（计算机应用技术专业论文）嵌入式海上ais网络管理系统研究实现.pdf

摘要 摘要 海上船舶自动识别系统( a i s ) 是一种采用t d m a 方式工作的新型助航设备。 其优点是信息量大、实时性好、抗干扰能力强和越障碍传输。主要应用领域是船 舶避碰、船舶交通管理系统。它以通信技术和计算机技术为依托，给海上船舶监 视带来了革命性的进步。 本文分析研究了a i s 系统中的软件部分网络管理系统的原理，深入探讨 了a i s 中的关键技术，并给出了在l i n u x 平台下嵌入式a i s 网络管理系统的解决 方案。 首先，论文介绍了a i s 系统的组成结构，网络通信体系模型，以及a i s 系统 中时隙等重要概念。然后，在研究m s 网络管理系统的原理基础之上，分析a i s 的四种时隙预约、选择算法：i t d m a 、s o t d m a 、r a t d m a 、f a tm a ；研究 a i s 中的关键技术：时间同步，时隙复用等。其次，在l i n u x 平台下，基于s o c k e t 通信，设计网络管理系统，并具体实现了网络管理系统的各阶段主要功能，和其 中的时间同步，时隙复用等关键算法。最后，通过建立s o t d m a 通信的数学模 型，简要分析时隙选择的冲突概率。 关键词：嵌入式a i s 网络管理时隙预约时间同步时隙复用l l n u x a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu n i v e r s a ls h i p b o l n ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a i s ) i so n ek i n do ft h e n a v i g a t i o ne q u i p m e n t s i tu s e st h et d m ac o m m u n i c a t i o ns k i l l s i t sm e r i ti s ：t h e i n f o r m a t i o nc o n t e n ti sb i g ，t i m e l i n e s sg o o d ，t h ea n t ij a m m i n ga b i l i t yi ss t r o n ga n dt h e b a r r i e rt r a n s m i s s i o n t h em a i na p p l i c a t i o nd o m a i ni st h es h i p se v a d e sa n dt h es h i p s t r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ，i tt a k e sc o r r e s p o n d st h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya st h eb a c k i n g , a n db r i n gt h er e v o l u t i o n a r yp r o g r e s sf o r t h e m a r i n es h i p ss u r v e i l l a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e da n ds t u d i e di nt h ea i ss y s t e ms o f t w a r ep a r t i a l - n e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m a f t e rt h ed i s c u s s i n gi nt h ea i se s s e n t i a lt e c h n o l o g y , t h ea r t i c l e p r o p o s e dt h es o l u t i o no fe m b e d d e da i sn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ，a n dr e a l i z ei t u n d e rt h el i n u xp l a t f o r m t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ea i ss y s t e mc o m p o s i t i o ns t m c t u r e ，t h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d e l ，a sw e l la si m p o r t a n tc o n c e p t a b o v et h i sf o u n d a t i o n ， s t u d i e sa i sf o u rc h a n n e la c c e s ss c h e m e s ：i t d m a , s o t d m a , r a t d m a , f a t d m a ； s t u d i e si na i st h ee s s e n t i a lt e c h n o l o g y ：t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，s l o tr e u s e t h e n ，u n d e r t h el i n u xp l a t f o r m ，b a s e do nt h es o c k e t , r e a l i z e dm a i nf u n c t i o no ft h en e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e ms t a g e s ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，a n ds l o tr e u s ea l g o r i t h m f i n a l l y t h r o n g h e s t a b l i s h e st h es o t d m am a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n a l y s i s i t s c o n f l i c t p r o b a b i l i t y k e y w o r d s ：e m b e d d e d a i sn e t w o r km a n a g e m e n tc h a n n e la c c e s ss c h e m e s s l o tr e u s et i m es y n c h r o n i z a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盘熟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：盘敛 日期：垄翌：查丝 导师签名：隈新 日期：三! “鸯? 第一章绪论 5 第一章绪论 1 1 自动识别系统( 脚s ) 产生的背景 随着世界船舶数量不断增加及船舶向大型化和高速化方向发展，世界重要水 道越来越拥挤，海损事故时有发生，给船舶航行安全和海洋生态环境造成了巨大 威胁啪。人们在长期研究航行安全保障技术中越来越认识到，船舶之间和船岸之间 的信息交换与船舶识别的重要性，同时也深感现行状况存在的诸多局限性。因此， 提高船舶航行安全，防止及控制船舶对海洋的污染，成为国际海事组织( n 订o ) 和 各国主管部门的当务之急啪。为了进一步提高船舶航行安全，有必要研究和开发新 的助航设备。通信和计算机技术的发展，为该研究提供了技术上的保证。a i s 就是 依托这些技术发展而成的。 在以往的海上船舶碰撞事故中，出现过多起由于v h f 设备操作问题和语言交 流上存在的问题而不能及时沟通和了解对方船舶的信息与操作意图，最终导致碰 撞事故发生的案例。在限制水域或v t s 作用区域，控制中心通过无线电话询问或 由船舶用无线电话向控制中心报告而获得船舶的信息后，再用人工方式将船舶信 息输入v r s 监控系统以实现对船舶的跟踪管理“1 。由于采用人工方式向系统输入 信息，对船舶来往密度较大的v r s 作用区域的控制中心来说，不仅工作强度大， 而且易出现操作上的差错，有时因出现盲区而丢失目标。针对上述情况，欧美一 些国家在9 0 年代前后，着手开展了用于自动获得船舶信息和航行状态技术的探索 和研究。 1 2 a i s 系统简介 船舶自动识别系统( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，简称a i s ) 是一种新型的 辅助导航设备。a i s 工作在海上v h f ( v e r yh i g hf r e q u e n c y ，甚高频) 频段上，采用 t d m a ( t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，时分多址) 方式发射船舶的静态数据和动 态数据，同时在这个频段接收其他船发出的信息，并把这些信息经过计算显示在 雷达屏幕或电子海图上。随着不断接收网络内其他船只的信息，不断刷新每个动 态目标的信息，驾驶员就能够得知周围船舶的实时情况，采取超前的航行措施。 减少或避免海损事故的发生。a i s 区别于以往同类设备的主要特点是：所有装有 a i s 设备的船只，在没有控制站，即基站参与的情况下，能够自动根据网络的情 况管理网络资源，进行船舶之间无差错，无冲突的通信。这种连续自主的操作特 性，解决了在离岸远无法收到基站控制信号的特殊情况下船舶通信的问题。 6嵌入式海上a i s 网络管理系统研究实现 1 3a i s 发展过程与现状 较早的一种方法是基于v i - i fd s c 技术开发而成的，称为“自动应答系统 ( t r a n s p n d e rs y s t e m ) ”。