卫星与船舶延迟容忍网络的研究范文

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摘要:

船舶在海上航行时，其与陆地及其他船舶的通信主要依靠卫星及无线电系统进行。卫星与船舶之间距离非常远，有时船舶相互之间的距离也较远，影响船舶与卫星之间及船舶与船舶之间通信准确性及时性。本文通过对延迟容忍网络的研究，试图提高船舶通信的准确性和及时性。

关键词:

卫星;无线电系统;准确性;延迟容忍

近年来，随着海上灾难及事故的不断发生，人们逐渐认识到应急通信［1］的必要性。应急通信的发展经历了早期的短波通信到如今的各种现代化通信方式。尤其是网络已逐渐成为人们日常生活一个不可或缺的组成部分，这得益于无线网络［2］及有线网络的发展。但是一旦通信设备发生突发性损坏，有些地方根本无法建立行之有效的通信网络，更不能自成体系、迅速组网应对突发情况。局部网络必然发生拥塞，形成通信盲区。这对灾害或事故发生地来说是二次灾难，造成无法及时被救援。由于海运船舶多数时刻航行在茫茫无际的大海上，一旦船舶遇险，必须要在第一时间向外部发射求救信号。因此对船舶的通信系统提出极其严格的要求。目前船舶上使用的应急通信系统都是基于卫星及无线广播的系统。针对以上这些情况，我国目前提出“天基移动多功能网络”的概念，并投入建设。通过此网络可以建设独立工作、不同于目前的网络结构、便携式的、可快速自由组网的应急通信系统。而延迟容忍网络恰好可以应用于这样的通信方式当中。这是由于其主要面向高延时、频繁终端、高误码率等环境的特性决定的。

1延迟容忍网络结构

1.1延迟容忍网络体系结构随着科学技术的不断发展，网络在通信中发挥的作用越来越大。网络建立在一种均匀通信设备协议基础之上，也就是TCP/IP［3］。目前也存在一些不同于Internet的网络，比如卫星、星际通信等。它们之间是互不兼容的。每个网络都有各自的服务区域。链路路径、链路连接性、数据不对称性及差错率等定义了通信的特点。这违背了Internet结构的通信要求，这些网络通常具有很大的延迟、链路间任意时刻可断开、具有很大的差错率以及双向非对称数据率［4］。表1给出了传统网络与延迟容忍网络(DTN)的区别:由表1可知，与Internet网络不同的网络在TCP/IP协议下并不能达到非常好的性能。由此提出并设计了DTN结构［5］。如图1所示，DTN结构的关键是Bundle层，其位于应用层和传输层之间，Bundle同时与下层的协议连接起来。因此，即使跨越多个区域，传输的数据仍然可以通信。图中的Bundle层在节点之间传递消息，也叫传递bundle。Bundle的应用范围非常广，它可以应用于所有的DTN结构中。与TCP/IP协议在端对端发挥的作用不同，Bundle层建立于传输层之上，同时还是一个覆盖层，具有复杂多样的功能，比如数据的存储、携带及转发。由此可知，Bundle可在2个不同节点之间进行数据存储及转发，直到数据传输完成到达目标节点为止。

1.2Bundle层功能前面已经介绍了Bundle的主要功能是存储转发和保管传递。1)存储转发存储转发在延迟容忍网络中的作用多种多样，必不可少。比如通过它可以克服链路突发性断开、非对称的数据率以及较高的差错率等。图2展现了存储转发的过程。存储部分可以不受限制地存储传递转发的信息。而短时间的存储由存储芯片决定。2)保管传递延迟容忍网络特点是支持节点之间的重复传递，这是为了应对bundle在传输层和Bundle层丢失或损坏的突发状况。端到端的可靠性只能由Bundle的协议来实现，这是因为没有传输层的协议能够有效支持延迟容忍网络中端到端的可靠性实现。影响节点对bundle接收状况的因素非常多，譬如能耗、能源等。特别是当网络环境恶劣及远端到目的端没有可用路径时，影响更大。这时保管传递的使用显得必不可少，其能够有效地保证节点之间的可靠性，从而能够确保端到端的可靠性传递［6］。图3为保管传递功能的工作示意图。

