一種利用岸基基站和船舶位置信息的動態(tài)天線調(diào)整和通信的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò)通信，具體是一種利用岸基基站和船舶位置信息的 動態(tài)天線調(diào)整和通信的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò)是海洋互聯(lián)網(wǎng)中的一個重要組成部分，其主要負責(zé)將陸上高品 質(zhì)高帶寬的因特網(wǎng)無線延伸至離岸5公里-30公里的近岸航道上的船舶。
[0003] 目前船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò)尚處于研宄起步階段，船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò)之所以研宄地比 較晚，主要原因是，遠洋船舶上工作以及生活的人們已經(jīng)習(xí)慣了航海過程中枯燥乏味的生 活，當(dāng)遇到特殊情況，例如，遇到海盜，撞船事故以及不可抗拒的自然災(zāi)難之后，才會勉強使 用衛(wèi)星通信的方法與岸上指揮人員進行聯(lián)系，眾所周知衛(wèi)星通信不僅帶寬極其有限，而且 價格非常昂貴，不是一般個人以及小型公司所能承受的。
[0004] 在經(jīng)濟全球化如此深入，遠洋運輸?shù)呢浳锪空嫉絿H間貨物運輸量的80 %的今 天，人們對廉價高品質(zhì)的海上無線接入的需求越來越高，人們期待在遠洋航行過程中也能 像在陸地上一樣，可以以能夠承受的代價接入因特網(wǎng)，享受各種因特網(wǎng)服務(wù)，為海上枯燥乏 味的生活帶來一些樂趣，同時也能為自己的人生安全帶來一份保障。
[0005] 以上原因致使越來越多的人們展開對海洋上網(wǎng)絡(luò)的研宄。
[0006] 通過查看全球船舶自動識別系統(tǒng)（AutomaticIdentificationSystem，簡稱AIS) 船舶實時信息，我們發(fā)現(xiàn)海洋上的船舶雖然很多，但是有將近70%是沿著近岸航道航行， 只有少部分是在深海中航行，如果我們可以為近岸航道上的船舶提供可靠的因特網(wǎng)接入服 務(wù)，那么就將我們的研宄邁進了一大步，由此可見岸基無線網(wǎng)絡(luò)在海洋互聯(lián)網(wǎng)研宄中的重 要性非常高。
[0007] ShengmingJiang在"OntheMarineInternetandItsPotential ApplicationsforUnderwaterInter-networking"WUWNet' 13Proceedingsof theEighthACMInternationalConferenceonUnderwaterNetworksand Systems，NY，USA，2013 -文中構(gòu)建了一個叫做海洋互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將海洋上航 行的船舶以較低的價格較大的帶寬接入因特網(wǎng)，船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò)是該系統(tǒng)的一個重要組 成部分，該文章從整體上闡述了海洋互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)這一構(gòu)想，不足的是，文章對船舶岸基無線 網(wǎng)絡(luò)沒有一個相對詳細的實施方案。
[0008] Young-BaeKo在"MediumAccessControlProtocolsUsingDirectional AntennasinAdHocNetwork"IEEEINF0C0M,vol. 1，2000.pp. 13-21 -文中，通過假定收 發(fā)終端進行通信時，發(fā)方天線定向傳輸數(shù)據(jù)，收方天線全向接收數(shù)據(jù)，從而在保證帶寬的同 時延長傳輸距離，然而這種方式雖然能夠在一定程度上提高傳輸性能，但還不能夠充分利 用定向天線空間復(fù)用的優(yōu)勢，同時定向傳輸全向接收也會引起天線增益的不對稱。
