CN110958587B - 一种船舶通信的网络自适应方法、装置及*** - Google Patents
一种船舶通信的网络自适应方法、装置及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及船舶通信技术领域,公开了一种船舶通信的网络自适应方法、装置及***,其中方法包括以下步骤:在发送节点与接收节点之间建立握手协议;根据所述握手协议的请求发送帧检测网络质量参数,根据网络质量参数检测值选择通信参数值;根据所述握手协议的允许发送帧发送所述通信参数值,按所述通信参数值进行通信参数调整;按调整后的通信参数发送数据帧实现网络自适应的通信。本发明具有船舶识别通信速度快、时延小、丢包率低、功耗低的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及船舶通信技术领域,具体涉及一种船舶通信的网络自适应方法、装置及***。
背景技术
目前,船舶通信识别***一般采用AIS设备实现,AIS设备至少存在以下缺陷:1、通讯方式的限制。现有AIS设备是通过甚高频(Very High Frequency,简称“VHF”)信道向邻近船舶广播船舶航行信息的,随着近年来水上数据通信需求的不断提升,AIS设备在VHF频段通信需求的增加导致AIS设备在可使用频段内变得非常拥挤,特别是在一些繁忙港口和狭窄水域(如内河或港区航道)已经出现了信息阻塞等问题,严重影响了AIS设备通讯的效率,导致经常出现广播延迟甚至无法发送的现象;2、在港区水域或者狭窄水域的适用性不高。由于现有AIS设备的信息发送方式是通过VHF信道进行的,即在同一水域的所有船舶会在同一时刻将本船信息向邻近船舶进行广播,这样就会发生在一些港区水域和狭窄水域(比如长江航道、浙北内河水网航道)中船舶密集的情况下,每台AIS设备上显示的船舶信息出现密密麻麻的“扎堆”现象,导致本船船员根本无法准确识别所需的邻近船舶航行信息,更无法判断当前的安全形势,使得AIS设备变得“鸡肋”,于是出现了很多船舶私自关掉AIS设备,以减少船舶的能耗和降低营运成本;3、由于每台AIS设备需要通过高功率的VHF天线进行通讯广播,且需保证其广播距离达到15km,因此,我国规定,船舶应配置12A以上稳压电源(同时还需配置一个应急电源)以保证AIS设备的正常工作,这样一来,对于一些航行在内河或者水库的小型船舶,由于自身条件的限制(自身船电较为欠缺),配备AIS设备就比较困难,从而限制了AIS设备在小型船舶助航以及监督管理中的应用;此外,由于功耗的问题,也增加了AIS岸台的建设和营运成本,这也限制了AIS的进一步推广。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足,提供一种船舶通信的网络自适应方法、装置及***,解决现有技术中船舶通信效率低、所需功耗高的技术问题。
为达到上述技术目的,本发明的技术方案提供一种船舶通信的网络自适应方法,包括以下步骤:
在发送节点与接收节点之间建立握手协议;
根据所述握手协议的请求发送帧检测网络质量参数,根据网络质量参数检测值选择通信参数值;
根据所述握手协议的允许发送帧发送所述通信参数值,按所述通信参数值进行通信参数调整;
按调整后的通信参数发送数据帧实现通信。
本发明还提供一种船舶通信的网络自适应装置,包括处理器以及存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现所述船舶通信的网络自适应方法。
本发明还提供一种船舶通信的网络自适应***,包括至少两个所述船舶通信的网络自适应装置,还包括基站,各所述船舶通信的网络自适应装置之间采用所述船舶通信的网络自适应方法实现相互通信,各所述船舶通信的网络自适应装置与所述基站之间采用所述船舶通信的网络自适应方法实现相互通信。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:本发明在发送数据帧前,先通过建立握手协议的过程检测***的网络状态,即根据请求发送帧检测网络质量参数,并根据网络质量参数检测值选择相应的通信参数值,使得通信参数符合当前网络状况,保证后续数据帧的稳定传输,自适应不同的通信距离,降低通信时延,提高通信效率。同时,由于网络的自适应调整功能,能适应不同的网络状况和通信距离,因此采用本方法时无需设置VHF天线,从而降低了通信功耗。
附图说明
图1是本发明提供的船舶通信的网络自适应方法一实施方式的流程图;