其基本方法是在7 0 频道上以d s c 方式自动发出 询问信息，接收到询问信息的接收机( 装在船舶或岸台上的a d s 设备) 根据询问方 要求的频道，将本船的识别码、船名、船位、航向、航速、吃水等信息自动传给 询问方，这样便实现了自动应答功能，( 其中船舶识别码和船位信息是必需传送的， 它在设备安装时已存入；船位信息来自g p s ，通过数据接口连接在发射设备上) 。 在v t s 作用区域，岸上设备不断向周围区域发出询问信号，区域内的船舶在接收 到询问信号后便自动依次向岸上设备发回各类信息，这些信息自动输入v r s 设 备。v r s 控制中心通过v h f 将这些信息用广播方式播发，凡是配有这种设备的船 舶都可接收到，并可在电子海图上显示出来，驾驶人员可在电子海图上看到周围 船舶的船位、船名、航向、航速等信息。此外，系统还可进行数字通信和语音通 信。由于新技术在s 中的运用，增加了系统的功能，使之成为“增强型v r s ”。 与此同时，一种在v h f 频道上，用欧洲数字集群标准的技术来实现自动应答功能 和通信功能的研究也相当成功。在i m o 正式公布a i s 的性能标准之前，上述系统 已在欧美一些国家得到应用m 。 i m 0 很重视这项新技术对安全航行的作用，在1 9 9 5 年1 1 月2 9 目的7 4 s o l a s 公约缔约国政府会议上，通过了一系列决议，其中的决议9 是关于自动船舶识 别应答器收发系统。在该决议中，肯定了这种装置“将极大地提高航行安全 性”，并提出：尽快制定该装置的操作要求和性能标准，审议通过该装置系统配 置的s o l a s 公约修正案；同时请国际电信联盟制定该装置的技术标准和合适的 频率。1 9 9 6 年，在i m o 航行安全分委会4 2 次会议上，审议了技术小组提交的使 用v h fd s c 技术的船用自动识别系统装置的性能标准草案，并将该系统简称 为“a i s ”；同年，在海安会的6 7 次会议上同意把a d s 作为今后需实行的方案来 考虑。1 9 9 7 年i m o 的航行安全分委会举行了4 3 次会议，会上通过了关于全球 船载自动识别系统( a i s ) 性能标准的建议案。这次会议简报对a i s 的功能作了描 述，称该系统“满足以下需要：船对船模式的避碰；港口国获得船舶和它所 运货物的信息；作为v r s 的工具”。1 9 9 8 年i m o 的海安会批准了该建议案。 1 9 9 9 年航行安全分委会4 5 次会议最后确定了对s o l a s 公约第五章的修订( 按程 序，“新五章”需在2 0 0 0 年1 2 月海安会的7 3 次会议上通过最后批准) ，并确定 了航行于国际航线的3 0 0 吨以上船舶和公约国航行于国内航线的5 0 0 吨以上的船 舶，将从2 0 0 2 年7 月1 日起到2 0 0 8 年7 月1 日分阶段执行配备a d s 设备的规定 嘲 第一章绪论 7 为了规范和统一系统技术标准和频率资源的合理使用，国际电信联盟( i r u ) 曾 于1 9 9 2 年出台了建议案r 1 1j r m 8 2 5 。w r c 0 9 7 ( 1 9 9 7 年世界无线电行政大会) 批准将v h f 8 7 和8 8 频道拆为单工频道，其中的1 6 1 9 7 5 m h z 为a i s l 频道， 1 6 2 0 2 5 m h z 为a i s 2 频道。国际电信联盟无线电通信第八研究组经过激烈的讨论 后，在1 9 9 8 年提出了一份海上v h f 波段使用t d m a 的船用自动识别系统( a i s ) 的 技术特性的建议案，该建议案采用s o t d m a 系统用于船舶间的航线监督及安全、 船舶报告、y r s 应用等，并已被i m o 所采纳。从国际上看，由于美国力推d s c 技术 而欧洲力推s t d m a 技术的历史原因，美国人对朋s 的热情不是很高，并且还给舢s 的全球实施制造了一些障碍，据报道，美国目前只有r o s s 公司推出了a i s 设备。 在欧洲，瑞典是a i s 技术的发源地，它的s a a b 公司推出了完整的a i s 船用设备和岸 基设备，并进行了大量的实验，是该项技术的领导企业。在亚洲，日本、韩国还 未见有关推出& i s 设备的报道。像日本的j r c 公司，由于其内部产业调整，目前并 未推出a i s 的内核产品“。 从国内情况看，由于近年来中国计算机产业和微电子产业的迅速发展，使中国 己具备了前所未有的研发船用电子设备的基础；另一方面，由于中国改革开放2 0 年，经济有了快速增长，资本市场有了空前的发展，目前中国有相当多的闲置资 本想用于高新技术的投资。这也是我国开始从事船用电子设备研发的一个重要条 件。但是目前市场上尚未出现自主知识产权的，成熟的a i s 设备。 1 4 论文选题的意义和主要研究内容 随着船舶自动识别系统( 舢s ) 配备日期的逼近，依照规则购置安装a i s 是目前 各船运公司在船舶通信方面的首要工作。我国有3 0 0 多家国际航运公司，拥有近 4 0 万艘国际航行船只，可以说a i s 在我国有良好的推广应用前景，具有巨大的安装 市场。目前国外的a i s 设备功能已经比较完善，但价格较高。