基于VDES的船聯網移動自組織路由協議研究

胡 青 張根彪 宋蒙恩

(大連海事大學信息科學技術學院 遼寧 大連 116026)

0 引 言

隨著海洋交通業的發展，ITU和IALA提出了VDES概念，并計劃于2020年左右發布正式技術標準[1]。VDES能夠在海事VHF移動波段內提供更高、更強的數據交換能力，滿足了海洋通信業務的需求。VDES的提出為構建覆蓋性強的新一代海上通信系統提供了技術基礎，推動了船舶協同互聯技術以及船聯網技術的發展。船舶協同互聯技術包含移動模型和移動自組織網絡(Mobile Ad Hoc Networks,MANET) 路由協議兩大部分，其中船舶移動模型為船舶協同互聯技術的基礎，MANET路由協議為船舶協同互聯技術的核心。

移動模型是一種利用數學方式描述節點運動特征的工具，是真實節點運動特征的抽象體現。典型的移動模型可以分為隨機移動模型、時間依賴模型、空間依賴模型、地理依賴模型、混合模型等[2]。在不同的實際環境中，節點具有各種移動特征，因此典型移動模型并不完全適用于所有場景。為了滿足研究的需要，國內外通過分析真實節點的運動特征，結合現有移動模型的方式，設計出了各種移動模型。Rahman等[3]全面仿真并論證了不同網絡環境對不同移動模型的性能影響，該研究對移動模型在現實場景中的應用具有引導作用。Liu等[4]通過研究人體運動狀態的傳遞情況，在高斯-馬爾可夫模型的基礎上提出了一種能夠揭示真實人體運動的移動模型——人體高斯馬爾可夫移動模型。Solmaz等[5]通過分析人們在主題公園的活動規律，提出了一種能夠較好匹配實際運動的新型主題公園人員流動模型。Bittner等[6]指出底層移動模型會對MANET路由協議產生很大影響，并根據現實場景的異質性等特征，提出了一種新的基于區域圖的移動模型。

MANET是一種無固定基礎通信設施、無中心控制的多跳無線網絡[7]，該網絡抗毀性強，有極高的軍用價值和商用價值。MANET路由協議作為MANET的重要組成部分，國內外也對其進行了廣泛的研究。Surendran等[8]提出了一種基于質量約束的容錯前瞻路由算法，在有效路由失敗的情況下，協助選擇備選路徑，提升了協議中的路由決策能力。Han等[9]提出了一種自適應hello報文傳輸方案，抑制了不必要的hello報文，降低了路由的網絡開銷。Wahab等[10]提出了一種新型QoS聚類算法，利用QoS-OLSR協議解決了VANETs中的集群問題，有效地改善了路由協議的性能。Xia等[11]提出了一種基于信任的單播路由協議，為選擇安全最短路由提供了一種靈活的方法，對協議在端到端時延方面的性能有很大提升。Zhang等[12]結合OLSR協議與改進的量子遺傳策略，提出了一種新型路由協議——QG-OLSR協議，降低了網絡開銷，優化了協議性能。

綜上所述，近年來國內外在移動模型以及MANET路由協議方面均做了大量的研究分析，對船舶MANET路由協議亦有一定的研究，但沒有結合海洋環境及船舶運動特征。與此同時，VDES為海上船聯網提供了良好的Ad Hoc網絡環境，但目前國內外尚未有關于基于VDES的MANET路由協議的研究。因此本文在船舶移動模型的研究基礎上，對現有MANET路由協議在VDES中的應用進行了理論研究及仿真分析，進一步給出VDES下的船聯網系統最優路由選擇方案。本文對VDES以及船聯網的發展都具有積極的推動作用。

1 船舶移動模型研究

船舶移動模型是研究VDES自組織網絡路由協議的前提。因此，為了保證船聯網MANET路由協議研究的可靠性，建立一種恰當的船舶移動模型尤為重要。船舶移動模型設計的關鍵是根據實際船舶的運動特點抽象出節點運動規律，使模型中的節點具備真實場景中船舶的運動特征。

本文通過分析真實AIS數據，結合相關船舶理論知識，抽象船舶運動規律及船舶運動特征，綜合現有移動模型，設計出了一種具有船舶運動特征的節點移動模型——船舶平滑轉向的高斯馬爾可夫移動模型(Ships Smooth Swerve Gauss-Markov Mobility Model,SSGM)。在具備船舶基本運動特征的基礎上，進一步將海浪、氣流、避讓等影響船舶運動的因素作為模型的隨機干擾因素，提升了模型與真實場景的相關性。

