一种船舶移动ad hoc网络系统、组网方法及工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种船舶移动ad hoc网络系统，包含：船舶移动ad hoc网络及通过所述船舶移动ad hoc网络进行通信的若干个AIS终端，各所述AIS终端与所述船舶移动ad hoc网络连接实现AIS终端间的信息交互，其中所述AIS终端的VHF电台设为船舶移动ad hoc网络的物理层；所述AIS终端的SOTDMA协议设为船舶移动ad hoc网络的MAC层。本发明还公开了一种船舶移动ad hoc网络的组网方法及船舶移动ad hoc网络的工作方法。本发明根据船舶编队组网通信的特点，在现有AIS终端中添加最小数量的网络控制信息，利用启发式方法解析网络控制信息，进行船舶编队的网络建立和网络维护过程，使载有AIS终端的船舶具备自组网功能，能够与船队中任意AIS终端建立通信链路，交互信息，互通有无。
【专利说明】-种船舶移动ad hoc网络系统、组网方法及工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及船舶无线通信领域，具体设及一种船舶移动ad hoc网络系统、组网方 法及工作方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国市场经济和全球贸易的快速发展，海上交通也发展迅速，船舶数量及船 舶速度都不断提高，导致海上交通密度也不断增加，给船舶避碰、港口交通管理和航行安全 提出了新的要求。自动识别系统（automatic identification system, AI巧是国际海事 组织（IM0)、国际航标协会（IALA)、国际电信联盟（ITI-R)共同的研究成果。AIS是在海事 VHF频段，采用GMSK/FM调制，W S0TDMA(自组织时分多址）方式发射船位、航速、航向、船 名、识别码、船长、船宽等船舶动静态数据的船载系统。AIS能够提高船舶的航行安全，减少 船舶碰撞的可能性，而且能够帮助捜救船更好、更快地完成海上救助任务。截止2012底，全 国沿海和内河已有近2万艘船舶配备了 AIS设备。但AIS系统仅定义物理层和MAC层的数 据交互策略，网络有效覆盖范围仅限一跳邻居节点，对较大规模的船舶编队协同补给、协同 捜救等应用场景，缺乏顶层网络的总体把控和信息交互能力。
[0003] 船舶移动 ad hoc 网络（Shi卵ing Mobile Ad hoc network, SMA肥T)已成为船舶 编队控制研究中的热点问题之一。与单个船只相比，SMANET通过多船协作具有更强的容错 性和适应性，船队在航行中可W形成动态网络，各船只之间通过分工合作迅速准确地交互 船队所在区域的环境信息，从而加快系统任务完成，提高系统工作效率。
[0004] 目前国内外针对SMANET系统的研究主要有W下一些：船舶ad hoc系统的底层结 构协调机制；船舶ad hoc系统的场景应用研究；船舶终端与3GPP LTE、802. lip等岸站系统 的信息交互方法；基于位置信息的路由算法及其在船舶系统中应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种船舶移动ad hoc网络系统、组网方法及工作方法，根 据船舶编队组网通信的特点，在现有AIS终端中添加最小数量的网络控制信息，利用启发 式方法解析网络控制信息，进行船舶编队的网络建立和网络维护过程，使载有AIS终端的 船舶具备自组网功能，能够与船队中任意AIS终端建立通信链路，交互信息，互通有无。
[0006] 为了达到上述目的，本发明通过W下技术方案实现；一种船舶移动ad hoc网络系 统，其特点是，包含： 船舶移动ad hoc网络及通过所述船舶移动ad hoc网络进行通信的若干个AIS终端， 各所述AIS终端与所述船舶移动ad hoc网络连接实现AIS终端间的信息交互，其中 所述AIS终端的VHF电台设为船舶移动ad hoc网络的物理层； 所述AIS终端的S0TDMA协议设为船舶移动ad hoc网络的MAC层。