我们研制自主知识产 权的a i s 设备，在保证质量的前提下，可以降低价格达5 0 9 6 左右，能够节省大量的 外汇并借此提高我国航运的国际地位，扭转我国船用通信完全依赖进口的局面， 具有巨大的经济效益和社会效益。 通过广泛的调研，深入研究a i s 的国际标准，和最新的a i s 技术要求，得出 结论：a i s 设备更适合使用嵌入式系统来实现。 首先，& i s 是一种船舶专用设备，有其特殊的应用环境，与实时性要求。嵌 入式系统本身的实时性，专用性等特点很好的满足了a i s 设备的要求。使用嵌入 式系统开发& i s 设备，不仅能够降低软硬件开发成本，甚至可以节省开发费用。 其次，随着嵌入式技术发展日趋成熟，嵌入式计算系统已广泛地应用到工业 8 嵌入式海上a i s 网络管理系统研究实现 控制系统，通信设备等众多领域中。嵌入式系统软硬件的发展进一步推动了该技 术的进步。采用嵌入式系统开发a i s 设备，符合当前趋势，为系统以后的升级提 供了很大空间。 本论文主要研究实现a i s 系统的软件部分一网络管理系统。通过理解a j s 系统的功能，深入研究a i s 网络管理系统的工作原理。在实现了系统网络管理各 阶段工作过程的基础之上，对该系统的关键技术：时隙预约算法、时隙的同步技 术，时隙的复用技术进行初步的探讨。 为了进一步验证网络管理系统的可靠性，将所研究的内容在l i n u x 操作系统 上模拟实现，并对其仿真结果进行了分析。 论文的结构安排如下： 第一章概述a i s 产生的历史背景和研究现状，分析论文的选题意义。 第二章论述a i s 网络管理系统的原理。首先介绍了a i s 系统的通信体系结构， 和系统中的重要概念和关键算法。在此基础之上，简要描述了网络管理系统的整 体工作流程。 第三章介绍a i s 网络管理系统开发平台【j n u x 操作系统。在简要分析嵌入 式l i n u x 操作系统的结构和特点之后，对a i s 网络管理系统的开发环境和所使用 的工具作了介绍。 第四章是a i s 网络管理系统的详细设计与具体实现部分。在设计系统总体方 案之后，详细实现了网络管理的不同阶段。然后进一步研究、实现其中关键的技 术，例如i p 通信，时间同步和时隙复用。最后对系统的仿真结果进行分析。 第五章是对本文工作的总结，并对a i s 技术的发展提出了一些看法。 第六章计算a i s 系统的网络容量，并建立数学模型，对网络用户时隙选择的 冲突概率进行分析。 第二章a i s 网络管理系统的原理 9 第二章a l s 网络管理系统的原理 2 1a i s 系统结构及功能 a i s 的组成主要包括硬件和软件两部分。 硬件部分包括：一个g p s ( 全球定位系统) 接收机，一个通信处理器，两个 国际信道，两个v i i 数据接收机和一个v i - i f 数据发射机。如图2 1 所示： 图2 1a i s 系统组成结构 g p s 接收机能接收到本船的精确位置信息，对地航速，和导航信息，及为数据 链提供u t c 时间。这些信息转换成数字信号后，输入到通信处理计算机中。计算 机把这些信息与船速，船号、航向、对地速度以及事先通过输入设备输入的有关 船的信息捆绑在一起，通过数据链v i - i f 发射出去。 通信处理计算机是a i s 的核心部分，用于存储、处理本船的静态、动态信息； 将g p s 和v h f 接收到的信息进行处理计算；将需要显示的数据传输给显示单元。 控制v h f 收发器的工作。 v h f 收发器在a i s 全球专用的8 7 b ( 1 6 1 9 7 5 m h z ) 和8 8 b ( 1 6 2 0 2 5 m h z ) 两 个信道上工作。两个独立的t d m a 接收机分别同时接收两个独立信道的信息。一 个t d m a 发射机在两个独立频道上轮流发射信息“1 。 软件部分包括：与硬件的接口软件，以及运行于通信处理计算机的网络管理软 件。其中网络管理软件是软件部分的核心，通过网络管理实现a i s 船舶之间的连 续自主的通信特性。 a i s 能够自动与目标船舶建立通信，同时a i s 利用无线电波可以克服天气，地 形，海况等不利因素，保证通信的可靠性，帮助传播有效导航信息，提高航行安 全，增强对覆盖区船舶的识别和监控。a i s 将海上通信带入计算机数字通信的网 络时代。 嵌入式海上a i s 网络管理系统研究实现 2 2a i s 网络通信模型 通信网络设计要遵循开放系统互联的原则，国际标准化组织的开放式系统互联 参考模型( i s 0 o s i ) 是公认的开放系统互联标准。 国际电信联盟r r u r 应国际海事组织i m o 的委托，制定了a i s 在v h f 海上移 动频段的t d m a 技术特性标准。这个标准提出了对开发系统互联模式第一层到第 四层的要求，涵盖了o s i 的低四层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层。 图2 2 形象的描述了a i s 通信网络的各个层次“1 。