0 引　言

随着船舶上新型的先进设备不断增多，同时这些先进的新型设备布局分散，使得船员对船舶系统的控制以及对这些设备的管理变得复杂，极大地增加了船员的工作强度^[1]。作为一个没有中心的实体网络，自组织网络通过各个节点之间的相互协助，最终在移动以及复杂多变的环境下形成互连网络，并且使用多跳转技术，因此极大地增加了自组织网络的覆盖区域，可以为使用者提供大量的信息传输业务^[2]。本文基于自组织网络技术，研究船舶的通信系统。

1 自组织网络技术 1.1 自组织网络定义及其特点

作为一种无线通信网络，自组织网络是由多个带有无线收发设备的终端设备共同构成的一种多跳变的临时自治通信系统^[3]。

在自组织网络中，网络终端节点设备间的路由功能是通过多跳来实现的^[4]。因为每个终端自身携带的无线网络的传输距离十分有限，这就导致相距较远的2个网络终端无法直接进行数据通信，需要利用多个中间节点进行数据信息的转发，最终实现通信。因此自组织网络又被称为多跳网络。

如图1所示，该自组织网络的终端节点A和G之间无法直接进行数据交换，则可以利用中间节点进行数据转发，例如通过路径A→B→C→G或者路径A→B→C→D→E→F→G进行数据传输链路的构建。

自组织网络属于无中心网络，任何终端节点出现故障均不会对网络中的其他终端节点的运行产生影响，因此自组织网络具有很强的抗毁性^[5]。自组织网络的拓扑结构的变化主要为终端节点位置的变化、终端节点数量的变化以及可以使用链路的变化3种，为了能够适应这些变化，则需要使用特定的路由协议^[6]。

1.2 自组织网络的容量

对于使用单信道MAC层协议的自组织网络系统，带宽直接决定了信道数据的传输容量，并且该自组织网络系统中的节点数相对而言比较少，因此单信道系统可满足早期的应用需求^[7]。多通道的自组织网络能够最大化地降低大量用户之间的互相干扰，同时可以增强信道接入自组织网络的灵活性，并且在提高用户吞吐量、抗干扰等方面有着积极的意义^[8]。

假设自组织网络中存在m个终端节点设备，网络中的信道数量为c，并且网络中的每个终端节点存在n个接口，每个信道的比特率为w，那么自组织网络中的信道的个数和接口的个数之比与吞吐量之间的关系如图2所示。

可以看出，随着自组织网络中终端节点的信道数量和接口数之比增大，自组织网络中的总容量先保持不变，然后再逐渐降低，因此将终端节点的信道数和接口数之比控制在log(m)之内，则可以得到n=c时的最大网络容量。

1.3 自组织网络中的时间同步

自组织网络中的时间同步方法通常采用卫星授时，或者使用时间同步完成，但是由于自组织网络的动态性能比较强，这会导致卫星授时失效，因此需要在自组织网络中设计时间同步算法。自组织网络的分布式时间同步是指网络中的每个终端节点都会单独执行同一个算法，并且时间信息从相邻的终端节点同步获得，这种同步方法不受网络层次的影响，因此可以不受到自组织网络拓扑结构变化的影响。

在自组织网络的分布式同步过程中，由于网络中的每个终端节点的地位都平等，所以每个终端节点都装有一个精度一样的物理时钟，并且每个终端节点的物理时钟可以表示为

$ {T_i}\left( t \right) = {f_i}t + {\theta _i}。$

(1.1)

式中：f_i为时钟的频率；θ_i为时钟的相位；t为理想时钟；该物理时钟一般是晶振产生的，因此需要一个额外的维护时钟的逻辑，来修改晶振的数据，以实现自组织网络中的每个终端节点的时间同步，即

$ {C_i}\left( t \right) = {\alpha _i}{T_i}\left( t \right) + {\beta _i} = {\alpha _i}{f_i}t + {\alpha _i}{\theta _i} + {\beta _i} = {\hat f_i}t + \hat \theta 。$

(1.2)

式中：α_i和β_i为可控参数，由时间同步算法自动更新，采用这种周期性的同步方法，网络中的每个终端节点的逻辑时钟均可以维持在一个很接近的数值。自组织网络采用这种分布式时间同步方法，那么网络中的每个终端节点都可以获得一个虚拟时钟，可以表示为：

$ \bar C\left( t \right) = \bar ft + \bar \theta 。$

(1.3)

式中： $\bar{f} $ 和 $ \bar \theta $ 的实际数值不是很关键，关键是网络中的所有时钟都收敛于一个平均虚拟时钟。 $\bar{f}$ 如果偏离 ${\hat f_i}$ 比较大，则说明不收敛，网络中所有的终端节点的 $\bar {C} $ (t)偏离太大，因此网络无法正常使用。网络中的每个终端节点可以利用补偿函数对虚拟时钟进行补偿，可表示为：

$ {C_i}\left( t \right) = F\left( {{{\bar C}_i}\left( t \right),{{\bar C}_j}\left( t \right)} \right)。$

(1.4)

式中： $\bar C_i $ (t)为网络终端节点i的本地时钟； $\bar C_j $ (t)为相邻终端节点的时间；对式(3)和式(4)进行线性变换，则可以得到

$ {C_i}\left( t \right) = {\hat f_i}\bar C\left( t \right) + {\hat \theta _i}\left( t \right) 。$

(1.5)

根据式(5)，则可以得到

$ {\hat f_i}\left( t \right) = {G_i}\left( {{{\bar C}_i}\left( t \right),{{\bar C}_j}\left( t \right)} \right)\text{，} $

