基于AIS的无线数据通信应用论文范文

1背景知识介绍

船舶自动识别系统(AIS)是一种集合了网络技术、通信技术、计算机技术等的一体化助航设备。该系统能够获取近海海域中船舶的名称、位置、航向、速度等信息，一方面能够给船舶以唯一的标识，另一方面能够维护一个全局的船舶视图，以供船舶交通管理系统(VTS)或其他系统使用。本文针对VANET中存在的问题，以及AIS所具备的优势，提出一种新型的基于AIS的海上无线数据通信网络。该网络一方面能够实现灵活的组网和拓扑无关性，另一方面能够利用AIS所提供的船舶信息，实现更加有效、精确的位置服务和寻路功能，克服了VANET中路由协议的不足。网络的整体框架如图1所示。在船舶加入网络时，首先通过AIS向最近的AIS基站发送自身的信息，全体船舶的AIS信息存储于AIS服务器中。在本文提出的基于AIS的无线网络中，各个船舶可以向AIS基站发送请求，获得自身的位置信息，以及向周边船舶发送信息，获得邻居船舶的信息，通过AIS和邻居船舶等多个方面确定自身所处的位置以及呼叫对象所处的位置。当船舶A希望和船舶C通信时，首先通过多维位置发现服务，获得船舶C所处的位置，然后根据路由算法获得到达目的船舶的通信路径。

2多维位置发现服务

在AIS中，船舶通报自身位置，AIS服务器了解全体船舶的各个位置，而船舶本身并不了解自身在整个船舶通信网络之中的位置，以及呼叫对象在通信网络之中的位置。本文提出一种多维位置发现服务，通过该服务船舶不仅能够了解自身的绝对位置，同时能够通过维护邻居表和路由表，获取自身在通信网络中的相对位置，进而各个船舶可以通过自身的邻居表和路由表构建整个通信网络的整体视图，相较于传统的AIS位置服务，具备更多的位置衡量维度，因而称为多维度位置发现服务。在建立邻居关系的过程中，首先自身船舶向周边船舶发送广播NB_req消息，周边船舶若接收到，并允许建立邻居关系，则发送应答NB_rep;自身船舶根据NB_rep消息中提供的MMSI，向AISBS发送NI_req，AISBS通过查询服务器并计算后，向自身船舶发送NI_rep消息，其中包含了周边船舶的位置、速度等信息，自身船舶将这些信息添加入邻居关系表，通过邻居关系表，则船舶能够了解自身所处的位置，以及在全体船舶之中的位置。若自身船舶需要获得某个邻居船舶信息则发送NC_req，同时接受NC_rep来获取相应的信息。通过以上关系，不同船舶之间可以通过自身的邻居关系建立连接关系。邻居表及路由表的更新算法如图4所示。

3基于AIS的路由协议

第2节中介绍的多维位置发现服务，每个节点均维护了1张邻居关系表和路由表，这些邻居船舶可以直接进行通信。当需要与较远距离的目标进行通信时，则需要相应的路由协议确定在VANET中的通信路径。路由协议工作的步骤如下:1)首先船舶A根据自己的路由表，通过BS向自己的邻居发送DL_req消息，邻居收到消息之后，向BS发送应答DL_rep，返回自身的邻居表;2)船舶A根据DL_rep更新自己的路由表和路由表，并向新添加的邻居发送DL_req消息，并检查DL_rep中是否有目的船舶的信息;3)若船舶A的路由表和邻居表中新添加了目的船舶，那么寻路结束，根据路由表建立通往船舶通信路径;若没有则重复2)，直到路由表和邻居表中没有新的元素被添加。在路由协议中，接收消息DL_rep与第2节中介绍的消息格式类似，其格式如图6所示。其中OMMSI为呼叫对象的MMSI，NeMMSI为对象船舶路由表中的下一跳船舶的MMSI。通过第2节中的邻居表和路由表更新，可以建立较为充分的“目的———下一跳”表项，为本节的路由协议提供基础。

4系统实现与仿真

系统节点的实现如图7所示。其中外部计算模块使用的是利用C++编写的程序代码，模拟船舶中网络节点的路由计算及消息处理。外部I/O模块，负责显示当前的网络节点状态和工作过程。在模拟节点中，每个AIS发送/接收终端与外部计算模块相连，计算模块模拟了路由协议在节点中的工作过程，演示了上文提到的几种重要消息类型。最后使用NS2对本文提出的网络进行了仿真，仿真环境为X86架构计算机，Corei3四核处理器，4G内存，Win7(64位)操作系统。在NS2中的仿真图如图8所示，其中①～⑦为模拟船舶节点，其内部结构如图7所示，⑧～⑨为模拟AISBS。仿真过程中实现的是，⑥之间的通信过程⑦，在初始状态下，⑥和⑦不是邻居关系，图8显示的是不同节点发送消息的状态。通过路由协议的工作，最终⑥和⑦实现了有效的通信，最终显示的消息在NS2中如图9所示所示。

5结语

本文针对VANET在实际应用过程中所暴露出的不足，提出了一种基于AIS的海上无线数据通信网络，给出了网络的整体框架，并对多维位置发现服务以及基于AIS的路由协议进行了深入研究，定义了需要的消息格式，并设计了相应的算法，使得网络能够在AIS的帮助下，实现在无线自组网内的路由和有效通信。最后，本文给出了系统的简单实现，并在NS2中给出了整个网络工作过程的仿真过程，证明了本文提出方法的可行性。

作者：刘旭单位：重庆电子工程职业学院