[0007] 一种船舶移动ad hoc网络的组网方法，其特点是，包含W下步骤： AUAIS终端在每个AIS周期内广播网络连接矩阵，并通过邻居AIS终端间不断地信息 交互更新网络连接矩阵； A2、当系统中所有AIS终端完成彼此间的信息交互后，网络连接矩阵更新完毕，每一 AIS终端获得整个网络的拓扑连接关系，完成组网； A3、AIS终端对网络连接矩阵采用启发式方法进行拓扑信息解析，生成一颗W本地节点 为根的生成树作为路由表； A4、AIS终端利用源路由协议根据路由表进行信息的发送和转发。
[000引船舶移动ad hoc网络的组网方法进一步包含迟入网AIS终端加入船舶移动ad hoc网络的步骤，迟入网AIS终端接收其邻居AIS终端广播的网络连接矩阵，获得整个网络 的拓扑连接关系，完成入网过程。
[0009] 船舶移动ad hoc网络的组网方法进一步包含网络维护的步骤，当网络的拓扑连接 关系发生变化，即有新的AIS终端入网或原AIS终端离开时，邻居AIS终端会在下一个AIS 周期中更新网络连接矩阵，通过本地广播发送到整个网络，其他AIS终端的本地生成树将 会相应修改，当所有AIS终端完成彼此间的信息交互后，网络维护过程结束。
[0010] 所述的启发式方法进行拓扑信息解析的步骤包含： B1、AIS终端将其邻居AIS终端保存至路由表； B2、判断新加入路由表的AIS终端的邻居AIS终端的个数； 若为零，则结束解析步骤； 若不为零，则执行步骤B3; B3、船舶信息交互系统根据新加入的邻居AIS终端生成一条前向链路； B4、判断新AIS终端的邻居AIS终端在前向链路中是否出现； 若是，则结束解析步骤； 若否，则将新AIS终端的邻居AIS终端写入路由表后执行步骤B2。
[0011] 所述的网络连接矩阵为对称矩阵。
[0012] 所述的AIS周期为1分钟。
[0013] 所述的生成树的生成步骤包含： C1、本地AIS终端作为生成树的根AIS终端； C2、本地AIS终端的邻居AIS终端作为根AIS终端的第一代子AIS终端； C3、对每个新加入的子AIS终端，将该AIS终端的该枝干中未出现过的子AIS终端作为 该AIS终端的下一代子AIS终端； C4、当新加入生成树的AIS终端为空时，结束生成树的生成步骤。
[0014] 一种船舶移动ad hoc网络的工作方法，其特点是，包含W下步骤： SUAIS终端每个AIS周期广播网络连接矩阵； 52、 其他AIS终端收到后对网络连接矩阵进行更新，生成一颗W本地节点为根的生成 树； 53、 AIS终端间彼此交互网络连接矩阵； 54、 当交互周期数大于等于网络最大跳数时每个AIS终端都将获得整个网络的拓扑连 接关系，完成路由建立过程； 55、 当有新AIS终端加入或原AIS终端离开时，通过网络连接矩阵交互通知全网，完成 网络维护过程。
[0015] 本发明一种船舶移动ad hoc网络系统、组网方法及工作方法与现有技术相比具有 W下优点：根据船舶编队组网通信的特点，在现有AIS终端中添加最小数量的网络控制信 息，利用启发式方法解析网络控制信息，进行船舶编队的网络建立和网络维护过程，使载有 AIS终端的船舶具备自组网功能，能够与船队中任意AIS终端建立通信链路，交互信息，互 通有无。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明一种船舶移动ad hoc网络系统的整体结构示意图； 图2为典型拓扑图； 图3为网络连接矩阵示意图； 图4为本发明一种船舶移动ad hoc网络的组网方法； 图5为启发式方法进行拓扑信息解析的流程图； 图6为生成树的生成方法流程图； 图7为本发明一种船舶移动ad hoc网络的工作方法。
【具体实施方式】
