大型专业船舶无线自组织通信网络容错技术研究

摘 要：大型专业船舶无线自组织网络的结构复杂、功能众多，网络的容错自愈能力要求较高，本研究针对大型船舶的特点，首先提出了基于独立端的故障诊断与恢复方法，之后研究了机会路由和网络编码技术，最后进行了仿真实验。

关键词：大型专业船舶 无线自组织网络 容错自愈

水上交通运输历来是个高风险的行业，尽管当代高科技已在船舶工程和航海上大量应用，但随着运输业的不断发展，船舶数量不断增多，致使航行密度不断增大，航行环境不断恶化；此外，船舶日趋大型化、专业化，航速不断提高，船舶发生事故的风险难以降低，水上交通事故形势依然严峻。

2005年12月，国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）第81次会议收到提案，提出制定e-Navigation 发展战略的设想。 IMO 采纳了该提案，并决定主导开展e- Navigation的相关研究，从此在全球拉开了e- Navigation研究的序幕：即通过电子方式在船上和岸上收集、综合、显示海事信息，以增强船舶到泊位的全程航行能力，增强船舶海上服务和保安能力。

根据 IMO 文件《发展和实施e-Navigation战略》（MSC85/26附录20）的叙述，e-Navigation环境下，船上的船舶综合助航系统集成了自身传感器、支持信息标准用户界面以及警戒区/警报管理等装置，从而达到支持船舶安全和航行效率目的。船舶内部的无线通信网络作为信息传播的重要载体，其安全性和健壮性将会是评价船舶综合助导航系统性能的关键因素。

研究现状

船舶在航行过程中，经常面临剧烈颠簸、震动、水涌入船体等情况，无线通信网络中部分节点容易发生故障或损坏。同时，当上述天气或环境情况发生时，也是最需要船舶无线通信网络运行的关键时刻，这时需要网络能够正常运转以保证船上的通信、检测、定位等应用的正常运行，是船员应对紧急情况的保证。所以当部分节点或设备在出现恶劣环境状况或恶劣天气而发生损坏时，如何保证网络面向容灾，面向自愈性的可靠运行和传输是研究中的至关重要的问题。

面向容灾与容错的自组织网络研究，在国内外已经吸引了大量的研究工作，但是面向舰船特殊应用环境的研究尚鲜见报道。现有研究主要面向容错的通讯协议，数据备份方法，通讯节点切换方法等。而从这些研究中可以看到，针对船载网络在海上运行、在恶劣环境中运行、易出错、易大量损坏的特殊容错技术和方法仍然没有得到解决。

基于独立控制端的故障诊断与恢复方法研究

在船载无线自组织网络中，由于节点能量限制、环境干扰、网络规模变化以及节点的损坏等原因，使得网络的某些节点停止工作，导致网络故障。为了保证网络中数据顺利传输，必须要设计相应的算法，保证网络可以检测到故障并能修复。本研究采用基于独立控制端的故障诊断与恢复方法实现网络的自治和修复。

独立控制节点的控制命令可以在较短的时间内传到目标节点，为了实现这个目标，我们在每个采样周期的结束前加了控制时隙，节点在该时隙处于唤醒状态，通过监听网络接收独立控制节点的控制命令并转发。从而大大提高了控制命令的转发效率。图1显示了控制命令的转发过程，其中红色的双色箭头表示控制命令和节点反馈消息在网络层和MAC层的传输过程。

独立控制节点可以在无线自组织通信网络中解决全网重启、可变采样周期、在线故障诊断等多种问题。

全网重启动：船载无线自组织网络部署完成后，经常需要重启整个网络进行测试联调，如果依靠人工对网络中的每个节点做重启动，耗时长、效率低；独立的控制节点可以重启动的命令，该命令在网络中通过多跳传递给每个节点，节点接到命令后进入重启状态，从而显著提高效率。

可变采样周期：在船载无线自组织网络中，针对不同类型的信息，其数据采样频率是不一样的，这就要求网络中每个节点的采样周期可控。大规模的网络节点部署完成后，如果想修改某些节点的采样周期，采用人工重新烧写节点程序的方式效率太低，独立的控制节点可以修改采样周期的命令，该命令中包含需要修改采样周期的节点号以及修改后的采样周期的长度。

在线故障诊断：网络中的节点的健康状况直接关系到网络能否长时间稳定的运行，如何快速发现故障节点是首先需要解决的一个关键性问题。独立控制节点可以一个检测网络健康状况的命令，该命令以多跳的方式传播的网络中的每个节点，节点在收到该命令后会做出一个反馈，该反馈最终会传到控制节点，通过读取控制节点收到的反馈信息，就可以判断哪些节点已经停止工作了。

基于机会路由与网络编码的容错技术研究

机会路由通过多个潜在中继节点竞争、自主智能进行中继节点的选择，它充分利用了信道广播特性，提高了网络的吞吐量和传输可靠性。机会路由方法，在每一跳的无线通信过程中，发送节点可以在多个实际接收到数据包的节点中选择转发节点，这形成一种自然的多径路由策略，当部分转发节点损坏时，机会路由方法仍然能够以较大概率找到可以转发数据的下一跳节点。

采用机会路由，仍然难以保证网络中部分链路由于链路质量较差，导致的数据包丢失等问题；而网络编码方式，在数据传输时，不是直接传输数据，而是传输数据与其它数据的线性编码，这样数据的信息被编码到多个数据包中，在解码段，即使部分数据包丢失，仍然能够可靠的解码出网络中待传输的数据，可显著提高在不可靠网络中的可靠数据传输效果。

本研究提出了机会路由与网络编码的改进方法，图2是网络编码数据传输示意图，当源节点S 向下一跳节点广播编码包时，下一跳节点A、B、C 由于丢包可能各自只收到部分编码包，但当节点A、B、C 总共收到足够多的线性无关的编码包后，其中一个节点发送一个确认信息ACK 给源节点；源节点在收到ACK 确认信息后马上可以发送下一数据段的数据包。因为这时节点A、B、C 中含有足够多的线性无关编码包可以发送给目的节点D，这样源节点不需要等目的节点发送ACK，从而节省等待时延。

仿真和实验结果

在完成理论分析后，进一步通过仿真实验，评价了在节点出现故障后，基于独立控制端的故障诊断与恢复方法、基于机会路由与网络编码的容错技术在保证网络通讯性能方面的结果。图3是系统仿真场景的示意图，图4 比较了节点故障前后，应用容错算法时，网络的数据通讯成功率。从实验中可见，在网络节点出现故障后，所提方法仍然能够很好的维持网络的通讯能力，显示出可靠的容错性能。

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