1.1 船舶運動分析

船舶在不同航行階段具有不同的運動特征，為保證移動模型對船舶運動的準確描述，移動模型應以船舶運動特征為設計基礎。船舶各種航行階段具有以下運動特征：

1) 相關性：船舶當前時刻的運動與上一時刻相關，不存在船舶航行速度以及方向的突變。

2) 滯后性：受到海水、氣流等自然因素的影響，舵手在進行船舶運動調節時，相關操作會有一定時間的延遲響應，船舶狀態不會立即變化。

3) 滯留性：船舶到達港口后速度降為0；在港口，船舶需要滯留一段時間，以處理相關的港口作業。

4) 線性：船舶離港后逐漸加速，直至加速到理想速度才進入勻速運動狀態。

5) 平滑性：船舶轉向過程受到水的阻力及船舶自身的限制，符合大半徑平滑轉向的運動特征。

綜合分析船舶運動特征可得：在上述航行階段中，船舶均具備平滑移動的特性。平滑移動的特性符合高斯馬爾可夫移動模型[13](G-M模型)節點的運動規律，因此本文以G-M模型為基礎，結合船舶運動特點，設計出了一種SSGM模型。

1.2 SSGM模型描述

船舶固有操作包括變向操作和變速操作兩方面。變速操作包含加速、減速、停車、倒車等方面的操作；變向操作包含船舶在轉向過程中的一系列操作。通過結合船舶的運動特征及船舶固有操作設計出的SSGM模型，可用數學式進行表達，模型在各階段具有以下不同的描述。

1.2.1加速航行階段

加速階段主要是指船舶從處于停車狀態或直線運動狀態，加速到理想速度的過程。在該過程中，船舶處于勻加速直線運動狀態，考慮外在因素影響，模型附加了一定的隨機擾動，其中節點運動方向的變化形式與G-M模型相似。

速度及方向更新公式為：

Vt+1=Vt+a·dt+Vn

(1)

(2)

位置坐標更新公式為：

(3)

(4)

1.2.2穩速航行階段

船舶航行到理想速度后，由加速航行階段轉為穩速航行階段。在穩速航行階段中，船舶節點的運動速率以及航行方向相對穩定，基本保持勻速直線運動狀態，但受到外在干擾因素的影響，節點的速度和方向會有細微的變化。在本階段中，定期更新節點速度、航向等信息，實現節點運動狀態的轉變。

速度及方向更新公式為：

(5)

(6)

位置坐標更新公式為：

xbt+1=xbt+Vt+1·cos(θt+1)·dt

(7)

ybt+1=ybt+Vt+1·sin(θt+1)·dt

(8)

1.2.3旋回運動階段

在本設計中，旋回運動階段是指處于定速直線航行狀態的節點進行轉舵的過程。船舶受自身設計的限制及外在因素的影響，在轉向過程中符合大半徑平滑轉動的方式。船舶旋回過程可以分為轉舵階段、過渡階段、定常階段，船舶在向某一目的地航行時很少有大于180度的轉向，因此本文設定節點轉向角度在180度以內。在轉向過程中，船舶轉向半徑近似等于進距與滯距之差，其中：進距為旋回初徑的0.6～1.2倍；滯距為船長的1～2倍；旋回初徑約為船長的3～7倍。

綜合上述分析，可以推導出船舶轉向半徑計算公式為：

R=1/2·coe·boat_len

(9)

式中：R為船舶節點的轉向半徑；boat_len為船舶節點長度；coe為轉向直徑與船長的相關參數。

節點左轉與右轉的操作類似，在位置更新計算方面基本一致，只在回旋中心方面存在一定的差異。節點變向的相關操作服從以下規律。

時間及角度更新公式為：

t=Δθ·R/Vt+1

(10)

(11)

1) 左轉情況。

回旋中心計算公式為：

xr=xb-R·sin(θt)

(12)

yr=yb+R·cos(θt)

(13)

位置坐標更新公式為：

xb=xr+R·cos(θt+1+Δθ)

(14)

yb=yr+R·sin(θt+1+Δθ)

(15)

2) 右轉情況。

回旋中心計算公式為：

xr=xb-R·sin(θt)

(16)

yr=yb+R·cos(θt)

(17)

位置坐標更新公式為：

xb=xr+R·cos(θt+1+Δθ)

