海洋互聯網中岸基網絡與船舶基站切換方法

許彬楠， 姜勝明， 孟小鈺， 戴 璐

（上海海事大學信息工程學院，上海201306）

0 引 言

隨著人類在海洋環境中的活動范圍越來越大以及人類對海洋保護和海洋安全意識的不斷提高，發展海洋互聯網成了一種迫切的需要。海洋互聯網是由岸基網絡（Shore-based Network，SN）、無線自組織網絡（Wireless Ad Hoc Network，WANET）、高空平臺（High Altitude Platform， HAP）和衛星系統（Satellite Technology，SAT）［1］等重要系統組成。其中，岸基網絡主要是由海事無線電和移動蜂窩網絡相融合的網絡系統，它可以為近岸航道上的船舶提供網絡服務。以海上船舶自動識別系統（AutomaticIdentificationSystem，AIS）搭建的岸基網絡能夠提供岸與船之間的信息交流、提供船舶的位置信息［2］，并進一步實現船與岸之間的實時監控和信息傳輸［3］。岸基網絡下的船舶在移動過程中，移動船舶（Mobile Ship，MS）有可能會發生小區切換，該切換與陸上切換的區別在于，陸地上的一個切換是一個移動設備和一個基站的關系，一次切換只影響一個用戶。而船舶與岸基基站之間的切換是一個船舶基站與一個岸基基站的關系，一個船舶可能有上百甚至上千人，所以這樣的一個切換會產生很大的影響，再加上海洋環境變化的不確定性，船舶發生切換時船舶用戶無法像陸地用戶一樣享用各種實時網絡應用，因此為移動船舶選擇一個合適的目標基站變得極為重要。對于現有的硬切換、軟切換以及接力切換等切換方法，以及對于現有切換方式中的基于簡單加權和（SimpleAdditiveWeighting，SAW）的多屬性決策、基于逼近理想解排序法（Technique for Order Preferenceby Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）、基于代價函數和基于距離優先級判定的目標岸基基站（Target Base Station，TBS）選擇算法而言，選擇何種切換方法以及如何為MS選擇最優的TBS并制定合適的切換觸發準則成為海洋互聯網所面臨的挑戰。

移動通信系統的主流技術包括LTE和WiMAX技術。對比LTE技術，在價格上，WiMAX所使用的多數頻段都是免費的，而且其設備成本較低，這可為岸基網絡大規模的鋪設節約很多成本［4］。當船舶離海岸大于25 km時，可以使用LTE通信鏈路來傳輸完整的實時測深數據。相反，對于岸基網絡中5 ～25 km范圍內的近岸船舶而言通常直接與岸基基站連接［5］，而且WiMAX 具有覆蓋面積大，數據率高等優點，因此WiMAX是直連方案的不錯選擇，所以本文對WiMAX切換技術進行研究。

文獻［5］中證實了WiMAX可以作為可靠、安全且具有成本效益的海上通信運營商。文獻［6］中描述了基于多度量標準的WiMAX 切換算法，通過已接收和已發送流量、吞吐量、語音抖動、延遲以及信噪比等參數對WiMAX網絡中的目標基站進行選擇。文獻［7］中提出了一種通過優化網絡結構選擇的WiMAX 硬切換算法，該算法中的移動節點會根據當前服務基站所廣播的鄰居基站負載信息以及距離信息對要接入的基站進行選擇，雖然改善了通信性能，但是距離信息并不能作為目標基站的主要判決條件。文獻［8］中提出了移動WiMAX網絡中由服務基站控制的目標基站快速選擇方案，算法根據當前服務基站從鄰居基站中選擇目標基站，通過快速選擇使整體的切換時延減少，充分保證了通信的有效性和可靠性。文獻［9］中通過使用時間和基于位置的移動性配置文件，移動節點可以在切換過程中提高掃描時間，增強切換掃描性能。文獻［10］中提出了一種適用于海洋網絡的多跳軟切換方案，算法中對2 個性能最好的基站注冊，其中一個作為通信基站，另一個為備份基站，以保證切換過程中不發生鏈接中斷的情況，相比硬切換這種軟切換方案可以提高切換時的通信性能，由于該文獻中對切換判決條件的設置過于單一，因此性能提高并不十分顯著。以上文獻均是以WiMAX切換技術為背景的切換算法研究，通過對比不同的切換算法，或是在相同算法的基礎上對目標基站的選擇方式以及切換觸發條件進行改進來保證算法的可靠性，最終目的都是為了提高WiMAX切換時的通信性能。

