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1背景知識介紹

船舶自動識別系統(AIS)是一種集合了網絡技術、通信技術、計算機技術等的一體化助航設備。該系統能夠獲取近海海域中船舶的名稱、位置、航向、速度等信息，一方面能夠給船舶以唯一的標識，另一方面能夠維護一個全局的船舶視圖，以供船舶交通管理系統(VTS)或其他系統使用。本文針對VANET中存在的問題，以及AIS所具備的優勢，提出一種新型的基于ais的海上無線數據通信網絡。該網絡一方面能夠實現靈活的組網和拓撲無關性，另一方面能夠利用AIS所提供的船舶信息，實現更加有效、精確的位置服務和尋路功能，克服了VANET中路由協議的不足。網絡的整體框架如圖1所示。在船舶加入網絡時，首先通過AIS向最近的AIS基站發送自身的信息，全體船舶的AIS信息存儲于AIS服務器中。在本文提出的基于AIS的無線網絡中，各個船舶可以向AIS基站發送請求，獲得自身的位置信息，以及向周邊船舶發送信息，獲得鄰居船舶的信息，通過AIS和鄰居船舶等多個方面確定自身所處的位置以及呼叫對象所處的位置。當船舶A希望和船舶C通信時，首先通過多維位置發現服務，獲得船舶C所處的位置，然后根據路由算法獲得到達目的船舶的通信路徑。

2多維位置發現服務

在AIS中，船舶通報自身位置，AIS服務器了解全體船舶的各個位置，而船舶本身并不了解自身在整個船舶通信網絡之中的位置，以及呼叫對象在通信網絡之中的位置。本文提出一種多維位置發現服務，通過該服務船舶不僅能夠了解自身的絕對位置，同時能夠通過維護鄰居表和路由表，獲取自身在通信網絡中的相對位置，進而各個船舶可以通過自身的鄰居表和路由表構建整個通信網絡的整體視圖，相較于傳統的AIS位置服務，具備更多的位置衡量維度，因而稱為多維度位置發現服務。在建立鄰居關系的過程中，首先自身船舶向周邊船舶發送廣播NB_req消息，周邊船舶若接收到，并允許建立鄰居關系，則發送應答NB_rep;自身船舶根據NB_rep消息中提供的MMSI，向AISBS發送NI_req，AISBS通過查詢服務器并計算后，向自身船舶發送NI_rep消息，其中包含了周邊船舶的位置、速度等信息，自身船舶將這些信息添加入鄰居關系表，通過鄰居關系表，則船舶能夠了解自身所處的位置，以及在全體船舶之中的位置。若自身船舶需要獲得某個鄰居船舶信息則發送NC_req，同時接受NC_rep來獲取相應的信息。通過以上關系，不同船舶之間可以通過自身的鄰居關系建立連接關系。鄰居表及路由表的更新算法如圖4所示。

3基于AIS的路由協議

第2節中介紹的多維位置發現服務，每個節點均維護了1張鄰居關系表和路由表，這些鄰居船舶可以直接進行通信。當需要與較遠距離的目標進行通信時，則需要相應的路由協議確定在VANET中的通信路徑。路由協議工作的步驟如下:1)首先船舶A根據自己的路由表，通過BS向自己的鄰居發送DL_req消息，鄰居收到消息之后，向BS發送應答DL_rep，返回自身的鄰居表;2)船舶A根據DL_rep更新自己的路由表和路由表，并向新添加的鄰居發送DL_req消息，并檢查DL_rep中是否有目的船舶的信息;3)若船舶A的路由表和鄰居表中新添加了目的船舶，那么尋路結束，根據路由表建立通往船舶通信路徑;若沒有則重復2)，直到路由表和鄰居表中沒有新的元素被添加。在路由協議中，接收消息DL_rep與第2節中介紹的消息格式類似，其格式如圖6所示。其中OMMSI為呼叫對象的MMSI，NeMMSI為對象船舶路由表中的下一跳船舶的MMSI。通過第2節中的鄰居表和路由表更新，可以建立較為充分的“目的———下一跳”表項，為本節的路由協議提供基礎。

4系統實現與仿真

系統節點的實現如圖7所示。其中外部計算模塊使用的是利用C++編寫的程序代碼，模擬船舶中網絡節點的路由計算及消息處理。外部I/O模塊，負責顯示當前的網絡節點狀態和工作過程。在模擬節點中，每個AIS發送/接收終端與外部計算模塊相連，計算模塊模擬了路由協議在節點中的工作過程，演示了上文提到的幾種重要消息類型。最后使用NS2對本文提出的網絡進行了仿真，仿真環境為X86架構計算機，Corei3四核處理器，4G內存，Win7(64位)操作系統。在NS2中的仿真圖如圖8所示，其中①～⑦為模擬船舶節點，其內部結構如圖7所示，⑧～⑨為模擬AISBS。仿真過程中實現的是，⑥之間的通信過程⑦，在初始狀態下，⑥和⑦不是鄰居關系，圖8顯示的是不同節點發送消息的狀態。通過路由協議的工作，最終⑥和⑦實現了有效的通信，最終顯示的消息在NS2中如圖9所示所示。

5結語

本文針對VANET在實際應用過程中所暴露出的不足，提出了一種基于AIS的海上無線數據通信網絡，給出了網絡的整體框架，并對多維位置發現服務以及基于AIS的路由協議進行了深入研究，定義了需要的消息格式，并設計了相應的算法，使得網絡能夠在AIS的幫助下，實現在無線自組網內的路由和有效通信。最后，本文給出了系統的簡單實現，并在NS2中給出了整個網絡工作過程的仿真過程，證明了本文提出方法的可行性。

作者：劉旭單位：重慶電子工程職業學院