(18)

yb=yr+R·sin(θt+1+Δθ)

(19)

式中：Δθ為節點更新坐標的角度偏移量；t為轉向階段中節點更新的時間間隔；xr、yr分別表示回旋中心的橫縱坐標；xb、yb表示節點當前位置的橫縱坐標；θt+1、θt分別為當前時刻及下一時刻的運動方向。

1.3 模型仿真分析

移動模型的仿真與分析包括MATLAB環境下個體移動模型的仿真以及NS2環境下節點的宏觀移動仿真兩個方面。MATLAB環境下，個體節點移動模型如圖1所示；在一段時間內，真實船舶的航行軌跡如圖2所示。個體移動模型的仿真通過檢驗節點運動特征的方式與真實船舶航行情況比對分析，驗證模型中節點運動是否具備船舶航行特征；節點宏觀移動仿真是指在多節點運動情景下的節點的運動仿真，記錄節點運動相關信息，涵蓋時間、位置、速度等方面，為后續通信協議的仿真分析驗證提供場景支持。

圖1 個體移動模型

圖2 船舶節點真實航行軌跡

由圖1可見，模型中節點的運動軌跡相對平滑，不存在拐點和斷點的情況，節點主要以直線運動為主，在直線運動中存在細微的擾動。由圖2可見，船舶從初始位置到目的地的航行過程中符合平滑移動特點；轉向過程中，船舶轉向半徑較大、運行軌跡平滑；整體航行過程中，船舶節點多處于直線運動狀態。綜合上述分析可知，節點個體移動特征基本符合船舶移動模型的要求，滿足了后續設計的需要。

本仿真平臺通過NAM工具描繪實時移動節點的宏觀分布，圖3即為NAM工具描繪的節點初始時刻整體分布。NS2中的船舶分布模型的初始情況如圖，其中數字及黑色實點均代表模型中的移動節點。在分配移動節點初始位置時，服從隨機分布特性；運動過程中，符合個體移動模型的運動特征。節點的隨機分布性與運動的規律性符合船舶的航行特征，基本滿足了船舶移動模型設計的需要。

圖3 船舶分布模型

2 MANET路由協議理論分析

MANET路由是源節點和目的節點之間建立恰當的通信路徑的協議，促進了節點間的無縫連接，增強了系統數據傳輸能力。不同的MANET路由協議具有不同的適用場景，為了滿足船聯網的通信需求，對海洋通信系統及目前現存的路由協議深入研究分析十分必要。

VDES雖然在帶寬上與AIS相比有很大的提升，但與大量的數據通信相比，仍然有限。因此選擇或設計船舶路由協議時，要在滿足可靠性的基礎上盡可能降低協議的路由開銷，以避免信道擁塞的發生，維護系統穩定。從近年來國內外研究中可以看出，目的節點序列距離矢量(Destination-Sequenced Distance-Vector，DSDV)協議、動態路由(Dynamic Source Routing，DSR)協議和AODV協議是各類協議中較為典型且性能較好的協議[15]。因此本文就上述三種路由協議，從理論方面給出了適用于海洋環境下的MANET路由協議。

DSDV協議[16]需要周期性地更新路由表，路由開銷較大，特別在網絡拓撲變化較快的網絡中，需要采用更高的路由更新頻率，路由開銷隨之急劇增加。因此，DSDV協議不適用于高動態網絡。DSR協議[17]不需要節點維持路由信息表，在發送數據時，采用路由發現過程的方式建立路由，并將選用的路徑直接附在數據報文中。該路由機制消除了無數據通信業務時的路由開銷，但產生了相對較大的響應時延；每個數據包中包含完整路由信息，降低了帶寬利用率；在路由表中存在路由陳舊的問題，對協議可靠性產生了一定的影響。因此，DSR協議適用于實時性要求不高、通信量不大且網絡拓撲相對穩定的環境中。AODV協議[18]在有通信需求時，通過泛洪的方式建立路由，在節點數量較多時，路由開銷逐漸增加；按需路由的方式，決定了節點在通信時會有較大的時延。因此，AODV協議較適用于實時性要求不高，數據通信不頻繁的環境。上述三種MANET路由協議整體對比分析結果如表1所示。