為解決岸基網絡中MS發生基站切換時與岸基基站之間數據傳輸能力低、數據傳輸過程中丟包率過高以及請求數據包的時延過長等問題所導致的通信鏈路穩定性低，通信質量差等現象，本文對陸地移動蜂窩網絡的WiMAX軟切換方法方法加以改進，通過在TBS選擇階段考慮MS與鄰居基站（Neighbour Base Station，NBS）的載波與干擾和噪聲比（Carrier to Interference plus Noise Ratio，CINR）、距離、服務質量（Quality of

Service，QoS）、提供服務類型4 個指標，提出了一種基于層次分析法（Analytic HierarchyProcess，AHP）的TBS選擇算法，該算法可以根據上述所制定的4 個指標的權重值獲得最能滿足MS 服務需求的岸基基站，目的是為了最大限度地滿足船舶中大量用戶的多種通信服務。結合該算法以及制定的切換觸發準則，本文提出了岸基網絡與船舶基站切換（Shore-based Network and Ship Base station Handover，SN-SBSH）算法。該算法不僅解決了岸基網絡中MS 切換時的TBS 選擇問題，還進一步解決了MS切換時延長、數據丟包率高等問題，提高了船舶移動過程中與岸基基站的網絡連通性，也進一步提高了MS中用戶的通信服務質量，充分保障了用戶的服務需求。

1 岸基網絡與船舶基站切換模型

岸基網絡場景如圖1 所示。

圖1 岸基網絡場景圖［1］

近岸船舶可以直接與岸基基站通信，遠距離船舶則需要借助近岸船舶作為中繼船舶與岸基基站建立通信鏈接。其中，HMS1為正在自西向東移動的船舶，為保證與岸基網絡的通信，該船舶需要與岸基基站發生基站切換。岸基網絡中MS采用基站切換的一大優勢是，移動船舶和岸基基站可以借助AIS 在切換過程發生前事先獲取雙方的位置信息，不需要再發送獲取位置信息的數據包。利用這一優勢，可以解決在測距活動中因發送定位數據包而造成的切換時延過大的問題，通過減少切換時延，加速切換進程，SN-SBSH 算法就是在此基礎之上進行的。

本文主要將WiMAX 軟切換中的宏分集切換（Macro Diversity Handover，MDHO）機制應用于岸基網絡中。它的工作模式為，通信節點先切換至新的基站建立通信鏈接后，再斷開與原來基站的通信鏈接。在岸基網絡中，MS執行基站切換包含以下3 個階段：首先，MS要偵聽NBS的信息，將滿足條件的NBS作為備選NBS并存儲在指定的NBS 列表中，該階段被稱為NBS獲取階段；其次，MS要對NBS列表中獲取的NBS進行判決，根據一定的算法條件，MS從NBS列表中選擇出最合適的一個NBS作為TBS接入，此時，MS與當前服務基站（Current Service Base Station，CSBS）和TBS同時連接，該階段被稱為目標岸基基站選擇階段，簡稱TBS 選擇階段；最后，當MS 與CSBS 和選定的TBS滿足切換觸發準則時，MS 斷開與CSBS 的連接，完成切換過程。

在TBS選擇階段的算法模型中，AHP是對一些較為復雜的和模糊的問題作出決策的簡易方法，其主要步驟如下［11］：

步驟1建立層次結構模型。

步驟2構造判決矩陣。構造關于目標層M 與準則層C的判斷矩陣，本文所研究的目標層為TBS 選擇，準則層為CINR值、QoS、用戶通信代價和提供服務類型。表1 為判斷矩陣重要程度表。