(1.6)

$ {\hat \theta _i}\left( t \right) = {H_i}\left( {{{\bar C}_i}\left( t \right),{{\bar C}_j}\left( t \right)} \right)。$

(1.7)

由此可见，自组织网络时间同步问题，即对 ${\hat f_i}$ 和 ${\hat \theta _i}$ 进行实时更新，使得网络中的每个终端节点的时钟都向参考时钟 $\bar C $ (t)收敛。

$ \mathop {\lim }\limits_{x \to \infty } {C_i}\left( t \right) = \bar C\left( t \right) = \bar ft + \bar \theta 。$

(1.8)

2 船舶自组织网络通信系统仿真分析 2.1 仿真环境及性能指标

自组织网络可以分成小规模、中等规模、大规模以及超大规模这4种网络。结合船舶在海面上的实际情况，针对中等规模的船舶自组织网络进行仿真，节点数为10～40艘船舶。一般可以使用包投递率、平均延时、路由开销等指标来衡量船舶自组织网络的性能。

在对船舶自组织网络仿真过程中，自组织网络的包投率为自组织网络中所有的终端节点成功接收到的数据个数和网络中源节点发送的数据个数之比，如式(9)所示，与包投率相对应的，是丢包率，如式(10)所示。

$ PDR = \frac{{{N_{{\rm{received}}}}}}{{{N_{{\rm{lost}}}} + {N_{{\rm{received}}}}}}\text{，} $

(2.1)

$ PLR = \frac{{{N_{{\rm{lost}}}}}}{{{N_{{\rm{lost}}}} + {N_{{\rm{received}}}}}}。$

(2.2)

可知，自组织网络的包投率越大，则表示自组织网络中丢失的数据量N_last越小，说明自组织网络的信道质量以及网络性能越强，因此相应自组织网络的丢包率也越小。

船舶自组织网络中的终端节点之间的平均延时可以表示为：

$ {T_{{\rm{aver\_delay}}}} = \frac{1}{{{N_{{\rm{received}}}}}}\sum\limits_{i = 1}^{{N_{{\rm{received}}}}} {\left( {r{t_i} - s{t_i}} \right)} 。$

(2.3)

式中，N_received为网络终端节点正常接收到的数据个数，rt_i为网络终端节点接收第i个数据的时刻，st_i为网络终端节点发送第i个数据的时刻。从式（11）可以看出，网络终端节点之间的平均延时T_{aver_delay}越小，则表明船舶自组织网络的响应速度越快，因此网络中的终端节点之间的数据传输所需的时间就越短。

与船舶现有的通信系统相比，基于自组织网络的通信系统极大地扩展了船舶在海面上的通信区域范围。在相同的路由开销以及通信时延的情况下，基于自组织网络的通信系统的数据传输范围能够达到非自组织网络的几倍甚至数十倍。

2.2 仿真结果分析

本文主要从数据包到达率、平均延时、路由开销以及网络通信范围4个方面对自组织网络和非自组织网络进行仿真对比。图3显示了网络终端节点个数从10～40个的情况下，船舶采用自组织网络和非自组织网络的数据包到达率的比较。

图3中，当网络中的节点个数小于30的时候，自组织网络和非自组织网络的数据包到达率都比较高，能够达到90%以上。同时可以看出，自组织网络的包到达率相对要低一些。这是由于自组织网络状态比非自组织网络要复杂一些，存在路由维护的一个过程，但是非组织网络是点对点通信，不存在建立链路和中间转发等过程。随着网络终端节点个数的不断增加，2种网络的数据包到达率均下降，并且非自组织网络的下降速度要快。这是由于网络终端节点数量增加之后，会增加终端节点之间数据传输的概率，因此非自组织网络中数据传输通道的拥挤现象则很明显，但是自组织网络可以在其内部开通多路通道，因此拥挤现象会好一些。

图4为在不同节点数量的情况下，自组织网络和非自组织网络中平均延时的变化情况。当网络中的终端节点数量比较少的时候，非自组织网络的平均延时比自组织网络的平均延时要小，但是随着网络中的终端节点个数逐渐增大，非自组织网络中节点之间的延时明显增大，并且增加的速度越来越快，但是自组织网络中的终端节点之间的延时增加的则比较缓慢，当网络中的终端节点个数比较多的时候，自组织网络的优点则开始显现。这是因为自组织网络在进行数据通信的过程中，无论网络中存在多少个终端节点，都需要进行路由寻找，路由寻找这个过程不可或缺，但是非自组织网络中的数据传输则不存在这个过程。

图5为在不同节点数量的情况下，自组织网络和非自组织网络中路由开销情况。可以看出，在非自组织网络中，网络终端节点个数对路由开销的影响比较小。但是在自组织网络中，随着终端节点的个数的增加，路由开销也不断增大，这是因为路由维护需要占用一部分路由和信道资源。

图6为通信范围和网络终端节点个数之间的关系。可以看出，非自组织网络的通信范围比较固定，大概为70 km左右，但是自组织网络的通信范围会随着网络中的终端节点的个数的增加而不断增长。

3 结　语

移动自组织网络通过终端节点构成，这些终端节点通过无线通信收发设备进行信息传输，因此可以随时随地迅速建立出移动通信网络，并且无需基础设施的支撑，移动自组织网络利用分层协议以及相应的分布式算法对网络中的每个节点进行协调，可以实现各个节点自身的自由移动，同时各个节点之间可以进行数据收发。