图2是本发明提供的船舶通信的网络自适应装置一实施方式的结构示意图;
图3是本发明提供的船舶通信的网络自适应***一实施方式的结构示意图。
附图标记:
1、船舶通信的网络自适应装置,11、处理器,12、存储器,13、无线通信模块,14、显示屏,15、SD卡,16、传感器。
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,以下结合附图及实施例,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。
实施例1
如图1所示,本发明的实施例1提供了船舶通信的网络自适应方法,包括以下步骤:
S1、在发送节点与接收节点之间建立握手协议;
S2、根据所述握手协议的请求发送帧检测网络质量参数,根据网络质量参数检测值选择通信参数值;
S3、根据所述握手协议的允许发送帧发送所述通信参数值,按所述通信参数值进行通信参数调整;
S4、按调整后的通信参数发送数据帧实现通信。
由于船舶通信环境复杂多样,无线传输媒介易变,单一固定的节点通信参数,如传输速度不能满足所有节点之间的通信要求,需要根据收发节点之间的网络环境和信道状态选择合适的通信参数。因此本发明实施例提供船舶通信的网络自适应算法。同时,船舶并不是固定不动的,因此发送节点覆盖范围内的接收节点由于距离不同,信号从发送节点到各个接收节点的信道衰减导致在每个接收节点处的信号强度不同,当信号较弱时需要提高扩频因子以降低信噪比(误码率);当信号较强时需要降低扩频因子,从而提高数据传输速率,因此本发明实施例提供的船舶通信的网络自适应算法的实现步骤如下:
本发明实施例需要建立不同节点之间的数据通信,在数据通信前先建立握手协议,用于发送节点与接收节点之间建立数据通信请求与许可,可降低数据丢包率。通过发送节点与接收节点之间建立的握手协议可以检测出信号强度、信号时延与信道占用率等网络质量参数,实现对无线信道状态的准确估计。发送节点根据等网络质量参数的检测结果自动选择发送频段、通信速度、路由路径、发送速率等通信参数,将带有通信参数的CTS(允许发送帧)反馈给发送节点,并调整接收节点本地的调制编码方式,以接收DATA(数据帧);S4:发送节点接收到CTS以后,按照CTS要求将发送速率与调制编码方式等通信参数调整到与接收节点一致;调整好后发送节点和接收节点完成DATA-ACK(数据帧-确认帧)的通信。数据帧和确认帧发送完成后,将发送节点和接收节点均切换至基础通信参数,等待下一次需要通信时再进行自适应调整。
应该理解的,本发明中发送节点和接收节点中至少有一个为船舶通信节点,另一个可以是船舶通信节点,也可以是其他通信节点,例如基站通信节点。也就是说,本发明提供的船舶通信的网络自适应方法,可以实现船舶与船舶之间的分布式数据交互通信,还可以实现各船舶与基站之间的集中式数据交互通信,亦可实现各船舶与其他通信节点之间的集中式数据交互通信。
具体的,本发明中进行数据通路的通信协议优选按照AI S的报文习惯设计的通信协议,以提高的兼容性。
本发明.建立了一种网络自适应算法,提高了***的网络通信质量,降低了***时延及误码率,提高了频谱占用率,可使船舶在港口或宽阔水域准确高效识别周围船舶,降低碰撞危险,解决目前AI S数据质量低、功耗高等问题,可广泛应用于封闭水域中船舶的辅助导航与***。
优选的,所述请求发送帧包括帧头、船舶识别码、请求发送数据以及帧尾;所述允许发送帧包括帧头、船舶识别码、允许发送数据、帧尾以及通信参数。
具体的,本实施例中请求发送帧与允许发送帧的格式如下表所示:
表1、握手协议
本实施例中通路参数为信号强度。
优选的,按所述通信参数值进行通信参数调整,具体为:
所述通信参数值为扩频因子,根据所述扩频因子对通信速度进行调整。
本实施例中根据网络质量参数检测值选择合适的扩频因子,然后根据选择的扩频因子进行通信速度的调整,使得通信速度可自适应当前网络状态。
优选的,所述网络质量参数包括信号强度、信号时延以及信道占用率,所述通信参数包括发送频段、扩频因子、通信速度以及路由路径。
优选的,在发送节点与接收节点之间建立握手协议,具体为:
发送节点向接收节点发送所述请求发送帧;
接收节点接收到所述请求发送帧后向所述发送节点发送所述允许发送帧,实现握手协议的建立。
通过请求发送帧和允许发送帧的发送及接收在发送节点与接受节点之间建立握手协议。同时借用建立握手协议的过程实现网络参数的自适应调节,使得发送节点与接收节点之间的通信效率更高、通信效果更好。