表1 判斷矩陣重要程度表

步驟3一致性檢驗。為保證各元素重要度之間的協調性，避免出現Ⅰ比Ⅱ重要，Ⅱ比Ⅲ重要，而Ⅲ又比Ⅰ重要這樣的矛盾情況出現，要對判決矩陣進行一致性檢驗。

計算判決矩陣的特征向量對應的最大特征值，用于計算一致性指標CI，查找相對應的一致性指標RI，進而計算出一致性比率CR：

式中：λmax為判決矩陣的特征向量對應最大特征值；CI值用于調整判決矩陣完全一致性的程度；RI為平均隨機一致性指標取值的判決矩陣。對應的取值見表2。

表2 一致性指標取值表

若CR ＜0.1，則認為判斷矩陣的一致性可以被接收，否則需要對判斷矩陣進行修正。

步驟4計算權重。通過一致性檢驗后，利用算數平均法求得各指標的權重值：

式中，i、j分別為判斷矩陣的行和列。

2 SN-SBSH算法

在傳統MDHO中，移動節點會根據搜索到的所有導頻的強度，基于接收信號碼功率（Received Signal Code Power，RSCP）和接收信號強度指示符（Received Signal Strength Indication，RSSI）計算Ec／N0（Ec／N0＝RSCP／RSSI）的值［9］，通過其值來判定是否進行切換。借助傳統MDHO算法原理，通過TBS選擇算法模型為MS執行最優TBS 選擇，以保證新接入的岸基基站可以為MS提供完備的服務，并在切換觸發階段制定了相應的切換觸發準則。

2.1 基于AHP的TBS選擇過程

（1）層次結構模型，如圖2 所示。

圖2 TBS選擇層次結構模型［11］

（2）準則層C的判斷矩陣見表3。

表3 準則層C判斷矩陣

（3）構造方案層P 相對于準則層C 中各指標的判斷矩陣見表4。

表4 方案層P相對于準則層C中指標的判斷矩陣

（4）計算得到權重矩陣并選出最優方案（見表5、6）。

表5 權重矩陣

表6 方案層權重值

在上述基于AHP的TBS 選擇算法中，當NBS＿1、NBS＿2、NBS＿3 被列為可選岸基基站時，計算得到的權重值為

MS將根據最大權重值ω1對應的岸基基站NBS＿1作為TBS 接入，以保證MS 與判決得到的最優的岸基基站建立鏈接。

2.2 切換觸發準則

當移動臺在基站之間頻繁、快速地執行越區切換時，就會發生“乒乓效應”，產生“乒乓效應”的主要原因在于移動臺在相鄰小區間的移動性。由于陸地蜂窩小區呈現蜂窩狀分布，用戶相對于基站的位置和方向的可變性是相對較大的，當用戶在短時間內相對于某一基站的位置和方向發生快速變化時會受到其他基站與該基站信號強弱的交替變化，因此用戶會在兩基站之間來回切換，一次切換只會影響到一個用戶。而船舶在海上是沿著特定航道航行的，船舶相對于岸基基站的位置和方向在短時間內并不會產生明顯的變化，因此船舶移動產生“乒乓效應”的可能性相對陸地用戶而言是相對較小的。由于一次切換會影響到船舶上的所有用戶，因此為了保證切換的穩定，船舶在切換時設定了切換驅動因子，只有當船舶與當前服務基站的接收信號強度低于切換啟動閾值，而且可選目標基站的接收信號強度與CINR值比當前服務基站的接受信號強度與CINR值大于一個數值足夠高的切換驅動因子時才可執行切換。

在切換觸發前，需要持續對以下幾個性能指標進行檢測，分別為：MS 與CSBS 下行信道單位時間內的RSS為RSS＿CSBS；MS與NBS下行信道單位時間內的RSS為RSS＿NBS；MS 的切換觸發門限值為MS＿TH；MS相對于NBS 信道狀態的驅動因子為DBS＿Fuzzy。MS還要檢測與CSBS 和NBS 的CINR值，記為CINR＿CSBS和CINR＿NBS，并將其作為切換觸發的判決標準條件之一。當滿足以下條件時MS 觸發切換：①CSBS的服務信號強度低于MS的切換觸發門限值；②MS 與某一NBS 的接收信號強度高于一個驅動值；MS 與某一NBS的CINR始終高于固定閾值Tk；③MS 與某一NBS在單位時間內的CINR 高于與CSBS 的CINR 值。相應的表達式為：