[0017] W下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。 [001引如图1所示，一种船舶移动ad hoc网络系统，包含：船舶移动ad hoc网络及通过 所述船舶移动ad hoc网络进行通信的若干个AIS终端，各所述AIS终端与所述船舶移动ad hoc网络连接实现AIS终端间的信息交互，其中所述AIS终端的VHF电台设为船舶移动ad hoc网络的物理层；所述AIS终端的S0TDMA协议设为船舶移动ad hoc网络的MAC层；在 系统的网络层中添加最小数据量的控制信息，通过设计启发式的路由方法，使载有AIS终 端的船舶具备自组网功能，能够与船队中节点建立通信链路交互信息。AIS终端本身需要 交互船位、航速、航向、船名、识别码、船长、船宽等船舶动静态数据，为实现系统组网通信功 能，需要在AIS的空闲字段发送路由控制信息，W进行网络层的路由建立和路由维护过程。 由于AIS负载数量存在不确定性，为保证系统网络层的有效工作，应当最小化网络控制信 息，便于其在AIS终端中进行梢带。
[0019] 船队作业过程中的网络的拓扑结构是不断变换的，不同的拓扑将对应不同的网络 控制信息。为减少船队拓扑变化对系统网络拓扑信息的影响，采用网络连接矩阵C固化拓 扑信息数量。如图2所示的网络拓扑结构中，其网络连接矩阵邻居如图3所示。网络连接 矩阵中的元素C ,二1 (i代表行，j代表列）表示节点i与节点j之间存在一条通信链 y 路；C自? = 0表示链路不存在。节点收到的网络连接矩阵后，即可获得整个网络拓扑的连 接关系。连接矩阵C是对称矩阵，（7二所W为了减少网络连接矩阵交互过程中的 信息数量可W仅传输网络连接矩阵的上=角矩阵或下=角矩阵如图3所示，传输信息的数 量为9戸2)，其中N是网络中AIS终端的数量。 乂
[0020] 如图4所示，船舶移动ad hoc网络的组网方法，即路由建立过程，包含w下步骤： AUAIS终端在每个AIS周期（1分钟）内广播网络连接矩阵，并通过邻居AIS终端间 不断地信息交互更新网络连接矩阵； A2、当系统中所有AIS终端完成彼此间的信息交互后，网络连接矩阵更新完毕，每一 AIS终端获得整个网络的拓扑连接关系，完成组网； A3、AIS终端对网络连接矩阵采用启发式方法进行拓扑信息解析，生成一颗W本地节点 为根的生成树作为路由表； A4、AIS终端利用源路由协议根据路由表进行信息的发送和转发。
[0021] 进一步包含迟入网AIS终端加入船舶移动ad hoc网络的步骤，迟入网AIS终端接 收其邻居AIS终端广播的网络连接矩阵，获得整个网络的拓扑连接关系，完成入网过程，迟 入网AIS终端的入网时间为一个AIS周期（1分钟)。
[0022] 进一步包含网络维护的步骤，当网络的拓扑连接关系发生变化，即有新的AIS终 端入网或原AIS终端离开时，邻居AIS终端会在下一个AIS周期（1分钟）中更新网络连 接矩阵，通过本地广播发送到整个网络，其他AIS终端的本地生成树将会相应修改，当所有 AIS终端完成彼此间的信息交互后，网络维护过程结束，所W网络拓扑变化对网络的影响也 是一个AIS周期（1分钟)。
[0023] 如图5所示，所述的启发式方法进行拓扑信息解析的步骤包含： B1、AIS终端将其邻居AIS终端保存至路由表； B2、判断新加入路由表的AIS终端的邻居AIS终端的个数； 若为零，则结束解析步骤； 若不为零，则执行步骤B3; B3、船舶信息交互系统根据新加入的邻居AIS终端生成一条前向链路； B4、判断新AIS终端的邻居AIS终端在前向链路中是否出现； 若是，则结束解析步骤； 若否，则将新AIS终端的邻居AIS终端写入路由表后执行步骤B2。
[0024] 如图6所示，所述的生成树的生成步骤包含： C1、本地AIS终端作为生成树的根AIS终端； C2、本地AIS终端的邻居AIS终端作为根AIS终端的第一代子AIS终端； C3、对每个新加入的子AIS终端，将该AIS终端的该枝干中未出现过的子AIS终端作为 该AIS终端的下一代子AIS终端； C4、当新加入生成树的AIS终端为空时，结束生成树的生成步骤。
[0025] 如图7所示，一种船舶移动ad hoc网络的工作方法，包含W下步骤： 51、 AIS终端每个AIS周期（1分钟）广播网络连接矩阵； 52、 其他AIS终端收到后对网络连接矩阵进行更新，生成一颗W本地节点为根的生成 树； 53、 AIS终端间彼此交互网络连接矩阵； 54、 当交互周期数大于等于网络最大跳数时每个AIS终端都将获得整个网络的拓扑连 接关系，完成路由建立过程； 55、 当有新AIS终端加入或原AIS终端离开时，通过网络连接矩阵交互通知全网，完成 网络维护过程。