优选的,根据网络质量参数检测值选择通信参数值,具体为:
建立通信距离、网络质量参数以及通信参数之间的映射关系表;
获取发送节点与接收节点之间的实时通信距离,根据所述实时通信距离、网络质量参数检测值在所述映射关系表中选择相应的通信参数值。
本实施例中建立的映射关系表如下:
表2、通信距离与信号强度、扩频因子、数据速率间的映射关系
根据当前网络状况以及通信距离,为发送节点与接收节点之间的通信选择合适的通信参数。保证发送节点与接受节点之间的通信质量,同时无需设置天线,功耗低。
优选的,在发送节点与接收节点之间建立握手协议,具体为:
在公共信道上建立所述握手协议;
握手协议建立完成后重新分配通信信道;
在重新分配的通信信道进行通信。
由于握手协议的建立不需要太高的网络质量,因此直接在公共信道上建立。建立完握手协议并对通信参数进行调整后,切换至更合适的信道进行后续的正式通信,进行数据帧的发送和船舶识别等过程。
优选的,握手协议建立完成后重新分配通信信道,具体为:
设置初始信道分配方案;
根据效用函数计算当前信道分配方案的干扰量;
根据所述干扰量判断当前信道分配方案能否达到均衡状态,如果能,则采用当前信道分配方案进行通信,否则切换至下一个信道分配方案,并转上一步。
本优选实施例在进行通信参数调整的基础之上,对通信信道进行自适应调节,解决目前AIS设备存在的VHF信道拥挤的问题。
具体的,本实施例中可用频段为470-510MHz,需要接受无线电管理委员会监管,从470.3MHz开始每200KHz递增到509.7MHz,共144个通道,其中6-38,45-77号信道用于中国电力使用,船舶识别中不可使用,剩余78个通道可用。由于网络资源有限,而船舶数量多,通信数据包密集,所有船舶节点采用基于博弈论的频谱分配模型进行信道自适应分,在发送节点计算效用函数是否能达到均衡状态,若达到则按照此策略进行信道分配,若不能则继续转换到下一个信道,寻找能达到均衡状态的信道分配策略。找到了能达到均衡状态的信道分配策略并完成了数据帧通信以后再次回到初始分配信道,等待下一次需要通信时在进行信道自适应分配。
优选的,根据效用函数计算当前信道分配方案的干扰量,具体为:
其中,Ui()为效用函数,Pk为节点sk的发射功率,k∈[1,n],n为节点总数量,Gkj为节点sk到节点sj的链路增益,I()为干扰方程,表示当节点收发数据时使用同一信道则会产生干扰;
所述干扰方程为:
所述链路增益为:
其中,dij为节点sk与节点sj的通信距离。
信道自适应分配的目的是使得干扰量最小,本实施采用基于博弈论的频谱分配模型的效用函数计算***当前分配策略的整体干扰量。采用基于博弈论的频谱分配模型,提高了***信道利用率与吞吐量。解决了目前AIS设备信道不够用的问题。
根据所述干扰量判断当前信道分配方案能否达到均衡状态,具体为:
判断所述干扰量是否小于设定阈值,若是,则说明可以达到均衡状态,否则不能达到均衡状态。
实施例2
如图2所示,本发明的实施例2提供了船舶通信的网络自适应装置,包括处理器以及存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现实施例1提供的船舶通信的网络自适应方法。
具体的,船舶通信的网络自适应装置还包括无线通信模块、显示屏、SD卡、传感器等。无线通信模块用于建立通信连接,以便实现船舶通信的网络自适应方法。无线通信模块可采用LoRa通信模块实现,LoRa通讯模块具有点对点数据双向传输功能,分别用于数据的发送和接收。各类传感器用于获取船舶的位置信息、航速信息、航向信息、运动信息,例如位置信息、航速信息可采用GPS模块实现检测,航向信息可采用罗经传感器实现检测,运动信息可采用加速度传感器实现检测,根据船舶运动信息可以判断船舶是否处于在航状态,传感器检测的数据作为数据帧进行发送,从而实现不同的船舶通信的网络自适应装置之间的相互识别。显示屏用于显示检测数据和识别结果等。SD卡用于存储船舶航行信息,SD卡模块内还存储有船舶静态信息,船舶静态信息包括船舶识别号、船长、船宽、船舶类型、船舶吃水等。
本发明实施例提供的船舶通信的网络自适应装置,用于实现船舶通信的网络自适应方法,因此船舶通信的网络自适应方法所具备的技术效果,船舶通信的网络自适应装置同样具备,在此不再赘述。
实施例3