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 a 信道b 信道 l m e 层( 链路管理实体层)l m e 层( 链路管理实体层) d l s 层( 数据链路服务层) d l s 层( 数据链路服务层) m a c 层( 介质访问控制层)m a c 层( o r 质访问控制层) 物理层 物理层 接收机a发射机a b接收机b 图2 2m s 通信网络层次模型 a i s 中o s l 各层功能描述如下： ( 1 ) 物理层 物理层是a i s 网络的最底层结构，实现了, m s 之间的物理连接，并向数据链 路层提供一个比特流传输。该层主要定义了以下参数： 带宽：a i s 的运行带宽为2 5 k h z 或1 2 5 k h z 。在公海采用2 5 k h z 带宽，在领 海根据当地管理部门的要求使用2 5 k h z 或1 2 5 k h z 的带宽。 第二章a 1 s 网络管理系统的原理 1 1 调制方式：采用根据带宽进行调整的调频高斯滤波最小频移键控 g m s k f m 。 数据传输比特率：9 6 0 0 b p s 。 ( 2 ) 数据链路层 数据链路层解决数据打包、数据纠错等问题，实现a i s 台之间无差错的数据 传输，并向网络层提供无差错的数据传输。它包括三个子层： a m a c 子层：介质接入子层提供联接v h f 数据链的方法。主要有t d m a 信道同步、时隙状态的判别和处理、信道访问等功能。 b d is 子层：数据链路服务子层起到数据链激活和释放、数据传输和检错 控制等功能。发射数据包的长度主要由d l s 确定，数据纠错码也是本子 层的工作任务。 c l m e 子层：链路管理实体子层控制d s l 、m a c 和物理层的运行。共有 四种数据链接入协议，l m e 用一决定选择其中的一种或者多种。 ( 3 ) 网络层 网络层负责建立并维护信道的连接，信息优先级分配管理，信道之间传输组 的分配和解决数据链路阻塞问题。 a 传输分组的分配：a i s 系统会为接收到的用户建立地址目录，其中包括用 户识别码m m s i ，用户动态静态信息等。这些数据被送到显示接口，通过 v h f 数据链传输 b 信息优先级管理分配：在数据分组有必要进行信息排队等候时，使用优先 级解决处理的顺序。从一级到四级等级由高到低。一级为保证链路运行的 关键性的链路管理信息，包括位置报告信息；二级为安全相关的信息；三 级为询问及回答信息：四级为他信息。 c 解决数据链路拥塞：当数据链路的负荷达到了威胁安全信息传输时，可以 采取下面的措施： 对时隙重复使用：具体规则参见第四章。 指定报告速率：由a i s 基站指定其报告速率，这对v h f 数据链是个保 ， 护。 ( 4 ) 传输层 传输层的作用是把数据转化成正确的数据块，对数据块排序，和提供对上一 层的接口协议。传输层从会话层接收数据，把它分成较小的单元传递给网络层， 并确保到达对方的信息正确无误。传输层使会话层不受硬件技术变化的影响，而 将其用软件技术“屏蔽”起来。 本文研究的a i s 网络管理系统主要工作在网络层，此外一些功能涉及到数据 链路层和传输层的内容。 嵌入式海上a d s 网络管理系统研究实现 2 3a i s 系统的重要概念及关键算法的研究 2 3 1a i s 工作模式 ! m s 系统设备由船载设备和岸台设备两个部分组成：在岸台覆盖区域内，a i s 基站可以合配有a i s 设备的船舶进行指定模式的通信：也可以在主管部门发出询 问信息的情况下，处于轮询和受控工作模式。另外一种重要的工作模式是配有a i s 设备的船与船之间采用的连续自主通信模式。 2 3 2 a i s 的报告速率和时隙 由于a i s 能输入罗经，g p s 等导航设备提供的信息，所以，发射信息的间隔 是根据船的航行状态计算而得。船的航行状态一旦发生变化，系统就自动调整发 射信息的时间间隔。如表2 1 所示。 表2 1 海上移动设备的报告间隔 序号船舶状态 报告间隔 l 抛锚或停泊3 分 2 船速0 - - 1 4 节1 0 秒 3 船速o 一1 4 节，且改变航向 3 + 1 3 秒 4船速1 4 - - 2 3 节 6 秒 5船速1 4 2 3 节，且改变航向2 秒 6船速大于2 3 节 2 秒 7船速大于2 3 节，且改变航向 2 秒 a i s 系统同时在两个规定的频道上接收信息，但是发射t d m a 信息是在两个 频道交替进行的，以此保证两频道的负荷均衡。为了避免各个a i s 发射台对信道 使用的冲突，每个信道在某一时间段内只能有一个用户发射信息。这样的时间段 被定义为时隙。 , m s 系统把u t c ( 世界协调时) 时间的一分钟作为一个信息帧，每一帧又划 分为2 2 5 0 个时隙，因此每个, m s 时隙占用2 6 6 7 毫秒。每个时隙由它的编号来识 别( o - 一2 2 4 9 ) ，时隙0 定义为帧的开始。 第二章a i s 网络管理系统的原理 2 3 3a i s 信息类型 a i s 系统有四种类型的信息，分别是： ( 1 ) 静态信息 m m s i 编码、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、定位天线在船上的位 置( 离船舶距离和中心线左右距离) 。 ( 2 ) 动态信息 船位及其精度标示和完好性状态、u t c 时间、航向( 1 1 0 度为单位) 、对地航速、 舷向，航向状态( 由人工输入) 、外接传感器提供的其它信息输入项。 ( 3 ) 航行相关信息 船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划( 选用项) 、简明 的安全信息。 ( 4 ) 与安全相关的短消息 重要的航行警告或重要的气象警告等与安全相关的信息。 2 3 4 a i s 数据链路接入时隙预约选择算法研究 a i s 网络管理系统的关键就是要动态的对时隙进行管理和选取。用户根据分 析其收到的其他船只的消息，以及分析自己对时隙的使用情况，建立系统的动态 时隙状态表。这个时隙状态表就是本船动态管理时隙的依据。利用状态表实现了 用户对信道时隙的连续自主的管理，不需要基站的参与。 a i s 系统中用到四种信道访问协议：s o t d m a ，i t d m a ，r a t d m a ，和固 定接入f a t d m a 。根据这四种访问模式，选择用于发射消息的候选时隙，即时隙 的预约。 ( 1 ) 增量t d m a - n d m a ： 1 t d m a 访问协议主要用于发射台预约不重复使用的发射时隙。除了此种情 况外，在数据链的网络登陆期间，i t d m a 时隙将被标记，保留本船在下一帧继 续使用该时隙的权利，它是进入连续自主工作模式的桥梁。1 t d m a 被用于以下 三种场合：数据链网络登陆，周期报告速率改变阶段，与安全相关的消息的预宣 布。算法分析如下： 在一个1 t d m a 时隙发射之前，发射台随机选择下一个i t d m a 时隙，并且 计算与当前i t d m a 时隙的相关偏移量。这个偏移量应被插入到i t d m a 通信状 态中。接收台根据此偏移量标记所指示的时隙，作为其它船外部分配的时隙。这 个通信状态被作为i t d m a 发射的一部分来发射。在网络登陆期间，发射台要指 示i t d m a 时隙保留在下一帧的使用权。在第一帧结束时，最后预约的1 t d m a 1 4嵌入式海上m s 网络管理系统研究实现 时隙，相应的偏移量置为0 。 如表2 2 所示，以下参数控制i t d m a 算法规则 表2 2i t d m a 参数 标志名称说明最小值最大值 l m e i t i n c时隙增量时隙增量是与当前发射时隙的相关 o8 1 9 1 偏移量。如果被置为0 ，将不再分 配i t d i | a 时隙。 n i e i t s l 时隙数用于指示在连续分配的时隙数。 l5 l m e i n 【p保持标志当前时隙被保留用于下一帧时，这f a l s et u r e 个标志被设为“t o r e ”。发射后立即 ol 变为空闲态，该标志设为“f a l s e ”。 ( 2 ) 随机接入t d m a r t d m a ： 当一个发射台选择没有预约的时隙时， 网络登录期间选择第一个发射消息的时隙， 需要使用r a t d m a 。r a t d m a 用于 或用于选择发射非重复特性的消息所 用的时隙，帮助i t d m a 和s o t d m a 确定其数据发射时隙。 如表2 3 所示，以下参数控制r t d m a 算法规则 表2 3p a t d m a 算法参数 标志名称说明最小值 最大值 l m e r t c s c候选时隙数 候选时隙中当前可以使用的时隙数 11 5 0 初值大于或等于4 。 u m r 1 e s 结束时隙该参数被定义s i 中最后一个时隙的 o2 2 4 9 时隙编号。 u i e r t p s 开始概率每次新的消息被发射时，u 匠r t p 2o 2 5 应被置为和眦r t p s 相等。 u m r t p s = 1 0 0 u 忸r t c s c l l 正i 汀p 1 导出概率用于在下一个候选时隙中计算发射 01 0 0 概率，该参数小于或等于l m e r t p 2 ， 时隙才能被预约。该概率在每次 预约尝试中随机选择。 u 哐r t p 2 当前概率下一个候选时隙到来时的当前发射 u 也r t f s1 0 0 概率。 u 匝r t a 尝试次数初值置为0 ，概率连续法则决定预约 01 4 9 失败一次，该参数值加一。 第二章a i s 网络管理系统的原理 标志名称说明最小值最大值 u 皿r t p i 概率增量规则决定预约失败一次，u 孟g r p 2 l2 5 增加l m e 盯p i 。l m e r t p i 应等于 ( 1 0 0 _ u 皿r t p 2 ) u 崛r t c s c 。 当检测到可用时隙时( 即候选时隙) ，发射台为l m e r t p i 在0 到1 0 0 之间 随机选择一个值，这个值与当前发射概率l m e r i t 2 相比较。若l m e r t p l 和 l m e r t p 2 相等，或小于l m e r t p 2 。则该时隙被成功预约，作为本站使用的发射 时隙。如果大于，则发射台等待本帧中下一个候选时隙，继续应用此法则。每一 次失败的预约，参数l m e r t c s c 减1 ，l m e r t a 加1 。若另一发射台在候选时 隙中分配时隙，l m e r t c s c 也将减少。 