一种VDES中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法与流程

一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法。


背景技术：

2.海事通信系统已由传统的船舶自动识别系统(automatic identification system，ais)逐渐过渡到甚高频数据交换系统(vhf data exchange system，vdes)，vdes系统可以全面提升船舶、卫星、岸站之间的数据通信能力，为海上船舶提供导航、避撞、搜救、天气预报等多样化的数据服务。
3.在vdes系统中，距离较近的一些船舶以自组织的方式形成船舶自组织小区，因此近距离的船舶与船舶之间的数据传输采用的是船舶多跳转发的方法。而对于远距离的船舶与船舶之间的数据传输，《iala g1139》建议书和已有文献中均是利用地球同步卫星作为中继来转发数据，以“船同步卫星船”的方法实现远距离船舶之间的数据传输。也就是说，已有的船舶之间的数据传输采用的是近距离船舶转发、远距离同步卫星转发(short
‑
distance ship forwarding and long
‑
distance geostationary satellite forwarding，ssf
‑
lgf)的数据传输方法。地球同步卫星相对于地球是静止的，因此地球同步卫星转发的方法实现起来简单，但是由于地球同步卫星距离地面远、路径损耗大，所以这种数据传输方法存在传输时延长、接收数据质量差的问题。
4.然而，随着“天地一体化”网络的提出，vdes系统的空中部分朝着由地球同步卫星(高轨道卫星)和低轨卫星组成的空中网络的方向发展，例如文献“基于vdes的空天地海通信网络架构与关键技术”(作者胡旭，移动通信，2019年第5期，第2
‑
8页)和文献“卫星通信与5g(上)”(作者钟曼，数字通信世界，2020年9月，第1
‑
5页)均提到低轨卫星距离地面近、传输时延短、路径损耗小，可以利用低轨卫星来传输数据。但是由于低轨卫星相对于地面是移动的，所以该方法实现起来较复杂，而且已有文献中都没有给出利用低轨卫星进行船舶之间数据传输的具体的方法。因此，如何将同步卫星与低轨卫星结合起来，寻找实现简单、传输时延低、接收数据质量高的数据传输方法是需要深入研究的关键问题，这对于提升海事通信的通信质量和服务满意度具有重要意义。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法，该方法将地球同步卫星、低轨卫星、船舶结合起来，建立多层网络结构，利用多层网络结构进行船舶之间的数据传输，不仅实现起来简单，而且可以降低传输时延、提高接收数据质量。
6.本发明解决上述技术问题的方案是：
7.一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤一：建立多层网络结构模型：
9.建立上、中、下三层网络结构模型；上层网络由地球同步卫星组成，设网络中有一个地球同步卫星，记为φ；中层网络由低轨卫星组成，设有m个低轨卫星位于地球同步卫星φ的覆盖范围内，分别记为δ1，δ2，
…
，δ
m
，且所述的m个低轨卫星以自组织的方式形成低轨卫星自组织网络，其中每一个低轨卫星都保存一个自己的低轨卫星路由表，所述的低轨卫星路由表的内容包括目的低轨卫星和对应的下一跳低轨卫星；下层网络由船舶组成，距离较近的船舶以自组织的方式形成船舶自组织小区；设每一个低轨卫星可以覆盖q个船舶自组织小区，每一个船舶自组织小区内有n艘船舶，第m个低轨卫星覆盖范围内的第q个船舶自组织小区内的第n艘船舶记为s
man
，其中m∈{1，2，
…
，m}，q∈{1，2，
…
，q}，n∈{1，2，
…
，n}；在每一个船舶自组织小区内，每艘船舶都保存一个自己的船舶自组织小区路由表，所述的船舶自组织小区路由表的内容包括该自组织小区内的目的船舶和对应的下一跳船舶；所有船舶周期性的向地球同步卫星φ报告自己所属的低轨卫星编号、船舶自组织小区编号和船舶编号，例如s
mqn
报告自己所属的低轨卫星编号、船舶自组织小区编号和船舶编号分别为m、q和n，地球同步卫星φ保存并周期性的更新这些信息；
10.步骤二：利用基于多层网络的数据传输方法，进行船舶到船舶的数据传输：
11.基于多层网络的数据传输方法的具体过程如下：
12.1)信源船舶s
ija
欲向信宿船舶s
rtb
传输数据，则信源船舶s
ija
向地球同步卫星φ发送请求信息，询问信宿船舶s
rtb