表1 路由協議性能對比

可以看出，表驅動路由協議的路由開銷很大，收斂時間很長。船聯網MANET路由協議是基于VDES研究的，VDES通信速率僅為307.2 kbit/s，隨著路由開銷的增大，系統的鏈路負載隨之上升，增大了信道擁塞的風險，不利于系統的穩定,因此，表驅動路由協議不適用于海洋環境。在按需路由協議中，DSR協議的每個數據分組都要攜帶完整的路由信息，協議額外開銷較大，網絡帶寬利用率相對較低，因此不適用于小帶寬的通信場景。AODV協議只攜帶下一跳路由信息，帶寬利用率較高，相對適用于帶寬低的場景。由上述分析可知，AODV路由協議可作為VDES場景下的最優路由方案。

3 仿真測試及性能分析

AODV路由協議雖然在理論上論證了在海洋場景下的適用性，但缺乏VDES通信環境下的實際驗證，為了充分論證協議的適用性，本文通過利用網絡仿真平臺仿真的形式驗證了協議適用性，進一步為船舶MANET路由協議的改進奠定了基礎。本文在仿真平臺中，基于船舶移動模型，結合VDES特性，設計了海洋路由通信場景。針對分組投遞率、端到端時延、歸一化路由開銷三方面分析了不同MANET路由協議性能。

3.1 VDES路由場景設計

本文為了更加真實可靠地模擬VDES通信環境，在設計路由通信場景中，數據包大小及數據傳輸速率均符合VDES通信標準的要求。VDES采用的時分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)協議與本次仿真采用的載波監聽多路訪問/沖突檢測 (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect,CSMA/CD)協議采用的均為時分復用的方式，雖然TDMA協議與CSMA/CD協議相比有更加嚴格的時間控制機制，能夠有效降低用戶過多時產生的數據沖突，減少數據報文的傳輸等待時間，使通信系統擁有更低端到端時延。但這兩種接入方式對其他性能影響較小，因此本次仿真結果及分析可充當VDES環境下的協議評估。考慮到渤海區域廣度較大且船舶節點分布不均的情況，本文通過控制同一場景下的節點數量模擬船舶的不同密度分布場景的方法，達到不同仿真場景設計的要求。

仿真場景建立時，仿真區域在實際場景的基礎上按比例縮小，即場景在1 200 m×2 000 m的范圍內設計。實驗參數設置如下：節點最大速度為20節；通信數據包大小為672字節；節點停留時間為2 s；節點數量為50、100、150、200、250、300個；仿真時間為200 s；分組發送率為每秒4個數據包；通信距離為250 m。

3.2 分組投遞率

分組投遞率(packet delivery fraction，PDF)可作為船舶MANET路由協議可靠傳輸的評估參數，隨著PDF逐漸提高，協議具有更可靠的數據傳輸能力。仿真環境中，目的節點接收數據分組量與源節點發送數據分組量的比值即為協議的PDF。PDF計算公式如下：

(20)

式中：NSP(Number of Send Packets)表示節點發送的分組數目；NRP(Numbers of Receive Packets)表示節點接收到的分組數目。

圖4所示為AODV、DSR、DSDV三種路由協議在不同場景下的PDF。可以看出，隨著節點數量的增加，路由協議的PDF整體呈下降趨勢。AODV協議基本在不同仿真場景下，分組投遞率均優于其他路由協議；DSR協議在150個節點之后，分組投遞率急劇下降，該情況由DSR協議的報文中攜帶完整路由信息所導致。DSDV協議在PDF方面基本均低于其他協議，這是由于受即時路由交換所影響，在節點數目多或拓撲變化頻繁的網絡中，鏈路未能快速更新。

圖4 分組投遞率性能對比

海洋環境中，受到VDES通信速率的限制，對各類協議的PDF都有一定的影響，但從本次仿真可以看出，AODV協議在PDF方面性能最好，且相對穩定，平均投遞率為85%左右；DSR路由協議次之，平均投遞率為60%左右，但其波動性比較大，性能不穩定；DSDV路由協議性能最差，平均投遞率只有50%左右，且波動性最大。

3.3 端到端傳輸時延

端到端傳輸時延(End-to-End Delay，EED)可作為船舶MANET通暢性的評估參數，伴隨網絡傳輸時延的降低，網絡實時傳輸能力得到提升，系統通信質量愈高。仿真環境中，源節點發送數據分組與目的節點接收數據分組的差值即為傳輸時延，EED為傳輸時延的均值。傳輸時延及端到端傳輸時延計算公式如下：

D(i)=RT(i)-ST(i)

(21)