r a t d m a 的时隙选择窗口应是1 5 0 个时隙，相当于4 秒。因为r 向巾m a 用 于选择网络登陆的第一个时隙，因此a i s 系统网络登陆成功的时限为4 秒钟。 ( 3 ) 固定接入t d m a e a t d m a ： 仅有基站使用f a t d m a 算法。它的分配由管理部门进行预先分配，已分配 的f a t d m a 时隙用于重复信息，并在整个数据传输过程中保持不变。因为本论 文主要讨论移动a i s 台站的网络管理，由于篇幅所限，在此不作详细的研究。 ( 4 ) 自组织t d m a - s 0 1 d m a ： 自组织时分多址( s e l f - o r g a n i z e d t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，简称 s o t d m a ) 是9 0 年代在t d m a 技术基础上发展起来的一种新型的、用于未来航 海和航空交通管理的新型数字通信技术，用其组成的通信网络是自组织通信网的 一种。 s o t d m a 协议比t d m a 协议增强了自控功能，不必像t d m a 那样，要有一 个控制台给各个移动台指定信道和时隙，而是各个移动台站通过s o t d m a 智能 算法自由选择信道，并在预先选择的时隙内发射数据包与岸台或其他移动站进行 无线通信，并在几分钟过后，释放占有的时隙，保持信道的活动性，保证信道的 容量。 每个a i s 台站都设有一个时隙状态表，用来动态的掌握目前通信范围内时隙 占用情况，以及自身时隙的使用情况。新入网的用户在建立时隙状态表之后，就 可以确定一个时隙选择的范围，不会与其他网络用户发生冲突。这个过程是自动 控制的，具体讲是由s o t d m a 时隙预约算法来实现的。 表2 4 中所示参数控制s o t d m a 的算法规则。 嵌入式海上a i s 网络管理系统研究实现 表2 4s o t d m a 算法参数 标志名称说明 最小值最大值 n s s 标称开始这是发射台用来宣布自己在数据链上 o2 2 4 9 时隙所使用的第一个时隙。 n s 标称时隙该时隙是候选时隙窗口s i 的中心。在 第一帧的第一次发射，n s s 与n s 相等 该系统为双信道操作，每一个信道上的 标称时隙之间的间隔应为：2 z n i 。 标志名称说明最小值最大值 n i标称增量 可理解为发射报告的时隙间隔。由下式导出： 7 56 7 5 0 n i = 2 2 5 0 r r r r报告速率 每帧中位置报告所期望发射的次数。i 3 3 0 s i 选择间隔s i 是用于位置报告的候选时隙的集 0 2 z n l0 2 n i 合s i 由下式导出： s i = ( n s 一0 1 x n i ) t o ( n s + o 1 x n i ) n t s 发射时隙在选择间隔中预约的时隙到来后，就 02 2 4 9 被称为n t s ，在该时隙中用于发射。 t m dm i n 最小时隙s o t d m a 最小时隙暂停( s l o t t l m to u t ) 值 33 暂停值 n mm a ) c 最大时隙s o t d m a 最大时隙暂停( s l o t t i m eo u t ) 88 暂停值值 应用s o t d m a 的每一个时隙都具有这样的属性：时隙编号，用户i d ，消息 m ，时隙状态，时隙暂停，时隙偏移量。其中时隙暂停( s l o tt i m eo u t ) 定义为 本帧中该时隙将要被本船保留使用权的帧数。时隙偏移量( o f f s e t ) 定义为：当时 隙暂停值为0 时，重新在本候选时隙窗口s i 内，预约得到的时隙与当前时隙的距 离。具体算法描述如下： n t s 发射时隙到来时，首先减少s l o tt i m e o u t 的值，判断减一后的值。 如果为0 ，说明在以后各帧中，本船对该时隙不再有使用权。那么，需要在 该时隙所在的s i 中重新预约下一帧可使用的时隙。然后，在3 到8 之间随机选择 数值，作为新预约时隙的时隙暂停值( s l o t t i m e o u t ) 。计算新预约的时隙( n r s 。) 与该时隙( n t s o 坩) 之间的距离( n 1 黾。- n t s o e + 2 2 5 0 ) ，其值为时隙偏移量 ( o f f s e t ) 。 如果不为0 ，说明在以后各帧中，本船对该时隙仍有使用权。因此，将时隙 第二章a d s 网络管理系统的原理 1 7 偏移量( o f f s e t ) 置为0 。 判断s l o tt i m eo u t 的值之后，在s o t d m a 通信状态中插入时隙暂停和时隙 偏移量的值，在本时隙中发射相应的消息。接着等待下一个候选窗口内的n t s 。 重复次过程，直至报告速率发生变化。 ( 5 ) 四种时隙预约选择算法的关系 a i s 默认的工作模式是自主连续工作模式，a i s 网络管理系统的主要特点是自主 连续的管理，因此s o t d m a i 办议是系统工作的核心，其他算法r a t d m a ，i t d m a 都是辅助s o m m a 协议的，是它的补充。 