所属的低轨卫星编号、船舶自组织小区编号、船舶编号，地球同步卫星φ回复s
ija
，s
ija
获得s
rtb
所属的低轨卫星编号r、船舶自组织小区编号t、船舶编号b，其中i，r∈{1，2，
…
，m}，j，t∈{1，2，
…
，q}，a，b∈{1，2，
…
，n}；
13.2)判断是否同时满足i＝r和j＝t；
14.21)如果同时满足i＝r和j＝t，则信源船舶s
ija
与信宿船舶s
rtb
属于同一低轨卫星覆盖范围内的同一船舶自组织小区，则在s
ija
和s
rtb
所属的船舶自组织小区内，s
ija
的发送数据根据船舶自组织小区路由表进行船舶的多跳转发，传输至s
rtb
；
15.22)如果不能同时满足i＝r和j＝t，跳转至分步骤3)；
16.3)判断是否满足i＝r；
17.31)如果满足i＝r，则此时i＝r，j≠t，即信源船舶s
ija
与信宿船舶s
rtb
属于同一低轨卫星覆盖范围内的不同船舶自组织小区，则s
ija
的发送数据先传输至低轨卫星δ
i
，由低轨卫星δ
i
寻找自己覆盖范围内的第t个船舶自组织小区内的第b艘船舶s
rtb
，并将数据转发给s
rtb
；
18.32)如果不满足i＝r，则信源船舶s
ija
与信宿船舶s
rtb
属于不同低轨卫星覆盖范围的不同船舶自组织小区，则s
ija
的发送数据先传输至低轨卫星δ
i
，再根据低轨卫星路由表进行低轨卫星的多跳转发，传输至δ
r
，再由δ
r
寻找自己覆盖范围内的第t个船舶自组织小区内的第b艘船舶s
rtb
，并将数据转发给s
rtb
。
19.本发明公开了一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
20.与现有的近距离船舶转发、远距离同步卫星转发(ssf
‑
lgf)的数据传输方法相比，该方法将地球同步卫星、低轨卫星、船舶结合起来，建立多层网络结构，并且利用地球同步卫星为信源船舶提供信宿船舶的相关信息；如果信源船舶与信宿船舶距离近(属于同一个自组织小区)，则直接利用下层网络中的船舶来转发数据；如果信源船舶与信宿船舶距离较
远，则利用中层网络中的低轨卫星来转发数据；也就是说本发明方法根据信源船舶与信宿船舶的位置进行判断，尽量选择较低层次的网络(船舶转发或者低轨卫星转发)来传输数据，而不使用同步卫星来传输数据。因此，本发明所公开的基于多层网络的船舶之间的数据传输方法能够始终确保两船舶之间的通信距离近、传输时延短、路径损耗小(接收数据质量高)。此外，在本发明建立的上、中、下多层网络结构中，中、下层网络结构中都有路由表，都是采用多跳转发的方法传输数据，因此实现起来简单方便。
附图说明
21.图1为本发明所公开的一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法的总体流程框图；
22.图2为本发明所公开的一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法的系统模型示意图；
23.图3为本发明所公开的一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法中的基于多层网络的数据传输方法的流程图；
24.图4为本发明所公开的一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法中的接收数据平均误码率的仿真结果图；
25.图5为本发明所公开的一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法中的数据传输时延的仿真结果图；
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步解说。
27.实施例1
28.如图1～3所示，本发明所公开的一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法，包括以下步骤：
29.步骤一：建立多层网络结构模型：
30.建立上、中、下三层网络结构模型；如图2所示，上层网络由地球同步卫星组成，设网络中有一个地球同步卫星，记为φ；中层网络由低轨卫星组成，设有m个低轨卫星位于地球同步卫星φ的覆盖范围内，分别记为δ1，δ2，
…
，δ
m
，且所述的m个低轨卫星以自组织的方式形成低轨卫星自组织网络，其中每一个低轨卫星都保存一个自己的低轨卫星路由表，所述的低轨卫星路由表的内容包括目的低轨卫星和对应的下一跳低轨卫星；下层网络由船舶组成，距离较近的船舶以自组织的方式形成船舶自组织小区；设每一个低轨卫星可以覆盖q个船舶自组织小区，每一个船舶自组织小区内有n艘船舶，第m个低轨卫星覆盖范围内的第q个船舶自组织小区内的第n艘船舶记为s
