于地球曲率半径和天线高度，一般不超100km，且难以建立固定基站或者中转站，不能满足广大海域远距离用户间的通信需求。

解决以上问题及缺陷的意义为：

(1)提升渔用电台的通信速率，可以丰富海上作业人员的日常生活。

(2)Ad hoc网络可以多跳组网，在高速通信的前提下，拓展渔用通信电台的通信范围，方便渔政部门进行管理。

(3)通过本发明，可以验证多种Ad hoc网络路由协议，为相关研究提供验证平台。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于海上Ad hoc组网通信的控制系统、方法、终端。

本发明是这样实现的，一种用于海上Ad hoc组网通信控制方法，所述用于海上Adhoc组网通信控制方法包括：

第二步，划分子时隙，节点根据自身在簇中的位置，并根据硬件提供的高精度时隙功能，在对应的时隙发送HELLO分组消息；

第三步，当邻居节点发现时段结束，所有节点按照距离簇中心最近原则完成簇首选举；

第四步，簇首选举结束后，利用低速通信模块进行路由和网络维护，利用高速通信模块为主进行网络业务通信，并在高速通信模块通信不可达时，采用低速模块进行应急通信。

进一步，所述用于海上Ad hoc组网无线通信控制方法利用GIS模块输出的秒定时信息与本地时钟进行锁定，产生本地高速精确时钟，利用GIS模块的低速时钟消除本地时钟的累计误差。

进一步，所述用于海上Ad hoc组网通信控制方法中的信息在系统中的传递包括：路由维护信息由ZYNQ中运行的应用层程序产生，通过ZYNQ芯片的PL端串口由低速通信模块发送；应用数据，由系统外部的网络设备产生，通过网口发给ZYNQ芯片PS端，网络IP包首先被本发明的Linux系统中Netfilter内核模块截获，根据记录的路由表并按照用户逻辑对数据IP包的包头进行修改，随后通过PL端的并行接口由高速通信模块发送；在ZYNQ芯片内部PS端与PL端通过BRAM进行数据交互；PS端将发送数据写入BRAM1，并向PL端给出IO中断，接到中断的PL端程序将数据读入FIFO；反过来PL端将接收到的数据写入BRAM2，并给出IO中断；其中，PS端通过AXI总线对BRAM进行读写，PL端通过程序操作并行口时序进行读写。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求任意一项所述，包括下列步骤：

第一步，整个网络进入初始化的阶段，所有节点通过GIS定位设备获得自己的节点位置；使用簇内节点定位算法，计算出自己所在的蜂窝簇，计算节点自身到所在蜂窝簇中心的距离；

第二步，划分子时隙，节点根据自身在簇中的位置，在对应的时隙发送HELLO分组消息；

第三步，当邻居节点发现时段结束，所有节点按照距离簇中心最近原则完成簇首选举；

第四步，簇首选举结束后，利用低速通信模块进行路由和网络维护，利用高速通信模块为主进行网络业务通信，并在高速通信模块通信不可达时，采用低速模块进行应急通信。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的用于海上Adhoc组网通信控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述用于海上Ad hoc组网通信控制方法的用于海上Ad hoc组网通信控制系统，所述用于海上Ad hoc组网通信控制系统包括：

外部网络设备与ZYNQ通过以太网接口相连，ZYNQ作为外部网络设备的外接路由器；

GIS模块和低速通信模块与ZYNQ的PL端通过串口连接，高速通信模块与ZYNQ的PL端通过高速并行接口相连。本发明的另一目的在于提供一种搭载所述用于海上Ad hoc组网通信控制系统的终端。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明搭载无线Ad hoc网路协议栈，可用作分簇结构的Ad hoc网络的节点；拥有两种无线通信工作模式，一种工作在400MHz至600MHz，方便后续通信系统向军民两用方向升级，通信速率可达100Mbps，用于承担网络业务通信；另一种工作在30MHz左右的渔用通信频段，通信速率最高为800Kbps，用于承担网络维护以及应急短报文、AIS、语音通信等业务。硬件支持亚毫秒级定时，可以满足基于TDMA的路由协议的时隙分配需求。使用GIS系统进行统一授时，达到全网时间同步。

所述30MHz低速通信模块典型发射功率谱如图9所示，实物图如图11所示；所述高速通信模块典型发射功率谱如图10所示，ZYNQ及高速通信模块实物图如图12所示。图13给出了本发明实施后的网络信息测试结果，其中ND-HC为本发明中Ad hoc邻居发现算法，由图可以看到随着网络中节点数量的增加，本发明实现的ND-HC算法性能明显优于传统802.11协议性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于海上Ad hoc组网无线通信控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的用于海上Ad hoc组网无线通信控制系统的结构示意图；

图中：1、外部网络设备；2、ZYNQ；3、GIS模块；4、高速通信模块；5、低速通信模块。

图3是本发明实施例提供的组成的Ad hoc网络的分簇方式示意图。

图4是本发明实施例提供的分簇Ad hoc网络组网方法中的时隙分配方式示意图。

图5是本发明实施例提供的Ad hoc网络组网方法中的HELLO消息结构示意图。

图6是本发明实施例提供的Ad hoc网络基于GIS系统的全网时钟同步方法示意图。

图7是本发明实施例提供的核心ZYNQ芯片中的信息传送流程示意图。

图8是本发明实施例提供的ZYNQ中PS与PL通过BRAM交互时，BRAM中的数据存储结构示意图。

图9是30MHz低速通信模块输出的一种典型信号频谱图。

图10是400MHz至600MHz频段高速通信实测频谱图。

图11是低速通信模块实物图。

图12是ZYNQ及高速通信模块实物图.

