CN111683350B - 一种基于冲突反馈的船载vdes接入协议实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于冲突反馈的船载VDES接入协议实现方法，针对海事通信中，由于船舶数量激增和用户消息多样化导致的消息冲突问题，通过消息优先级重定义部分和基于冲突反馈的时隙预约部分，减少海事通信中消息冲突。本发明所述方法的消息优先级重定义部分通过将海事通信中消息划分成三个不同的优先级，并根据优先级的不同将消息划分至AIS、ASM、VDE三种信道中，使消息分流，从而缓解信道资源紧张；基于冲突反馈的时隙预约部分中，通过对VDES中时隙结构进行修改，划分出用于反馈冲突的反馈位，船舶通过冲突位广播在上一帧中侦听到的冲突时隙编号，从而实现冲突的逐渐避免，保障消息可靠传输。

Description

一种基于冲突反馈的船载VDES接入协议实现方法
技术领域
本发明涉及海事无线通信网络领域，尤其涉及基于第二代海事通信系统— —甚高频数据交换系统(VDES)的信道分配和时隙选择的网络接入层方法。
背景技术
近年来，通过航运进行国际贸易的热潮逐步兴起。繁忙的航线、密集的港 口，航运业务凭借其“大量、低价”的特点备受青睐。目前，海事通信主要依 靠第一代数字化通信系统——自动识别系统(AIS)实现船舶间、船舶与岸站的 通信。随着海上船只数量不断增加，用户需求多样化等多种因素影响下，AIS信 道占用率和消息冲突率激增，无法满足日益增长的海事通信需求。海事通信频 谱资源紧缺、AIS信道负载过大及船间通信消息冲突导致的海事通信消息丢失， 使船只存在安全隐患。为缓解AIS数据通信压力，甚高频数据交换系统(VDES) 作为第二代海事通信系统应运而生。VDES通过构建岸站设备、船载设备、VDE 卫星地面段、VDE卫星空间段、信息服务中心搭建海事通信网络。在AIS基础上， VDES引入特殊应用报文(ASM)信道和甚高频数据(VDE)信道共同服务海事 通信。
AIS中包含两个信道AIS1和AIS2。AIS1信道标号为2087，AIS2信道标号为 2088。与AIS信道相比，VDES信道数量明显增多，其中包括两个原有AIS信道， 两个ASM信道，四个VDE信道，两个AIS长距离信道。ASM信道包括ASM1信道 标号为2027，ASM2信道标号为2028。VDE信道包括VDE1信道，标号分别为1024， 1084，1025，1085，2024，2084，2025，2085，VDE2信道，标号为1026，1086， 2026，2086。在AIS中，网络接入层主要依靠自组织时分多址(SOTDMA)协议 实现信道资源分配。当船舶使用VDES通信时，如何采用智能接入算法设计海事 通信媒体接入控制层(MAC)层接入方法、如何有效分配信道、如何预约时隙， 合理分配网络资源，是减少消息冲突，保障消息有效传输的关键。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于冲突反馈的船载VDES 接入协议实现方法，该方法是基于冲突反馈的SOTDMA协议MAC层数据传输 方法—FBTDMA协议，它不同于原始的SOTDMA方法，而是通过对VDES中 时隙结构进行修改，划分出用于反馈冲突的反馈位，船舶通过冲突位广播在上 一帧中侦听到的冲突时隙编号，从而实现冲突的逐渐避免，保障消息可靠传输， 进而保障航行安全。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是基于冲突反馈的船载VDES接 入协议实现方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：确定信道基本参数。FBTDMA协议将1帧的时长设置为1分钟，1 分钟划分成Sf个时隙，且Sf为2250。
步骤2：船舶产生发送消息的数据包。当船舶有发送消息需求时，产生相应 类型消息的数据包。
步骤3：消息赋予优先级。根据表1查找所发送消息的ID，并赋予相应的 优先级0、1和2。
步骤4：判断消息优先级。当优先级为0时，消息分配至AIS类型信道；当 优先级为1时，消息分配至ASM类型信道；当优先级为2时，消息分配至VDE 信道。
步骤5：预约时隙。船舶1在NI内随机预约空闲时隙Slotα。船舶1等待 预约时隙到来，并占用Slotα发送数据包。
步骤6：此时网络中其他船舶侦听信道，并通过侦听判断船舶1在Slotα 发送的数据包是否发生冲突，并将结果记录在该船本地的VDES设备中。同样 地，当网络中有船舶发送消息时，此时未预约该时隙的船舶均保持侦听状态， 依次侦听每个时隙的冲突状态。
