无线通信通道转换控制方法探讨

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关键词：无线局域网络；通道转换；功耗

引言

随着船舶自动化水平的不断提高，船载设备也不断进行技术革新，以船舶导航系统为例，导航系统的功能是为船舶操作人员提供精确的位置定位和导航信息。近年来，导航系统的传感器设备不断发展，在传统的电罗经基础上出现了电子海图技术、GPS卫星定位和各类数据采集传感器，这些设备的正常运行不仅需要船舶供电系统的保障，同时也需要船舶通信网络的支撑，实现数据采集设备的高效通信。此外，船舶监控系统、驾驶系统等，也都对船舶与各模块之间的信息传输提出了更高的要求。船舶无线局域网是基于计算机网络和无线通信技术的一种新型网络技术，该技术利用无线多址信道和宽带调制技术，建立船舶功能设备之间的数据传输通道，使舰船成为一个统一的整体。船舶无线通信网络解除了网线的限制，能够更好地适应船体复杂的结构，已经成为现代大型船舶的关键网络平台。本文研究的重点是船舶无线通信网络的单双通道切换控制技术，在船舶无线局域网的信号传输过程中，进行单双通道切换不仅有助于提高无线局域网络中频带的利用率，也能节约能源，降低无线局域网络平台的功耗。本文介绍无线局域网的单收发器多信道MAC协议，研究一种高效的无线局域网络单双通道的转换方法。

1船舶无线通信网络技术的研究与发展现状

现代化的大型船舶均采用无线通信网络平台进行数据的传输，利用无线网络将船舶的导航系统、控制系统、动力系统、保障系统等系统中的底层硬件设备通过无线网络连接成一个整体，图1为船舶无线通信网络平台的原理图。如图所示，船舶无线通信网络平台主要由移动通信网络、路由、网关、防火墙、船舶管理终端、信号塔、Web服务器、数据库服务器以及船舶的各类底层硬件设备组成。相对于有线通信网络，船舶无线通信网络的优点如下：1）无线通信网络解除了网线的限制，在无线通信网络中，除了移动通信基站与网关路由之间需要采用有线连接外，路由与船舶底层硬件设备之间的连接均采用无线链路，提高了网络通信的可靠性。2）无线局域网络平台采用双冗余通道设计，并支持单双通道的信号切换，使网络通信的效率更高。3）船舶无线通信网络采用分布式的控制方式，每个分布式的船舶管理终端计算机可并行完成各种功能，从而使无线网络的反应时间更快。4）随着无线通信网络技术的不断发展，无线网络的标准化、通用化设计更加成熟，也使得船舶无线通信网络的运维成本降低。

2船舶无线通信网络的单双通道转换控制方法

2.1无线通信网络的单收发器多信道MAC协议

在船舶的无线通信网络中，广泛采用了单收发器多信道MAC协议，这种通信协议的特点是只通过配置单个信号收发器，就可以使无线通讯网络工作在多个信号频段上，实现的方式是通过单双信道的切换。单收发器多信道MAC协议具有良好的成本优势和兼容性，当无线网络节点工作在多信道MAC协议时，由于在同一时刻，单一网络节点只能在唯一信道上工作，如何保障信道的高效切换和节点的信道同步一直是业内的研究重点。为了保证无线网络中数据传输的质量，必须使网络节点在一定时间内选择质量较高的信道，每个无线网络节点配置了优选信道列表（PCL），它将信道分为高优先级、中优先级和低优先级3个等级，其中，高优先级信道表示将优先在数据传递周期内使用，中优先级的信道表示还未被占用，低优先级信道是指被其余网络节点使用中。如图2所示，共有A/B/C/D四个优先级别不同的信道，在单收发器多信道MAC协议中，A信道的信标帧开始时间段称为ATM帧，在ATM帧的时间阶段内，无线网络中的节点默认使用ATM数据包。当ATM的时间阶段结束后，信道A向信道B传输DATA数据包。在信道B中，ACK帧是信道级别调整的时间阶段，CTS帧是信道B向信道A发送的数据包。信道C和信道D的工作机理与上述信道相同。图2为单收发器多信道MAC协议的信道原理图。当船舶无线网络中出现下述几种情况时，信道的状态会发生改变：1）某无线网络节点的优选信道列表（PCL）将所有信道设置为中优先级状态时，信道的状态会发生改变。2）如果在无线网络中，网络节点之间通过一定的协议确定当前的数据传输信道后，该信道的优先级别调整为高优先级；3）当一个无线网络节点监听到了Ad-hoc流量指示信息时，信道的优先级别调整为高优先级，且在下一个数据传输周期中继续保持高优先级。

2.2无线通信网络的单双通道转换控制方法研究

在实际的船舶无线局域网络中，无线传输链路以Wlan为主，信号的收发过程是点对点进行的，网络链路同时支持单跳和多跳传输，信道频段为2.4GHz，带宽为20MHz。在单收发器多信道MAC协议中，AP模式提供无线接入服务，允许其他无线设备接入，也支持数据访问功能。通常无线路由/网桥等设备工作在该模式下。STA模式类似于无线终端，本身并不接受无线设备的接入，但是可以连接到AP，通常无线网卡工作在该模式下。AP模式和STA模式的切换也过程也是单双通道的转换过程。如图3所示，AP和STA的数据网络C-NIC工作通道1中，当STA根据信道评估的结果确定需要进行信道切换时，向AP发送CSACK数据帧，AP接收到该数据帧后，即进行信道的切换。在无线通信网络的信道切换时，需要对信道的质量进行评估，本文结合ACS算法[5]对信道的传输质量采用干扰因子进行评估，干扰因子的定义如下式：TBUSYTFREETABSERVENfN0为信道处于信号传递的时间，包括数据发送、接收的时间，为信道的空闲时间，为观测的时间。为信道中观测的底部噪声，为某一频段内信道观测的噪声。本文结合无线局域网的实际工作状态，设定无线信道的工作频段为2.4GHz，信道的带宽为20MHz，分别在AP模式和STA模式下，采集了信道转换过程的不同时间，得到信道的干扰因子如图4所示。干扰因子越大，证明信道的质量越差，由图可知STA模式下信道转换的质量更高。

3结语

船舶无线局域网的信道切换有助于提高信道传输的效率和质量，本文重点介绍了单收发器多信道MAC协议下不同工作模式AP和STA信道切换控制方法，并对信道质量进行了综合评估。

参考文献：

[1]姚煜丰,慕春棣.多收发器多信道MAC协议的NS2仿真[J].微计算机信息,2009,25(10):198–200.

[2]何萍实,徐子平.无线Mesh网络中使用双收发器的多信道MAC协议研究[J].计算机应用研究,2010,27(1):327–329.

[3]何萍实,徐子平.无线Mesh网络中使用双收发器的多信道MAC协议研究[J].舰船科学技术,2016(4):49–51.

作者：潘健 单位：无锡职业技术学院