[0026] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1. 一种船舶移动ad hoc网络系统，其特征在于，包含： 船舶移动ad hoc网络及通过所述船舶移动ad hoc网络进行通信的若干个AIS终端， 各所述AIS终端与所述船舶移动ad hoc网络连接实现AIS终端间的信息交互，其中 所述AIS终端的VHF电台设为船舶移动ad hoc网络的物理层； 所述AIS终端的S0TDMA协议设为船舶移动ad hoc网络的MAC层。
2. -种船舶移动ad hoc网络的组网方法，其特征在于，包含以下步骤： A1、AIS终端在每个AIS周期内广播网络连接矩阵，并通过邻居AIS终端间不断地信息 交互更新网络连接矩阵； A2、当系统中所有AIS终端完成彼此间的信息交互后，网络连接矩阵更新完毕，每一 AIS终端获得整个网络的拓扑连接关系，完成组网； A3、AIS终端对网络连接矩阵采用启发式方法进行拓扑信息解析，生成一颗以本地节点 为根的生成树作为路由表； A4、AIS终端利用源路由协议根据路由表进行信息的发送和转发。
3. 如权利要求2所述的组网方法，其特征在于，进一步包含迟入网AIS终端加入船舶移 动ad hoc网络的步骤，迟入网AIS终端接收其邻居AIS终端广播的网络连接矩阵，获得整 个网络的拓扑连接关系，完成入网过程。
4. 如权利要求2或3所述的组网方法，其特征在于，进一步包含网络维护的步骤，当网 络的拓扑连接关系发生变化，即有新的AIS终端入网或原AIS终端离开时，邻居AIS终端会 在下一个AIS周期中更新网络连接矩阵，通过本地广播发送到整个网络，其他AIS终端的 本地生成树将会相应修改，当所有AIS终端完成彼此间的信息交互后，网络维护过程结束。
5. 如权利要求2所述的组网方法，其特征在于，所述的启发式方法进行拓扑信息解析 的步骤包含： Bl、AIS终端将其邻居AIS终端保存至路由表； B2、判断新加入路由表的AIS终端的邻居AIS终端的个数； 若为零，则结束解析步骤； 若不为零，则执行步骤B3; B3、船舶信息交互系统根据新加入的邻居AIS终端生成一条前向链路； B4、判断新AIS终端的邻居AIS终端在前向链路中是否出现； 若是，则结束解析步骤； 若否，则将新AIS终端的邻居AIS终端写入路由表后执行步骤B2。
6. 如权利要求2所述的组网方法，其特征在于，所述的网络连接矩阵为对称矩阵。
7. 如权利要求4所述的组网方法，其特征在于，所述的AIS周期为1分钟。
8. 如权利要求2所述的组网方法，其特征在于，所述的生成树的生成步骤包含： C1、本地AIS终端作为生成树的根AIS终端； C2、本地AIS终端的邻居AIS终端作为根AIS终端的第一代子AIS终端； C3、对每个新加入的子AIS终端，将该AIS终端的该枝干中未出现过的子AIS终端作为 该AIS终端的下一代子AIS终端； C4、当新加入生成树的AIS终端为空时，结束生成树的生成步骤。
9. 一种船舶移动ad hoc网络的工作方法，其特征在于，包含以下步骤： 51、 AIS终端每个AIS周期广播网络连接矩阵； 52、 其他AIS终端收到后对网络连接矩阵进行更新，生成一颗以本地节点为根的生成 树； 53、 AIS终端间彼此交互网络连接矩阵； 54、 当交互周期数大于等于网络最大跳数时每个AIS终端都将获得整个网络的拓扑连 接关系，完成路由建立过程； 55、 当有新AIS终端加入或原AIS终端离开时，通过网络连接矩阵交互通知全网，完成 网络维护过程。
【文档编号】H04W84/18GK104486812SQ201410684480
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】曲家庆 申请人:上海无线电设备研究所