图13是本发明实施后的性能测试结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于海上Ad hoc组网通信的控制系统、方法、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于海上Ad hoc组网通信的控制方法包括以下步骤：

S101：整个网络进入初始化的阶段，所有节点通过GIS定位设备获得自己的节点位置，然后使用簇内节点定位算法，计算出自己所在的蜂窝簇，计算节点自身到所在蜂窝簇中心的距离。

S102：划分子时隙，节点根据自身在簇中的位置，在对应的时隙发送HELLO分组消息。

S103：当邻居节点发现时段结束，所有节点按照距离簇中心最近原则完成簇首选举。

S104：簇首选举结束后，利用低速通信模块进行路由和网络维护，利用高速通信模块为主进行网络业务通信，并在高速通信模块通信不可达时，采用低速模块进行应急通信。

本发明搭建分簇Ad hoc网络的方法包括：

使用GIS系统进行网络统一授时；

使用GIS系统的授时信号与ZYNQ芯片中PL端的高速时钟进行时隙划分。

使用GIS系统进行节点定位，并按照图3所示方式基于地理位置进行分簇；

基于ZYNQ芯片搭载的Linux系统运行Ad hoc路由协议，并进行邻居节点发现。

如图2所示，本发明实施例提供的用于海上Ad hoc组网通信的控制系统包括：外部网络设备1、ZYNQ2、GIS模块3、高速通信模块4、低速通信模块5。

外部网络设备1与ZYNQ2通过以太网接口相连，ZYNQ2及其PL端挂载模块作为外部网络设备1的外接路由器；GIS模块3与ZYNQ2的PL端通过串口相连、高速通信模块4与ZYNQ2的PL端通过高速并行接口相连、低速通信模块5与ZYNQ2的PL端通过串口相连。

高速通信模块4以AD9361芯片为核心，采用OFDM调制方式；低速通信模块5以SI4463芯片为核心，采用GMSK调制方式。低速通信模块5载波频率低，覆盖范围广，适合对Adhoc网络拓扑进行控制；高速通信模块4载波频率高，覆盖范围低，适合承载网络业务。ZYNQ2系统与外部网络设备1通过以太网连接，作为路由器使用。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，大量配备本发明所提供的无线通信系统的船只在海上通过GIS系统定位进行分簇。以一个簇的形成为例，本发明系统启动后，按照如下步骤进行邻居节点发现与簇首选举。

步骤一：整个网络进入初始化的阶段，所有节点通过GIS定位设备获得自己的节点位置，然后使用簇内节点定位算法，计算出自己所在的蜂窝簇，计算节点自身到所在蜂窝簇中心的距离。

步骤二：按照图4所示，以六边形蜂窝簇为例，将其分为6个子时隙。节点根据自身在簇中的位置，在对应的时隙发送HELLO分组消息。HELLO分组消息的格式如图5所示。

步骤三：当邻居节点发现时段结束，所有节点同时进入簇首选举阶段，每个节点计算其同蜂窝簇内邻居节点距离所在蜂窝簇中心的距离，如果有节点比自己距离蜂窝簇中心更近，则本节点将不参与簇首竞选，并以同蜂窝簇内距离该蜂窝簇中心最近的邻居节点为簇首节点。而距离所在簇中心最近的节点，因为不会收到比自己距离所在簇中心更近的HELLO分组，则认为自己当选簇首节点。

步骤四：簇首选举结束后，利用低速通信模块进行路由和网络维护，利用高速通信模块为主进行网络业务通信，并在高速通信模块通信不可达时，采用低速模块进行应急通信。

在上述系统中，精确的定时与时间同步是非常重要的。因此利用ZYNQ系统中的锁相环进行时钟同步，其结构如图6所示。通常情况下，GIS模块会输出一个为低速时钟，频率为1Hz，用于时间同步。利用GIS模块输出的秒定时信息与本地时钟进行锁定，可以产生本地高速精确时钟，利用GIS模块的低速时钟可以消除本地时钟的累计误差。因此本系统的所有节点都可以拥有较为精确的同步时钟。另外，当设置锁相环输出时钟为100MHz时，系统就可以实现1us的定时，可以满足亚毫秒级的定时需求。