mqn
，其中m∈{1，2，
…
，m}，q∈{1，2，
…
，q}，n∈{1，2，
…
，n}；在每一个船舶自组织小区内，每艘船舶都保存一个自己的船舶自组织小区路由表，所述的船舶自组织小区路由表的内容包括该自组织小区内的目的船舶和对应的下一跳船舶；所有船舶周期性的向地球同步卫星φ报告自己所属的低轨卫星编号、船舶自组织小区编号和船舶编号，例如s
mqn
报告自己所属的低轨卫星编号、船舶自组织小区编号和船舶编号分别为m、q和n，地球同步卫星φ保存并周期性的更新这些信息；
31.步骤二：利用基于多层网络的数据传输方法，进行船舶到船舶的数据传输：
32.基于多层网络的数据传输方法的流程图如图3所示，具体过程如下：
33.1)信源船舶s
ija
欲向信宿船舶s
rtb
传输数据，则信源船舶s
ija
向地球同步卫星φ发送请求信息，询问信宿船舶s
rtb
所属的低轨卫星编号、船舶自组织小区编号、船舶编号，地球同步卫星φ回复s
ija
，s
ija
获得s
rtb
所属的低轨卫星编号r、船舶自组织小区编号t、船舶编号b，其中i，r∈{1，2，
…
，m}，j，t∈{1，2，
…
，q}，a，b∈{1，2，
…
，n}；
34.2)判断是否同时满足i＝r和j＝t；
35.21)如果同时满足i＝r和j＝t，则信源船舶s
ija
与信宿船舶s
rtb
属于同一低轨卫星覆盖范围内的同一船舶自组织小区，则在s
ija
和s
rtb
所属的船舶自组织小区内，s
ija
的发送数据根据船舶自组织小区路由表进行船舶的多跳转发，传输至s
rtb
；
36.22)如果不能同时满足i＝r和j＝t，跳转至分步骤3)；
37.3)判断是否满足i＝r；
38.31)如果满足i＝r，则此时i＝r，j≠t，即信源船舶s
ija
与信宿船舶s
rtb
属于同一低轨卫星覆盖范围内的不同船舶自组织小区，则s
ija
的发送数据先传输至低轨卫星δ
i
，由低轨卫星δ
i
寻找自己覆盖范围内的第t个船舶自组织小区内的第b艘船舶s
rtb
，并将数据转发给s
rtb
；
39.32)如果不满足i＝r，则信源船舶s
ija
与信宿船舶s
rtb
属于不同低轨卫星覆盖范围的不同船舶自组织小区，则s
ija
的发送数据先传输至低轨卫星δ
i
，再根据低轨卫星路由表进行低轨卫星的多跳转发，传输至δ
r
，再由δ
r
寻找自己覆盖范围内的第t个船舶自组织小区内的第b艘船舶s
rtb
，并将数据转发给s
rtb
。
40.实施例2(实验例)
41.以下为根据本发明所公开的一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法，所进行的仿真实验，与已有的近距离船舶转发、远距离同步卫星转发(ssf
‑
lgf)的数据传输方法进行比较，以说明本发明方法的可行性和有效性。
42.仿真时信道设为awgn信道，qpsk调制，低轨卫星的轨道高度为600km，地球同步卫星的轨道高度为36000km，船舶自组织小区的半径为200米，所有的信道之间均相互独立，噪声方差均为1。
43.仿真结果如图4、图5所示，其中“ssf
‑
lgf”是指已有的近距离船舶转发、远距离同步卫星转发的数据传输方法；“基于多层网络的数据传输”是指本发明所公开的基于多层网络的船舶之间的数据传输方法。
44.图4中横坐标为信噪比，纵坐标为接收数据的平均误码率，是测试10万次的统计平均值。从图中可以看出“基于多层网络的数据传输”的误码率明显低于“ssf
‑
lgf”的误码率。这是由于“ssf
‑
lgf”使用同步卫星来传输数据；而本发明的“基于多层网络的数据传输”每次都选择较低层次的网络(船舶转发或者低轨卫星转发)来传输数据，不使用同步卫星来传输数据；因此，与“ssf
‑
lgf”相比，本发明方法的通信距离近、路径损耗小，从而降低了误码率，提高了接收数据质量。
45.图5为仿真实验得到的“ssf
‑
lgf”与“基于多层网络的数据传输”的时延对比，纵坐标为数据传输的平均时延，是测试1万次的平均时延。从图5可以看出，与“ssf
‑
lgf”相比，本发明所公开的“基于多层网络的数据传输”可以降低数据传输时延。
46.综上所述，本发明公开了一种vdes中基于多层网络的船舶之间的数据传输方法，
该方法将地球同步卫星、低轨卫星、船舶结合起来，建立多层网络结构，利用多层网络结构进行船舶之间的数据传输，不仅实现起来简单，而且可以降低传输时延、提高接收数据质量。