步骤7：时隙结构设置。在FBTDMA协议中，对时隙的结构进行改进，将 原有SOTDMA协议的数据位中划分出两部分：状态标志位和反馈位。其中状态 标志位为2比特，用于表示该时隙的使用状态。如果状态标志位为“00”则判 断该时隙不用于冲突反馈，后面的反馈位继续用于传输数据；如果标志位为“11” 则判断该时隙用于冲突反馈。反馈位为12比特，用于反馈上一帧中侦听到的发 生冲突的时隙ID。
步骤8：依次反馈冲突时隙ID。船舶在发送消息时依次将上一帧中侦听到 的消息ID通过反馈位从小到大依次进行反馈。未反馈过的船舶进行侦听信道， 同样地，记录在该帧中发生冲突的时隙，并将在该帧较前时隙中广播过的冲突 时隙ID从自己的记录中剔除，即网络中的船舶不重复反馈上一帧中冲突时隙的 ID。
步骤9：预约时隙成功的船舶保持时隙占用发送数据包，周期发送同种类型 消息，直至船舶离开网络或船舶报文报告频次变更。
步骤10：网络连续运行。当船舶离开网络，此时该船的网络运行结束。
本发明公开的基于冲突反馈的船载VDES接入协议实现方法，本方法中所 述的VDES网络中FBTDMA方法选择信道、预约时隙传输消息，船舶通过冲突 位广播在上一帧中侦听到的冲突时隙编号，从而实现冲突的逐渐避免，保障消 息可靠传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的VDES系统模型架构图。
图2为本发明提供方法的整体流程图。
图3为本方法提供的信道选择流程图。
图4为本方法提供的信道类型图。
图5为基于冲突反馈算法的时隙预约流程图。
图6 FBTDMA协议中AIS信道时隙结构。
图7时隙冲突反馈示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
本发明所述FBTDMA方法是基于SOTDMA协议提出，因此，在FBTDMA 协议中一分钟被划分成一个数据帧，每个数据帧被划分成2250个时隙，标号为 0～2249。经计算可得每个时隙为26.67毫秒。因此，该方法所述的所有步骤都是 基于上述条件的。
如图1所示为FBTDMA方法所适用的VDES架构模型，其中包括船舶、浮 标、卫星、信息服务中心、卫星地面站、岸站发射塔等。该方法所述所有步骤 都是基于此网络架构模型实施的，图2所示为FBTDMA方法的整体流程图，其 具体操作步骤如下：
步骤1：确定信道基本参数。在FBTDMA协议中，VDES的各个信道均采 用时分多址接入方法。FBTDMA协议将1帧的时长设置为1分钟，1分钟划分 成Sf个时隙，且Sf为2250，标号为0～2249。经计算可得每个时隙为26.67毫秒。
步骤2：网络初始化。在网络开始时，船舶侦听网络一分钟，确定船舶数量、 报文报告频次和信道占用情况。
步骤3至步骤6为信道选择部分，其流程图如图3所示，具体内容如下：
步骤3：船舶产生发送消息的数据包。当船舶有发送消息需求时，产生相应 类型消息的数据包。
步骤4：消息赋予优先级。根据表1查找所发送消息的ID，并赋予相应的 优先级0、1和2。
步骤5：判断消息优先级。当优先级为0时，消息分配至AIS类型信道；当 优先级为1时，消息分配至ASM类型信道；当优先级为2时，消息分配至VDE 信道。VDES具体信道类型如图4所示，该图中详细记录VDES信道类型、信 道标号、信道频率等信息。
步骤6：侦听空闲信道。当消息确定类型信道后，船舶侦听空闲信道。当空 闲信道存在时，选择该空闲信道传输消息；当相应类型信道繁忙时，退避后重 新侦听。以AIS类型信道为例：船舶依次侦听AIS1和AIS2信道。
步骤7至步骤14为基于冲突反馈的时隙选择部分，其流程图如图5所示， 具体内容如下：
船舶在当前帧中预约时隙，步骤7至步骤10为时隙预约过程。
步骤7：确定每次的时隙预约范围NI。当船舶确定了报文报告频次Rr后， 根据公式1计算每次船舶可以预约的时隙范围。
Figure BDA0002520963380000041
步骤8：预约时隙。船舶1在NI内随机预约空闲时隙Slotα。
步骤9：船舶1等待预约时隙到来，并占用Slotα发送数据包。
步骤10：此时网络中其他船舶侦听信道，并通过侦听判断船舶1在Slotα 发送的数据包是否发生冲突，并将结果记录在该船本地的VDES设备中。同样 地，当网络中有船舶发送消息时，此时未预约该时隙的船舶均保持侦听状态， 依次侦听每个时隙的冲突状态。以某一艘船为例，当该船在该时隙有数据发送 需求时，占用该时隙发送数据包；当该船没有数据包发送需求时，侦听每个时 隙的冲突情况，逐一记录在自己的本地VDES设备中。
船舶在下一帧中反馈时隙的冲突情况，步骤11至步骤14为冲突时隙反馈 过程。