(22)

圖5所示為三種MANET路由協議在不同場景下的EED。可以看出，隨著節點密度的增加，三種MANET路由協議的EED整體呈先降后升趨勢，這是由于在第一個場景中節點數量少、密度小，導致網絡連通性較差，時延比較大；隨著節點數量的增加，網絡的連通性變強，時延也隨之降低；但當節點增加過多時，網絡規模變大，數據包傳輸經歷的節點增多，進一步導致EED不斷增加[21]。DSDV協議在無數據通信時就已建立好路由，因此進行數據通信時，網絡時延最小。DSR協議與AODV協議雖然均采用按需路由的方式，但二者建立方式不同：DSR協議依據最短路由建立通信鏈路；AODV協議優選擁塞最輕的路由建立鏈路，致使其在EED方面基本低于DSR協議。

圖5 端到端平均時延對比

海洋環境中，船舶分布特性及VDES通信速率對各類協議的EED均有一定的影響，但從本次仿真中可以看出，DSDV協議性能在EED方面最好，且相對平穩，平均時延僅有0.2 s；AODV協議次之，平均時延為0.5 s左右；DSR協議最差，平均時延約為0.6 s。

3.4 歸一化路由開銷

歸一化路由開銷(Normalized Routing Load，NRL)可作為船舶MANET擁塞程度的評估參數，隨著NRL的降低，協議成本隨之下降，網絡帶寬利用率不斷提升。仿真環境中，所有節點發送的路由控制分組量與接收到的所有數據包量的比值即為NRL，其計算公式如下：

(23)

式中：NRC(Numbers of Route Control)表示節點發送的路由控制分組數目；NRP(Numbers of Receive Packets)表示節點接收到的數據分組數目。

圖6所示為三種MANET路由協議在不同場景下的NRL。可以看出，隨著節點密度的增大，三種MANET路由協議的NRL呈上升趨勢。AODV協議具有較穩定的路由開銷，且在不同的情況下基本上均低于DSR和DSDV協議，特別是在節點大于200后，AODV協議開銷遠低于其他兩種協議。節點數目低于150時，DSR協議具有較低的NRL；節點數目大于200后，協議開銷急劇增加，這是由于其攜帶完整路由信息，網絡規模的增大，數據報文能攜帶的有效數據信息減少所導致。DSDV協議開銷基本高于其他兩種協議，且在不同場景下存在很大的差異：節點數量小于200時，開銷維持在700以內；大于200后，開銷激增到1 800左右。DSDV協議的定時更新路由機制是協議開銷較大的根本，特別是隨著網絡規模以及節點運動速度的增大，協議開銷隨之急劇增加。

圖6 歸一化路由開銷對比

海洋環境中，受VDES傳輸速率及數據報文大小的限制，路由協議在路由開銷方面會受到很大的影響。從本次仿真中可以看出，AODV協議的路由開銷最小且最平穩，均在60以下；DSR協議在節點增大時存在較大的跳變，平均NRL為470；DSDV協議開銷增長迅速，平均協議開銷高達1 000。

3.5 總體性能分析

綜上研究分析可知，基于VDES的海上MANET路由協議研究應以協議的分組投遞率為基礎，以協議的路由開銷為重要考慮方面。MANET路由協議總體性能分析如表2所示。

表2 MANET路由協議總體性能分析

由表2可知，AODV路由協議較高的PDF和較低的NRL適應了海洋通信中的VDES的低帶寬特性，較低的EED滿足了系統實時性的要求，可見AODV協議較好地滿足了海上船舶通信的需要，因此本文建議采用AODV協議作VDES下船聯網系統的最優路由方案。

4 結 語

本文針對基于VDES的海上路由協議及船舶分布模型進行了研究設計與分析。在船舶移動模型方面，提出了一種符合海洋船舶運動特征的移動模型；在VDES路由協議方面，采用對現有路由協議的理論分析及仿真驗證的方式，尋求了一種較適用于VDES的MANET路由協議。

研究分析表明，AODV路由協議適用于海上船舶通信場景。但船舶分布模型沒有充分考慮航道等因素的影響，還需要對移動模型作進一步研究。因此下一步將繼續針對船舶分布、運動特性、運動場景等方面進行研究，增加船舶在實際場景中的限制條件，加強模型與實際場景的聯系，以搭建與實際更相關的船舶移動模型，進一步為設計出完全符合海洋環境下的MANET路由協議奠定基礎。