如图3所示,本发明的实施例3提供了船舶通信的网络自适应***,包括至少两个实施例2提供的船舶通信的网络自适应装置,还包括基站,各所述船舶通信的网络自适应装置之间采用实施例1提供的船舶通信的网络自适应方法实现相互通信,各所述船舶通信的网络自适应装置与所述基站之间采用实施例1提供的船舶通信的网络自适应方法实现相互通信。
图3中示出了六个船舶通信的网络自适应装置,很显然其数量还可为其他,图3中未示出基站,每两个船舶通信的网络自适应装置之间均可采用实施例1提供的船舶通信的网络自适应方法实现相互通信,所述船舶通信的网络自适应装置与所述基站之间采用实施例1提供的船舶通信的网络自适应方法实现相互通信,且通信质量佳,图3中箭头仅示出了其中部分的通信连接可能。所有船舶通信的网络自适应装置通过无线通讯连接,例如LoRa。船舶用户可通过船舶通信的网络自适应装置向通讯范围内的其他船舶通信的网络自适应装置发送本船舶数据,也可以转发其他船舶数据。无线通讯模块在发送数据前采用船舶通信的网络自适应方法检测***的网络状态,根据网络状态自动选择最优通信路径、通信信道等,这种网络自适应的方式可以扩大通信距离,降低***的时延,提高信道利用率。
本发明实施例提供的船舶通信的网络自适应***,包括船舶通信的网络自适应装置,采用船舶通信的网络自适应方法进行通信,因此船舶通信的网络自适应方法所具备的技术效果,船舶通信的网络自适应***同样具备,在此不再赘述。
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种船舶通信的网络自适应方法,其特征在于,包括以下步骤:
在发送节点与接收节点之间建立握手协议;
根据所述握手协议的请求发送帧检测网络质量参数,根据网络质量参数检测值选择通信参数值;
根据所述握手协议的允许发送帧发送所述通信参数值,按所述通信参数值进行通信参数调整;
按调整后的通信参数发送数据帧实现通信;
所述请求发送帧包括帧头、船舶识别码、请求发送数据以及帧尾;所述允许发送帧包括帧头、船舶识别码、允许发送数据、帧尾以及通信参数;
所述网络质量参数包括信号强度、信号时延以及信道占用率,所述通信参数包括发送频段、扩频因子、通信速度以及路由路径;
在发送节点与接收节点之间建立握手协议,具体为:
在公共信道上建立所述握手协议;
握手协议建立完成后重新分配通信信道;
在重新分配的通信信道进行通信;
握手协议建立完成后重新分配通信信道,具体为:
设置初始信道分配方案;
根据效用函数计算当前信道分配方案的干扰量;
根据所述干扰量判断当前信道分配方案能否达到均衡状态,如果能,则采用当前信道分配方案进行通信,否则切换至下一个信道分配方案,并转上一步;
根据效用函数计算当前信道分配方案的干扰量,具体为:
其中,Ui()为效用函数,Pk为节点sk的发射功率,k∈[1,n],n为节点总数量,Gkj为节点sk到节点sj的链路增益,I()为干扰方程,表示当节点收发数据时使用同一信道则会产生干扰;
所述干扰方程为:
所述链路增益为:
其中,dij为节点sk与节点sj的通信距离。
2.根据权利要求1所述的船舶通信的网络自适应方法,其特征在于,按所述通信参数值进行通信参数调整,具体为:
所述通信参数值为扩频因子,根据所述扩频因子对通信速度进行调整。
3.根据权利要求1所述的船舶通信的网络自适应方法,其特征在于,在发送节点与接收节点之间建立握手协议,具体为:
发送节点向接收节点发送所述请求发送帧;
接收节点接收到所述请求发送帧后向所述发送节点发送所述允许发送帧,实现握手协议的建立。
4.根据权利要求1所述的船舶通信的网络自适应方法,其特征在于,根据网络质量参数检测值选择通信参数值,具体为:
建立通信距离、网络质量参数以及通信参数之间的映射关系表;
获取发送节点与接收节点之间的实时通信距离,根据所述实时通信距离、网络质量参数检测值在所述映射关系表中选择相应的通信参数值。
5.一种船舶通信的网络自适应装置,其特征在于,包括处理器以及存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现如权利要求1-4任一所述的船舶通信的网络自适应方法。
6.一种船舶通信的网络自适应***,其特征在于,包括至少两个如权利要求5所述的船舶通信的网络自适应装置,还包括基站,各所述船舶通信的网络自适应装置之间采用如权利要求1-4任一所述的船舶通信的网络自适应方法实现相互通信,各所述船舶通信的网络自适应装置与所述基站之间采用如权利要求1-4任一所述的船舶通信的网络自适应方法实现相互通信。
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