步骤11：时隙结构设置。在FBTDMA协议中，对时隙的结构进行改进，如 图6所示。在时隙结构中将原有SOTDMA协议的数据位中划分出两部分：状态 标志位和反馈位。其中状态标志位为2比特，用于表示该时隙的使用状态。如 果状态标志位为“00”则判断该时隙不用于冲突反馈，后面的反馈位继续用于 传输数据；如果标志位为“11”则判断该时隙用于冲突反馈。反馈位为12比特， 用于反馈上一帧中侦听到的发生冲突的时隙ID。由于在FBTDMA协议中一帧 为2250个时隙，根据公式2可以得出，12比特可以表示一帧中所有时隙的ID。
212＝4096>2250
步骤12：持续占用时隙。在上一帧中预约成功的船舶在下一帧继续占用时 隙。
步骤13：依次反馈冲突时隙ID。船舶在发送消息时依次将上一帧中侦听到 的消息ID通过反馈位从小到大依次进行反馈。未反馈过的船舶进行侦听信道， 同样地，记录在该帧中发生冲突的时隙，并将在该帧较前时隙中广播过的冲突 时隙ID从自己的记录中剔除，即网络中的船舶不重复反馈上一帧中冲突时隙的 ID。在一帧中，网络中所有船舶共同侦听信道并记录每个时隙的状态，当在前 一帧中存在冲突时隙时，则在下一帧中发送消息的船舶将时隙的状态标志位设 置为“11”，并在时隙的反馈位存储一个冲突时隙的ID，并随消息发送，所有船 舶依次反馈，直到将上一帧中冲突的时隙反馈完毕，从而实现冲突的逐渐减少， 保障消息的可靠性，冲突反馈示意图如图7所示。
步骤14：预约时隙成功的船舶保持时隙占用发送数据包，周期发送同种类 型消息，直至船舶离开网络或船舶报文报告频次变更。
步骤15：网络连续运行。当船舶持续发送同种类型消息时，循环执行步骤 14；当船舶需要发送不同类型的消息时，此时跳转到步骤3执行。
步骤16：判断船舶报文报告频次Rr。船舶根据自身运动状态改变报文报告 频次。如果船舶需要改变Rr，此时跳转到步骤3执行。
步骤17：当船舶离开网络，此时该船的网络运行结束。
表一为VDES消息优先级分配表
Figure BDA0002520963380000061
Figure BDA0002520963380000071
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。

Claims (3)

1.一种基于冲突反馈的船载VDES接入协议实现方法，其特征在于，包括在FBTDMA协议中，将VDES的各个信道均设置为时分多址接入方式，确定船舶数量报文报告频次和信道占用情况信息；
船舶将产生的消息按照消息类型划分优先级、并分配到相应类型的信道中；
当船舶确定了报文报告频次Rr后再计算每次船舶预约时隙的范围NI；
当网络中某一船舶占用一个固定时隙发送消息时，网络中其他船舶侦听信道，并通过解析数据判断该时隙是否发生冲突，并将判断结果记录在该船本地的VDES设备中；
将时隙结构设置为状态标志位和反馈位；
如果在上一帧中预约成功的船舶在下一帧继续占用时隙，船舶在发送消息时依次将上一帧中侦听到的消息ID通过反馈位从小到大依次进行反馈，未反馈过的船舶进行侦听信道并记录在该帧中发生冲突的时隙，并将在该帧较前时隙中广播过的冲突时隙ID从自己的记录中剔除，即网络中的船舶不重复反馈上一帧中冲突时隙的ID；
预约时隙成功的船舶保持时隙占用发送数据包，周期发送同种类型消息，直至船舶离开网络或船舶报文报告频次变更；
当船舶持续发送同种类型消息时，船舶持续占用该时隙发送该类型消息的数据包；当船舶需要发送不同类型的消息时，此时跳转到上述产生相应类型消息的数据包的阶段；
当船舶离开网络，此时该船的网络运行结束；
将状态标志位设置为2比特，用于表示该时隙的使用状态，如果状态标志位为“00”则判断该时隙不用于冲突反馈，后面的反馈位继续用于传输数据；如果标志位为“11”则判断该时隙用于冲突反馈，将反馈位设置为12比特，用于反馈上一帧中侦听到的发生冲突的时隙ID；
在一帧中，网络中所有船舶共同侦听信道并记录每个时隙的状态，当在前一帧中存在冲突时隙时，则在下一帧中发送消息的船舶将时隙的状态标志位设置为“11”，并在时隙的反馈位存储一个冲突时隙的ID，并随消息发送，所有船舶依次反馈，直到将上一帧中冲突的时隙反馈完毕。
2.根据权利要求1所述的基于冲突反馈的船载VDES接入协议实现方法，其特征还在于：船舶将欲发送消息的响应的优先级定义为0级、1级和2级；当船舶有发送消息需求时、产生相应类型消息的数据包，并判断消息优先级：当优先级为0级时，将消息分配至AIS类型信道，当优先级为1级时，消息分配至ASM类型信道，当优先级为2级时，消息分配至VDE信道。
3.根据权利要求1所述的基于冲突反馈的船载VDES接入协议实现方法，其特征还在于：所述每次船舶预约时隙的范围NI采用如下方式获取：
Figure FDA0003830719050000021
其中，Sf为每帧的时隙总数，取固定值2250。
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