無線通信通道轉換控制方法探討

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關鍵詞：無線局域網絡；通道轉換；功耗

引言

隨著船舶自動化水平的不斷提高，船載設備也不斷進行技術革新，以船舶導航系統為例，導航系統的功能是為船舶操作人員提供精確的位置定位和導航信息。近年來，導航系統的傳感器設備不斷發展，在傳統的電羅經基礎上出現了電子海圖技術、GPS衛星定位和各類數據采集傳感器，這些設備的正常運行不僅需要船舶供電系統的保障，同時也需要船舶通信網絡的支撐，實現數據采集設備的高效通信。此外，船舶監控系統、駕駛系統等，也都對船舶與各模塊之間的信息傳輸提出了更高的要求。船舶無線局域網是基于計算機網絡和無線通信技術的一種新型網絡技術，該技術利用無線多址信道和寬帶調制技術，建立船舶功能設備之間的數據傳輸通道，使艦船成為一個統一的整體。船舶無線通信網絡解除了網線的限制，能夠更好地適應船體復雜的結構，已經成為現代大型船舶的關鍵網絡平臺。本文研究的重點是船舶無線通信網絡的單雙通道切換控制技術，在船舶無線局域網的信號傳輸過程中，進行單雙通道切換不僅有助于提高無線局域網絡中頻帶的利用率，也能節約能源，降低無線局域網絡平臺的功耗。本文介紹無線局域網的單收發器多信道MAC協議，研究一種高效的無線局域網絡單雙通道的轉換方法。

1船舶無線通信網絡技術的研究與發展現狀

現代化的大型船舶均采用無線通信網絡平臺進行數據的傳輸，利用無線網絡將船舶的導航系統、控制系統、動力系統、保障系統等系統中的底層硬件設備通過無線網絡連接成一個整體，圖1為船舶無線通信網絡平臺的原理圖。如圖所示，船舶無線通信網絡平臺主要由移動通信網絡、路由、網關、防火墻、船舶管理終端、信號塔、Web服務器、數據庫服務器以及船舶的各類底層硬件設備組成。相對于有線通信網絡，船舶無線通信網絡的優點如下：1）無線通信網絡解除了網線的限制，在無線通信網絡中，除了移動通信基站與網關路由之間需要采用有線連接外，路由與船舶底層硬件設備之間的連接均采用無線鏈路，提高了網絡通信的可靠性。2）無線局域網絡平臺采用雙冗余通道設計，并支持單雙通道的信號切換，使網絡通信的效率更高。3）船舶無線通信網絡采用分布式的控制方式，每個分布式的船舶管理終端計算機可并行完成各種功能，從而使無線網絡的反應時間更快。4）隨著無線通信網絡技術的不斷發展，無線網絡的標準化、通用化設計更加成熟，也使得船舶無線通信網絡的運維成本降低。

2船舶無線通信網絡的單雙通道轉換控制方法

2.1無線通信網絡的單收發器多信道MAC協議

在船舶的無線通信網絡中，廣泛采用了單收發器多信道MAC協議，這種通信協議的特點是只通過配置單個信號收發器，就可以使無線通訊網絡工作在多個信號頻段上，實現的方式是通過單雙信道的切換。單收發器多信道MAC協議具有良好的成本優勢和兼容性，當無線網絡節點工作在多信道MAC協議時，由于在同一時刻，單一網絡節點只能在唯一信道上工作，如何保障信道的高效切換和節點的信道同步一直是業內的研究重點。為了保證無線網絡中數據傳輸的質量，必須使網絡節點在一定時間內選擇質量較高的信道，每個無線網絡節點配置了優選信道列表（PCL），它將信道分為高優先級、中優先級和低優先級3個等級，其中，高優先級信道表示將優先在數據傳遞周期內使用，中優先級的信道表示還未被占用，低優先級信道是指被其余網絡節點使用中。如圖2所示，共有A/B/C/D四個優先級別不同的信道，在單收發器多信道MAC協議中，A信道的信標幀開始時間段稱為ATM幀，在ATM幀的時間階段內，無線網絡中的節點默認使用ATM數據包。當ATM的時間階段結束后，信道A向信道B傳輸DATA數據包。在信道B中，ACK幀是信道級別調整的時間階段，CTS幀是信道B向信道A發送的數據包。信道C和信道D的工作機理與上述信道相同。圖2為單收發器多信道MAC協議的信道原理圖。當船舶無線網絡中出現下述幾種情況時，信道的狀態會發生改變：1）某無線網絡節點的優選信道列表（PCL）將所有信道設置為中優先級狀態時，信道的狀態會發生改變。2）如果在無線網絡中，網絡節點之間通過一定的協議確定當前的數據傳輸信道后，該信道的優先級別調整為高優先級；3）當一個無線網絡節點監聽到了Ad-hoc流量指示信息時，信道的優先級別調整為高優先級，且在下一個數據傳輸周期中繼續保持高優先級。

2.2無線通信網絡的單雙通道轉換控制方法研究

在實際的船舶無線局域網絡中，無線傳輸鏈路以Wlan為主，信號的收發過程是點對點進行的，網絡鏈路同時支持單跳和多跳傳輸，信道頻段為2.4GHz，帶寬為20MHz。在單收發器多信道MAC協議中，AP模式提供無線接入服務，允許其他無線設備接入，也支持數據訪問功能。通常無線路由/網橋等設備工作在該模式下。STA模式類似于無線終端，本身并不接受無線設備的接入，但是可以連接到AP，通常無線網卡工作在該模式下。AP模式和STA模式的切換也過程也是單雙通道的轉換過程。如圖3所示，AP和STA的數據網絡C-NIC工作通道1中，當STA根據信道評估的結果確定需要進行信道切換時，向AP發送CSACK數據幀，AP接收到該數據幀后，即進行信道的切換。在無線通信網絡的信道切換時，需要對信道的質量進行評估，本文結合ACS算法[5]對信道的傳輸質量采用干擾因子進行評估，干擾因子的定義如下式：TBUSYTFREETABSERVENfN0為信道處于信號傳遞的時間，包括數據發送、接收的時間，為信道的空閑時間，為觀測的時間。為信道中觀測的底部噪聲，為某一頻段內信道觀測的噪聲。本文結合無線局域網的實際工作狀態，設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，采集了信道轉換過程的不同時間，得到信道的干擾因子如圖4所示。干擾因子越大，證明信道的質量越差，由圖可知STA模式下信道轉換的質量更高。

3結語

船舶無線局域網的信道切換有助于提高信道傳輸的效率和質量，本文重點介紹了單收發器多信道MAC協議下不同工作模式AP和STA信道切換控制方法，并對信道質量進行了綜合評估。

參考文獻：

[1]姚煜豐,慕春棣.多收發器多信道MAC協議的NS2仿真[J].微計算機信息,2009,25(10):198–200.

[2]何萍實,徐子平.無線Mesh網絡中使用雙收發器的多信道MAC協議研究[J].計算機應用研究,2010,27(1):327–329.

[3]何萍實,徐子平.無線Mesh網絡中使用雙收發器的多信道MAC協議研究[J].艦船科學技術,2016(4):49–51.

作者：潘健 單位：無錫職業技術學院