2.3 切換流程

在完成2.2 小節的切換觸發判決過程后，根據以下步驟執行切換。

步驟1MS首先從周圍岸基基站中選出RSS 最強的基站作為中央基站，記為CSBS；將MS 偵聽到的其他岸基基站作為NBS。

步驟2MS在移動過程中，當MS與某一NBS 的RSS滿足式（7）時，將該NBS 加入Diver1 列表中。在下一時刻，將NBS 分為兩類，一個是上一時刻不存在于Diver1 中的為A類，上一時刻存在于Diver1 中為B類。當A類NBS滿足式（7）時，將該NBS 加入Diver1中，當B類NBS 滿足式（8）時，將該NBS 從Diver1 中刪除，其中AT＿value和DT＿value分別為添加閾值和刪除閾值。表達式為：

步驟3MS在與CSBS通信的同時，根據本節2.1中所提出的基于AHP 的TBS 選擇算法，MS 還會從Diver1 中選出一個最優NBS 作為TBS 并保持通信。當滿足本節2.2 中所給出的切換觸發條件時，MS發起切換請求。

步驟4MS將選擇好的TBS 作為新CSBS 后，從原CSBS獲取該船舶的服務狀態信息，斷開與原CSBS的鏈接，并返回步驟2。

2.4 距離的計算方法

在上述提出的岸基網絡切換算法中，岸基網絡已經借助AIS基礎設施獲取了MS與岸基基站的位置信息，這里的位置信息是指經緯度信息。由于海平面存在高低差異，岸基網絡中船舶與岸基基站的距離需要利用球面坐標兩點之間的距離來求解。假設某一移動船舶的緯度為φ1，經度為θ1；某一岸基基站的緯度為φ2，經度為θ2，地球半徑為R，具體計算公式如下：

3 SN-SBSH算法仿真

3.1 仿真場景描述

本文利用EXata仿真平臺，選取上海某深水港附近區域為背景，搭建了一個80 km ×80 km 的仿真場景，該場景一共布設了4 個WiMAX岸基基站、14 艘船舶，路由器和文件服務器組成了陸地骨干網絡。船舶的移動模型是從上海某深水港某區域船舶的真實移動狀態中提取，船舶的移動速率范圍在5 ～12 m／s，仿真時間為300 s，應用類型為可變比特率VBR，該類型傳輸的數據包大小為512 Byte，切換啟動門限值為－78 dBm，仿真場景的詳細參數如下：場景大小80 km ×80 km，船舶數量為14，MAC 模型WiMAX，路由協議AODV，仿真時間，S-t ＝300 s，應用類型VBR，發送數據包大小，S ＝512 Byte，發送功率，P ＝46 dBm，添加閾值，T-A ＝4 dB，刪除閾值，T-D ＝2 dB，切換啟動門限值，H-S ＝－78 dBm，切換判決前門限值之差的保持時間，H-T ＝15 s，DCD／UCD 發送間隔，S-S ＝5 s，網絡層協議IPv4，傳輸層協議UDP，路徑損耗模型Two ray，陰影衰落模型Constant，陰影衰落平均值2 dB，能量模型None，溫度，T ＝290 K。

仿真環境如圖3 所示，8 號船舶自西向東以8 m／s的航速通過上海某深水港區域，8 號船舶向陸上文件服務器6 發送數據，以此模擬移動船舶的基站切換過程。

圖3 SN-SBSH算法仿真場景

3.2 仿真結果分析

從圖4（a）初始時刻的仿真結果中的綠色指向可以看出，船舶8 在移動過程中與BS2、BS3、BS4均有探測請求，說明船舶8 在保持與BS1連接的同時還在進行TBS選擇過程。當仿真進行到270 s左右時，從圖4（b）的綠色指向可以看出，此時船舶8 已經斷開與BS1的通信鏈接，僅有與BS2的通信指示，說明船舶8 選擇將BS2作為切換后的目標基站。通過吞吐量、端到端時延、丟包率以及抖動4 個參數來觀察整個切換過程中船舶8 與岸基基站的通信性能。最終得到的用于衡量船舶8 切換時的通信性能的4 個參數指標的值如表7 所示。

表7 仿真參數結果

圖4 （a） 初始時刻的仿真場景圖

圖4 （b） 207 s時刻的仿真場景圖

為驗證船舶8 切換時在SN-SBSH 算法的TBS 選擇階段與最優岸基基站接入，以及該切換算法可以提升岸基網絡中MS 發生切換時與岸基基站的通信性能，在仿真中將MS 分別與BS2、BS3、BS4連接后網絡的通信性能指標進行統計，并且與傳統MDHO算法設為對照，得出了以下結果。