在本发明中，信息在系统中的传递如图7所示。首先，信息分为两个部分，一部分为路由维护信息，一部分为应用信息。其中路由维护信息由ZYNQ中运行的应用层程序产生，通过ZYNQ芯片的PL端串口由低速通信模块发送。应用信息，由外部网络设备产生，通过网口发给ZYNQ芯片PS端。在这个过程中，网络IP包首先被Linux系统中Netfilter内核模块截获，根据记录的路由表并按照用户逻辑对数据IP包的包头进行修改，随后通过PL端的并行接口由高速通信模块发送。在ZYNQ芯片内部PS端与PL端通过BRAM进行数据交互。PS端将发送数据写入BRAM1，并向PL端给出IO中断，接到中断的PL端程序将数据读入FIFO；反过来PL端将接收到的数据写入BRAM2，并给出IO中断。其中，PS端通过AXI总线对BRAM进行读写，PL端通过程序操作并行口时序进行读写。数据在BRAM中的格式如图8所示，在BRAM的0x00000000地址存入数据长度，并将数据依次填入后续地址中。

下面结合附图对本发明的技术效果作详细的描述。

30MHz低速通信模块典型发射功率谱如图9所示，实物图如图11所示；高速通信模块典型发射功率谱如图10所示，ZYNQ及高速通信模块实物图如图12所示。图13给出了本发明实施后的网络信息测试结果，其中ND-HC为本发明中Ad hoc邻居发现算法，由图可以看到随着网络中节点数量的增加，本发明实现的ND-HC算法性能明显优于传统802.11协议性能。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于海上Ad hoc组网通信的控制方法，其特征在于，所述用于海上Adhoc组网通信控制方法包括：

第一步，整个网络进入初始化的阶段，所有节点通过GIS定位设备获得自己的节点位置；使用簇内节点定位算法，计算出自己所在的蜂窝簇，计算节点自身到所在蜂窝簇中心的距离；

第二步，划分子时隙，节点根据自身在簇中的位置，并根据硬件提供的高精度时隙功能，在对应的时隙发送HELLO分组消息；

第三步，当邻居节点发现时段结束，所有节点按照距离簇中心最近原则完成簇首选举；

第四步，簇首选举结束后，利用低速通信模块进行路由和网络维护，利用高速通信模块为主进行业务通信，并在高速通信模块通信不可达时，采用低速模块进行应急通信。

2.如权利要求1所述的用于海上Ad hoc组网通信控制方法，其特征在于，所述用于海上Adhoc组网通信控制方法利用GIS模块输出的秒定时信息与本地时钟进行锁定，产生本地高速精确时钟，利用GIS模块的低速时钟消除本地时钟的累计误差。

3.如权利要求1所述的用于海上Ad hoc组网通信控制方法，其特征在于，所述用于海上Ad hoc组网通信控制方法中的信息在系统中的传递包括：路由维护信息由ZYNQ中运行的应用层程序产生，通过ZYNQ芯片的PL端串口由低速通信模块发送；应用数据，由系统外部的网络设备产生，通过网口发给ZYNQ芯片的PS端，网络IP包首先被本发明的Linux系统中Netfilter内核模块截获，根据记录的路由表并按照用户逻辑对数据IP包的包头进行修改，随后通过PL端的并行接口由高速通信模块发送；在ZYNQ芯片内部PS端与PL端通过BRAM进行数据交互；PS端将发送数据写入BRAM1，并向PL端给出IO中断，接到中断的PL端程序将数据读入FIFO；反过来PL端将接收到的数据写入BRAM2，并给出IO中断；其中，PS端通过AXI总线对BRAM进行读写，PL端通过程序操作并行口时序进行读写。

4.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求任意一项所述，包括下列步骤：

第一步，整个网络进入初始化的阶段，所有节点通过GIS定位设备获得自己的节点位置；使用簇内节点定位算法，计算出自己所在的蜂窝簇，计算节点自身到所在蜂窝簇中心的距离；

第二步，划分子时隙，节点根据自身在簇中的位置，在对应的时隙发送HELLO分组消息；

第三步，当邻居节点发现时段结束，所有节点按照距离簇中心最近原则完成簇首选举；

第四步，簇首选举结束后，利用低速通信模块进行路由和网络维护，利用高速通信模块为主进行业务通信，并在高速通信模块通信不可达时，采用低速模块进行应急通信。

5.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1～4任意一项所述的用于海上Ad hoc组网通信控制方法。

6.一种实施权利要求1～4任意一项所述，用于海上Ad hoc组网通信控制方法的用于海上Ad hoc组网通信的控制系统，其特征在于，所述用于海上Ad hoc组网通信的控制系统包括：

外部网络设备与ZYNQ通过以太网接口相连，ZYNQ的PL端挂载模块作为网络设备的外接路由器；

GIS模块和低速通信模块与ZYNQ的PL端通过串口连接，高速通信模块与ZYNQ的PL端通过高速并行接口相连。

7.一种搭载权利要求6所述用于海上Ad hoc组网通信控制系统的终端。

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