在网络登陆期间，第一个发射时隙的选择使用r a t d m a 算法，选择的时隙用于发 射r m m a $ 息。在接下来的一帧内，系统使用i t d m a 预约时隙，并进行消息的发 射。一帧过后进入连续操作的阶段，这时第一帧所预约的时隙将被s o t d m a 所使 用，发射s o t d m a 消息，经过这种过渡之后，系统时隙的选择和发射都使用 s o t d m a 算法。当系统报告速率发生变化，或要发射非重复性的消息，或者安全 相关的消息时，系统再次采用r r d m a 算法，以及r a t d m a 算法，完成消息的发射。 发射之后，系统仍然恢复到连续操作阶段，使用s o t d m a 算法。 2 3 5a i s 系统的时间同步 时间同步是t d m a 移动通信系统的关键技术，只有全网中有统一的时间基准， 才能保证整个网络有条不紊地进行信息的传输、处理和交换。另外，移动用户间 的距离时刻在发生变化，它们在自己挑选的时隙里发送的信息包，会因为距离的 变化而产生传播时延，而时延的不同会使不同移动用户的信息产生重叠。 因此，采用适当的时间同步算法，保证网络内的用户具有统一的时钟，是十 分必要的，是保证系统正常运行的必要条件。时间同步技术的具体研究将在第四 章进行。 2 3 6 时隙的复用 时隙的复用就是把其它船分配的时隙作为本船可以预约的时隙候选时 隙，以提高网络接入的概率，同时确保网络用户的实时更新。当然，时隙的复用 必须遵循严格的算法，否则就会发生时隙使用的冲突。 任何一种算法，选择用于发射消息的时隙之前，信道中一定范围内都必须存 在一个候选时隙的集合。i t u - rm 1 3 7 1 1 中规定，为了提高链路接入概率，其候 选时隙的数目不得少于4 个。除非位置信息丢失而使候选时隙数受到限制。当没 有可用的候选时隙时，才允许使用当前时隙。从候选时隙中选择用于发射的时隙 嵌入式海上a i s 网络管理系统研究实现 时，所有的时隙被选中的概率相同。 候选时隙的确定是舢s 系统中的重要环节，是每个a i s 站进行连续自主分配 时隙的基础。时隙的再利用，一方面收回一些可用时隙，增加了候选时隙的数目， 降低冲突概率，另一方面，也是, m s 系统实时性的要求。时隙再利用及时更新网 络内时隙利用的情况，真正实现了连续自主的网络管理。 具体算法的研究与设计将在第四章讲述。 2 4a i s 网络管理系统的工作流程 a i s 的网络管理主要分为五个阶段，三种工作模式。 五个阶段为：网络侦听阶段，网络登陆阶段，第一帧阶段，连续操作阶段和 报告速率改变阶段。在不同的阶段，根据情况综合使用i t d m a 、s o r d m a 、 r a t d m a 以上三种国际标准算法，合理的选择，预约并分配时隙，达到自主连续 的管理。在连续操作阶段，系统随时可以根据情况的需要在三种模式之问切换。 三种工作模式为：连续自主的工作模式、受控工作模式、轮询工作模式。这 三种工作模式的切换要由不同的航行状态，地理位置等因素决定。 a i s 网络管理的五个阶段，实现了不同情况下的船舶通信。主要的工作过程简 述如下： 首先，a i s 开机自检后，x t j a 、b 两个信道进行一分钟的侦听，即侦听一个整 帧。根据侦听到的消息，获得本船所在一定范围内船只的分布情况，建立当前时 隙使用情况的帧图。 然后系统进入网络登陆阶段，在此阶段，根据已建立的帧图和不断侦听对帧 图所作的更新，利用r a t d m a 信道访问规则预约第一个发射时隙。 时隙选择成功后，进入第一帧阶段。当网络登陆期间所选择的时隙到来时， 首先利用i t d m a 发射本船位置消息，后利用i t d m a 预约下一个发射时隙。该过程 不断进行，直至第一帧结束。 第一帧结束后，系统进入连续阶段后，不断应用s o ，i d m a 发射消息，预约时 隙，直至发现报告速率发生变化。 报告速率的改变发生在连续操作阶段，系统根据新的报告速率，调整发射， 成功后返回连续操作阶段。 总体流程图如图2 3 所示 第二章a 珞网络管理系统的原理 1 9 图2 3 网络管理系统总体流程 在这五个不同的阶段中：连续自主操作阶段是系统中最重要的阶段，也是最 复杂的阶段，体现了a i s 网络管理的连续自主性。 在连续自主操作过程中，系统要进行很多复杂的工作。包括选择同步源，进 行系统时间的同步；在时隙选择之前，确定候选时隙的集合，判断是否需要复用 时隙；根据具体的情况，在三种工作模式之间进行切换；把接收到的消息进行处 理；发射信息的数据封装等等。 这些具体的内容的研究将在以后的章节进行。 第三章系统开发平台嵌入式l i n n x 操作系统研究 第三章系统开发平台嵌入式l i n u x 操作系统研究 开发a i s 网络管理系统，需要为其选择适当的开发平台，不仅要能够完全的 实现a i s 的功能，而且要为以后具体产品开发考虑。包括考虑系统具体的应用环 境，系统开发的时间，资金的投入，系统开发后的可升级性，可移植性等等一系 列问题。 在进行充分的调研之后发现，a i s 系统更适合采用嵌入式系统开发平台进行 开发。而本轮参所讨论的a i s 的软件部分- a i s 网络管理系统，为其选择l i n u x 操