如圖5 所示，通過對兩種切換算法的吞吐量結果對比可知，船舶8 無論與哪一個NBS 接入，SN-SBSH算法的吞吐量都明顯高于傳統MDHO 算法。從傳統MDHO算法的結果可以看出，船舶8 發生切換時與BS3的吞吐量最高，而且采用SN-SBSH 算法的船舶8在切換時與BS3的吞吐量仍為最高，其吞吐量值為6 328.6 bit／s，但該值與表8 中得出的吞吐量結果并不相吻合，可見船舶8 切換后與接入的基站并不是BS3而是BS2。雖然船舶8 切換時與BS2的吞吐量性能不是最優的，但是經過岸基基站選擇階段后BS2一定是最能滿足船舶8 服務需求的基站，與傳統MDHO算法比較可以看出該算法提高了船舶8 切換時與岸基基站單位時間內的數據傳輸能力。

圖5 不同算法下吞吐量對比

由圖6 可知，采用SN-SBSH算法得到的端到端時延明顯低于傳統MDHO 算法。該算法通過增加切換判決條件來提高切換判決過程中MS啟動切換的準確性，一定程度上避免了“乒乓效應”，提高了MS的切換效率，進而保證了MS 發生切換時與岸基基站通信的穩定。從圖中還可以看出，當船舶8 切換至新岸基基站后，采用傳統MDHO算法時與BS3的端到端時延是最低的，而SN-SBSH算法中船舶8 與BS2的端到端時延最短，其中SN-SBSH算法與BS2的端到端時延值為0.121 7 s，與表8 中所得出的結果相對應，說明所提出算法加快了切換過程中數據包的傳輸速率。

圖6 不同算法下端到端時延對比

由圖7 可見，采用SN-SBSH算法的丟包率要低于傳統MDHO算法。當船舶8 與BS2和BS3連接時，所提出算法的丟包率可以降低約為傳統MDHO 算法的一半，很大程度上降低了切換過程中的數據包丟失，增強了數據傳輸的穩定性，更好地滿足了岸基網絡中用戶的通信需求。采用傳統MDHO 算法時與BS3的丟包率是最低的，而采用SN-SBSH 算法時船舶8 與BS2的丟包率是最低的，丟包率為14.5%，該結果與表8中丟包率的數據結果相吻合，證實了船舶8 切換后與最優岸基基站BS2接入。

圖7 不同算法下丟包率對比

圖8 中船舶8 與BS2的抖動值與表8 中數據結果相一致，同樣可以證明船舶8 切換后與BS2接入。綜合上述圖5 ～8 的分析，從吞吐量、端到端時延、丟包率和抖動的數據結果可以看出，當船舶發生基站切換時，船舶8 采用傳統MDHO 算法時與BS3的通信性能是最優的，而所提出的SN-SBSH 算法選擇與BS2接入，雖然船舶8 與BS3的吞吐量的結果要優于BS2，但是BS2所能給MS提供的服務需求BS3無法滿足。與傳統MDHO 算法相比，MS 發生基站切換時吞吐量顯著提升，丟包率降低，端到端時延明顯降低。該統計結果證明了數據在傳輸過程中的穩定，保障了切換過程中網絡的連通性，還證實了基于AHP的TBS選擇算法是可行的，MS 可以選出最優的鄰居基站并與其建立連接，很大程度上提高了MS與岸基基站的通信質量。

圖8 不同算法下抖動對比

4 結 語

在海洋互聯網背景下，本文提出了一種針對岸基網絡的SN-SBSH 算法。該算法充分利用了岸基網絡的優勢，通過在切換發生前獲取岸基網絡環境下移動船舶和岸基基站的位置信息，減少了切換過程中不必要的信息傳輸，很大程度上降低了切換過程中的信道負載。在TBS選擇階段根據AHP 計算出的鄰居基站權重值為MS確定能夠滿足其自身通信需求的目標岸基基站，通過設定合適的切換觸發條件，降低了無關岸基基站干擾，減少了切換延遲，避免了不必要的切換，提高了切換的準確性，進一步改善了岸基網絡中移動船舶發生基站切換時的通信性能，更好地滿足了船舶用戶的服務需求。