[0009] EmadShihab在"ADistributedAsynchronousDirectional-to-Directional MACProtocolforWirelessAdHocNetworks"IEEETransactionsonVehicular Technology,vol. 58, 2009.pp. 5124-5134 -文中，通過改進過去天線定向發(fā)送全向接收的 方法，使用了定向發(fā)送定向接收的方法，在很大程度上延長了傳送距離也解決了增益匹配 問題，但是文章描述得太過籠統(tǒng)，重點放在了多媒體接入控制層的協(xié)議的設(shè)計上，對天線系 統(tǒng)如何調(diào)整天線沒有一個詳細的描述，而且文章也沒有一個具體的使用場景。
[0010] 綜上所述，現(xiàn)有的通信方法如果直接應(yīng)用到船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò)中，會存在諸多局 限，在通信天線的選取上都是采用全向天線；或是采用定向發(fā)送全向接收的模式，即使采用 定向發(fā)送定向接收的模式，也沒有對如何對天線進行調(diào)整有一個詳細的描述，同時也沒有 一個具體的使用場景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 有鑒于此，本發(fā)明將定向發(fā)送定向接收這一通信模式，利用到船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò) 中船舶與岸基基站的通信上，通過AIS和衛(wèi)星系統(tǒng)向岸基基站和所服務(wù)船舶提供彼此的位 置信息，很好地解決了岸基基站和所服務(wù)船舶因為都使用定向天線所產(chǎn)生的鄰居發(fā)現(xiàn)難問 題，并且對天線的調(diào)整方法進行了詳細描述，很好地解決了船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò)中船舶與岸 基基站如何進行通信這一問題。本發(fā)明的目的在于提供一種利用岸基基站和船舶位置信 息的動態(tài)天線調(diào)整和通信的方法。岸基基站和所服務(wù)船舶分別通過AIS系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)獲 取對方位置信息，并利用船舶岸基網(wǎng)絡(luò)雙定向天線調(diào)整算法調(diào)整彼此天線方向角，同時建 立連接；岸基基站根據(jù)以特定周期獲取的所服務(wù)船舶的AIS信息中包含的所服務(wù)船舶的航 速，航向，以及位置信息不斷校驗自身天線方向角；所服務(wù)船舶根據(jù)自身AIS終端中的自身 位置信息，不斷校驗自身天線方向角和天線功率。本發(fā)明所提供的利用岸基基站和船舶位 置信息的動態(tài)天線調(diào)整和通信的方法，通過讓收發(fā)雙方同時使用定向天線，有效延長了通 信距離以達到船舶岸基無線網(wǎng)絡(luò)的要求。此外通過AIS和衛(wèi)星系統(tǒng)為使用定向天線的通信 收發(fā)雙方提供彼此相關(guān)信息，有效解決了長距離通信中，因為收發(fā)雙方同時采用定向天線， 所以在鄰居發(fā)現(xiàn)階段無法發(fā)現(xiàn)彼此的問題。
[0012] 本發(fā)明的利用岸基基站和船舶位置信息的動態(tài)天線調(diào)整和通信的方法包括以下 步驟101、步驟102、和步驟103 :
[0013] 步驟101，即連接建立部分。當(dāng)岸基基站通過從AIS，獲取所服務(wù)船舶的AIS信息， 所服務(wù)船舶從衛(wèi)星系統(tǒng)獲取岸基基站的位置坐標(biāo)之后，岸基基站與所服務(wù)船舶根據(jù)彼此的 位置坐標(biāo)，利用船舶岸基網(wǎng)絡(luò)雙定向天線調(diào)整算法調(diào)整各自天線方向角以建立通信，其具 體實現(xiàn)包括以下步驟：