2延迟容忍网络的路由算法

路由是无线网组成中非常重要的一部分，路由性能的高低直接决定着数据传输效率的高低。由于延迟容忍网络特性十分复杂，且难以测定，因此选定适当的路由算法可以显著提高网络传输的效率以及质量。由于空间段和用户段的网络性质不同，因此要采用不同的方法，分别确定路由算法和随机性路由算法。

2.1确定性算法确定性路由算法适用于网络拓扑和节点可预测的网络。在空间段中，船舶上的卫星通信网络是由同步卫星、地面基站及船舶卫星信号接收器组成，所以可以认为船舶的卫星通信网络中的节点是固定不变的。但是由于船舶航行在大海中，加上天气变幻莫测，很容易造成链路中断。延迟容忍网络的关键是Bundle层，Bundle层的功能是提供存储转发和保管传递这2个功能，因此能够克服外力中断链路这种状况。

2.2随机性路由算法用户段的网络是由移动终端组成的AdHoc网络。因此，当移动终端移动时必定导致节点能量的消耗，同时网络链路跟随变动，同时由于移动终端的移动范围具有很强的不确定性，因此采用2种随机性路由算法［7］。EpidemicRouting算法也可称为传染性或者流行性路由算法。其原理是把节点中传输的bundle传输给其他的节点。其传输过程如图4所示。工作过程为:当节点C1跟节点C2传输时，会发送一个anti－entropy信息。此时C1将把自身的SV传送给C2。这里C1的SV是指C1的全部缓存信息;接着C2的SV将取非，以表示C2所需信息，取非结果再与C1的SV进行逻辑与操作。此时，C1向C2发送一个请求信息向量;最后C1把所需信息传送给C2。

3船舶卫星通信系统的仿真

首先建立船舶卫星通信的模型，模型为地面一个基站、海上船舶一个基站及同步卫星。采用距离矢量路由算法进行仿真，仿真工具为NS2，仿真时间设置为500s。图5是对时延分析的结果。从图5可看出，采用延迟容忍结构能够降低数据传输的时延，并且时延的波动范围被限制在很小的范围内，其稳定性非常好。此外，当测量完所有路径的时延后，距离矢量路由算法才会选择合适的路径，这条选定的路径将是最好的。由此可看出，采用DTN结构可以使系统稳定地工作。由图6可知，采用延迟容忍结构的网络能够保持非常小的抖动，其抖动范围同样很小。因此可知，采用延迟容忍结构的网络，其不确定性非常小，工作状态非常稳定。

4结语

本文首先分析了船舶卫星通信系统对延迟容忍网络的需要，接着分析了延迟容忍网络的结构及算法，最后对采用延迟容忍网络的卫星通信系统进行仿真分析。得出采用延迟容忍网络，可以使船舶卫星通信系统取得稳定可靠的工作状态，提高了卫星通信的效率，从而可以使船舶遇险后能够及时有效与外界联系。

参考文献:

［1］陈如明．未来应急通信发展策略再思考［J］．北京:通信技术政策研究，2008(6):1－14．

［2］许继红．试论无线网络发展过程中的问题与对策［J］．南京:无线互联科技，2013(10):65－65．

［3］王维盛．TCP/IP协议中四种关键的地址标识技术概述［J］．科技纵横，2013，42(2):16－18．

［4］杨炎．延迟容忍网络路由算法研究［D］．成都:电子科技大学，2012:6－12．

［5］杨洪勇，路兰，张嗣瀛．基于复杂网络的Internet结构模型［J］．控制工程，2010，17(3):380－383．

［6］程大伟，赵海，孙佩刚．能量高效的无线传感器网络传输可靠性研究［J］．计算机应用，2008，28(1):25－28．

作者：危锋 单位：河南经贸职业学院 信息管理系 解放军信息工程大学