無線通信通道轉(zhuǎn)換控制方法探討

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關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)絡(luò)；通道轉(zhuǎn)換；功耗

引言

隨著船舶自動(dòng)化水平的不斷提高，船載設(shè)備也不斷進(jìn)行技術(shù)革新，以船舶導(dǎo)航系統(tǒng)為例，導(dǎo)航系統(tǒng)的功能是為船舶操作人員提供精確的位置定位和導(dǎo)航信息。近年來，導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器設(shè)備不斷發(fā)展，在傳統(tǒng)的電羅經(jīng)基礎(chǔ)上出現(xiàn)了電子海圖技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位和各類數(shù)據(jù)采集傳感器，這些設(shè)備的正常運(yùn)行不僅需要船舶供電系統(tǒng)的保障，同時(shí)也需要船舶通信網(wǎng)絡(luò)的支撐，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的高效通信。此外，船舶監(jiān)控系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)等，也都對船舶與各模塊之間的信息傳輸提出了更高的要求。船舶無線局域網(wǎng)是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)的一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)利用無線多址信道和寬帶調(diào)制技術(shù)，建立船舶功能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，使艦船成為一個(gè)統(tǒng)一的整體。船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)解除了網(wǎng)線的限制，能夠更好地適應(yīng)船體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為現(xiàn)代大型船舶的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。本文研究的重點(diǎn)是船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)的單雙通道切換控制技術(shù)，在船舶無線局域網(wǎng)的信號(hào)傳輸過程中，進(jìn)行單雙通道切換不僅有助于提高無線局域網(wǎng)絡(luò)中頻帶的利用率，也能節(jié)約能源，降低無線局域網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功耗。本文介紹無線局域網(wǎng)的單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議，研究一種高效的無線局域網(wǎng)絡(luò)單雙通道的轉(zhuǎn)換方法。

1船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代化的大型船舶均采用無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，利用無線網(wǎng)絡(luò)將船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、保障系統(tǒng)等系統(tǒng)中的底層硬件設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)整體，圖1為船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的原理圖。如圖所示，船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)主要由移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、路由、網(wǎng)關(guān)、防火墻、船舶管理終端、信號(hào)塔、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及船舶的各類底層硬件設(shè)備組成。相對于有線通信網(wǎng)絡(luò)，船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)如下：1）無線通信網(wǎng)絡(luò)解除了網(wǎng)線的限制，在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，除了移動(dòng)通信基站與網(wǎng)關(guān)路由之間需要采用有線連接外，路由與船舶底層硬件設(shè)備之間的連接均采用無線鏈路，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。2）無線局域網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)采用雙冗余通道設(shè)計(jì)，并支持單雙通道的信號(hào)切換，使網(wǎng)絡(luò)通信的效率更高。3）船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)采用分布式的控制方式，每個(gè)分布式的船舶管理終端計(jì)算機(jī)可并行完成各種功能，從而使無線網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)時(shí)間更快。4）隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)更加成熟，也使得船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維成本降低。