[0014] 步驟201 :岸基基站利用獲取的所服務(wù)船舶AIS信息中包含的所服務(wù)船舶的位置 坐標(biāo)Ship(shipx,shipy)，以及從自身北斗終端提取的自身位置坐標(biāo)BS(bsx,bsy)，根據(jù)笛卡 爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)公式算出所服務(wù)船舶相對于自身的極坐標(biāo)ShiPp(Pl，Ci1);岸基基站控制 自身發(fā)送天線方向角在[Q1-Y,a1+y]范圍內(nèi)，以特定周期Tsl，勻速來回震蕩旋轉(zhuǎn)，每經(jīng) 過1'31/8時間向所服務(wù)船舶發(fā)送一次通信請求報文01?1^：9(8111口 !￡，8111口7>8!￡，匕87，丫）；丫為 天線方向角掃描幅度；
[0015] 步驟202 :所服務(wù)船舶利用獲取的岸基基站的坐標(biāo)BS(bsx，bsy)和從自身AIS船載 終端中提取的自身坐標(biāo)Ship(shipx,shipy)，根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)公式算出岸基基站相 對于自身的極坐標(biāo)BSP(P，a);所服務(wù)船舶控制自身接收天線方向角在[a-Y，a+Y]范 圍內(nèi)，以特定周期Ts2，勻速來回震蕩旋轉(zhuǎn)，并始終處于信號接收模式；Ts2辛Tsl;
[0016] 步驟203 :當(dāng)所服務(wù)船舶接收到岸基基站發(fā)送的DRREQ之后，立刻向岸基基站發(fā)送 DRREP(bsx,bsy,shipx,shipy)，并停止自身天線的轉(zhuǎn)動；
[0017] 步驟204 :當(dāng)岸基基站接收到DRREP(bsx,bsy,shipx,shipy)之后，立刻向所服務(wù)船 舶發(fā)送ACK確認信息，并停止自身天線的轉(zhuǎn)動；當(dāng)岸基基站在發(fā)出DRREQ之后的Td時間內(nèi)， 仍未收到所服務(wù)船舶發(fā)送給自身的DRREP，則調(diào)整參數(shù)Y為原來的兩倍，并返回步驟201 ; Td為DRREQ默認重發(fā)時間。
[0018] 步驟102,即岸基基站校準(zhǔn)部分。岸基基站利用岸基基站定向天線動態(tài)校準(zhǔn)算法， 以特定周期T1校準(zhǔn)自身定向天線方向角0i，以此保證通信質(zhì)量，其具體實現(xiàn)包括以下步 驟：
[0019] 步驟301 :岸基基站以特定周期T1WAIS岸臺獲取所服務(wù)船舶的AIS信息，并根據(jù) t時刻獲取的AIS信息中所包含的船舶航速Vs以及航向％不斷估算t至t+I\時刻船舶的 實時位置坐標(biāo)ShipT(shipTx,shipTy);
[0020] 步驟302 :當(dāng)岸基基站檢測到自身與所服務(wù)船舶的通信質(zhì)量在t至丨+!\之間的某 -t2時刻明顯下降的時候，岸基基站使用t時刻船舶的坐標(biāo)，岸基基站坐標(biāo)，t2時刻船舶的 坐標(biāo)和三角形余弦公式計算出方向天線的臨時偏向角91，并將自身天線原本的方向角Q1 調(diào)整至01+ 01; 0 1為t時刻岸基基站方向天線的實際方向角；
[0021] 步驟303 :當(dāng)岸基基站檢測到自身與所服務(wù)船舶的通信質(zhì)量在經(jīng)過步驟301和步 驟302調(diào)整過后有所提高，則返回步驟301，否則岸基基站處于等待模式，
[0022] 直到t+I\時刻，岸基基站獲得最新的所服務(wù)船舶的AIS信息之后，返回步驟301。
[0023] 步驟103,即所服務(wù)船舶校準(zhǔn)部分。所服務(wù)船舶根據(jù)自身航行軌跡，動態(tài)校準(zhǔn)自身 定向天線方向角Q2，并根據(jù)岸基基站與自身的直線距離d以特定周期！^調(diào)整自身方向天 線的發(fā)射功率Ps，以此保證通信質(zhì)量，節(jié)約自身能量，其具體實現(xiàn)方法如下：
[0024] 所服務(wù)船舶以特定周期T2實時從自身AIS終端提取自身位置坐標(biāo)，并根據(jù)岸基 基站坐標(biāo)和自身位置坐標(biāo)，實時計算岸基基站相對于自身的極坐標(biāo)BSpt (pt，at)，并根據(jù) -at_T2 = 02 - 以特定周期1~2實時調(diào)整自身定向天線方向角0 2，同時根據(jù)岸基