2船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)的單雙通道轉(zhuǎn)換控制方法

2.1無線通信網(wǎng)絡(luò)的單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議

在船舶的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，廣泛采用了單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議，這種通信協(xié)議的特點(diǎn)是只通過配置單個(gè)信號(hào)收發(fā)器，就可以使無線通訊網(wǎng)絡(luò)工作在多個(gè)信號(hào)頻段上，實(shí)現(xiàn)的方式是通過單雙信道的切換。單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議具有良好的成本優(yōu)勢和兼容性，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在多信道MAC協(xié)議時(shí)，由于在同一時(shí)刻，單一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只能在唯一信道上工作，如何保障信道的高效切換和節(jié)點(diǎn)的信道同步一直是業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)。為了保證無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，必須使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)選擇質(zhì)量較高的信道，每個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置了優(yōu)選信道列表（PCL），它將信道分為高優(yōu)先級(jí)、中優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)3個(gè)等級(jí)，其中，高優(yōu)先級(jí)信道表示將優(yōu)先在數(shù)據(jù)傳遞周期內(nèi)使用，中優(yōu)先級(jí)的信道表示還未被占用，低優(yōu)先級(jí)信道是指被其余網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用中。如圖2所示，共有A/B/C/D四個(gè)優(yōu)先級(jí)別不同的信道，在單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議中，A信道的信標(biāo)幀開始時(shí)間段稱為ATM幀，在ATM幀的時(shí)間階段內(nèi)，無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)默認(rèn)使用ATM數(shù)據(jù)包。當(dāng)ATM的時(shí)間階段結(jié)束后，信道A向信道B傳輸DATA數(shù)據(jù)包。在信道B中，ACK幀是信道級(jí)別調(diào)整的時(shí)間階段，CTS幀是信道B向信道A發(fā)送的數(shù)據(jù)包。信道C和信道D的工作機(jī)理與上述信道相同。圖2為單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議的信道原理圖。當(dāng)船舶無線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)下述幾種情況時(shí)，信道的狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變：1）某無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)選信道列表（PCL）將所有信道設(shè)置為中優(yōu)先級(jí)狀態(tài)時(shí)，信道的狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。2）如果在無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通過一定的協(xié)議確定當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸信道后，該信道的優(yōu)先級(jí)別調(diào)整為高優(yōu)先級(jí)；3）當(dāng)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到了Ad-hoc流量指示信息時(shí)，信道的優(yōu)先級(jí)別調(diào)整為高優(yōu)先級(jí)，且在下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期中繼續(xù)保持高優(yōu)先級(jí)。

2.2無線通信網(wǎng)絡(luò)的單雙通道轉(zhuǎn)換控制方法研究

在實(shí)際的船舶無線局域網(wǎng)絡(luò)中，無線傳輸鏈路以Wlan為主，信號(hào)的收發(fā)過程是點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行的，網(wǎng)絡(luò)鏈路同時(shí)支持單跳和多跳傳輸，信道頻段為2.4GHz，帶寬為20MHz。在單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議中，AP模式提供無線接入服務(wù)，允許其他無線設(shè)備接入，也支持?jǐn)?shù)據(jù)訪問功能。通常無線路由/網(wǎng)橋等設(shè)備工作在該模式下。STA模式類似于無線終端，本身并不接受無線設(shè)備的接入，但是可以連接到AP，通常無線網(wǎng)卡工作在該模式下。AP模式和STA模式的切換也過程也是單雙通道的轉(zhuǎn)換過程。如圖3所示，AP和STA的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)C-NIC工作通道1中，當(dāng)STA根據(jù)信道評估的結(jié)果確定需要進(jìn)行信道切換時(shí)，向AP發(fā)送CSACK數(shù)據(jù)幀，AP接收到該數(shù)據(jù)幀后，即進(jìn)行信道的切換。在無線通信網(wǎng)絡(luò)的信道切換時(shí)，需要對信道的質(zhì)量進(jìn)行評估，本文結(jié)合ACS算法[5]對信道的傳輸質(zhì)量采用干擾因子進(jìn)行評估，干擾因子的定義如下式：TBUSYTFREETABSERVENfN0為信道處于信號(hào)傳遞的時(shí)間，包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收的時(shí)間，為信道的空閑時(shí)間，為觀測的時(shí)間。為信道中觀測的底部噪聲，為某一頻段內(nèi)信道觀測的噪聲。本文結(jié)合無線局域網(wǎng)的實(shí)際工作狀態(tài)，設(shè)定無線信道的工作頻段為2.4GHz，信道的帶寬為20MHz，分別在AP模式和STA模式下，采集了信道轉(zhuǎn)換過程的不同時(shí)間，得到信道的干擾因子如圖4所示。干擾因子越大，證明信道的質(zhì)量越差，由圖可知STA模式下信道轉(zhuǎn)換的質(zhì)量更高。

3結(jié)語

船舶無線局域網(wǎng)的信道切換有助于提高信道傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，本文重點(diǎn)介紹了單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議下不同工作模式AP和STA信道切換控制方法，并對信道質(zhì)量進(jìn)行了綜合評估。

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作者：潘健 單位：無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院