适用于高动态船舶网络的分层拓扑控制与路由维护方法与流程

本发明涉及无线通信网络，特别涉及一种适用于高动态船舶网络的分层拓扑控制与路由维护方法。

背景技术：

1、现有的船联网信息传输与组网技术主要依赖于岸基移动通信、卫星通信及海上专用无线通信三类方式。岸基移动通信技术，特别是4g/5g网络，依托沿海基站可为近海船舶提供高带宽、低延迟的通信服务，但其覆盖范围通常不超过7海里，严重依赖基础设施且无法实现远海超视距覆盖，难以构建大范围无缝的船联网。卫星通信是实现全球远洋通信的核心手段，其中地球静止轨道卫星存在传输延迟高、受雨衰等天气因素影响显著、难以保证全天候通信的问题，且高成本终端限制了其在大量中小型船舶中的普及；新兴的低地球轨道卫星星座虽能提供低延迟、高带宽的服务，但其终端与服务费用依然昂贵。海上专用无线通信技术方面，广泛应用的自动识别系统主要服务于船舶安全监控，以广播方式周期性传输少量关键数据，存在带宽极低、在高密度区域易发生时隙冲突、可靠性不足等问题，无法支持话音、图像等常规业务传输；其演进技术vhf数据交换系统旨在提升数据通信能力，但仍处于发展初期。

2、由此可见，现有技术方案在实现全天候、超视距的船联网信息传输方面存在显著局限：岸基网络覆盖不足，卫星通信成本高且受制于天气，而专用系统带宽有限且可靠性有待提升。在组网方面，现有系统多依赖于星状或链状等有中心网络架构，对卫星、地面站等中心节点依赖度高，通信链路易中断，网络抗毁性差。此外，现有船联网系统的抗干扰手段普遍较为薄弱，多采用通用商业加密技术，在复杂海洋电磁环境下面临抗干扰、抗截获与抗侵入能力不足的挑战。这些缺陷共同制约了大规模、高可靠、全天候船联网技术的发展与应用。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种适用于高动态船舶网络的分层拓扑控制与路由维护方法，通过构建基于异构信道智能评估与动态选择的传输机制及分层无中心组网方法，提高了船联网在超视距条件下的全天候可靠传输与网络抗毁能力，解决了现有技术中传输手段单一、依赖中心节点及抗干扰能力不足的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种适用于高动态船舶网络的分层拓扑控制与路由维护方法，包括如下步骤：

3、针对由至少包括流星余迹通信、电离层散射通信和地波绕射通信三类传输信道构成的超短波异构传输信道集，利用预设信道评估模型实时计算每一传输信道的传输质量的信道状态参数；

4、基于所述信道状态参数，以及当前待传输业务的优先级与服务质量需求，所述服务质量需求包括对传输时延、带宽及可靠性中至少一项的要求，通过预设信道选择策略，从所述超短波异构传输信道集中动态选择当前最优传输信道；

5、根据所述当前最优传输信道，生成对应的物理层配置参数与链路控制信号，得到用于协调所述高动态船舶网络中主控节点与用户节点之间路由发现、维护与数据转发行为的网络层控制指令。

6、进一步地，所述利用预设信道评估模型实时计算每一传输信道的传输质量的信道状态参数，包括：

7、获取所述传输信道的信道类型；

8、针对流星余迹信道，获取其信道可用概率、平均突发持续时间以及原始测量参数；

9、针对电离层散射信道，获取其信号电平衰落标准差、多普勒频移、信号衰落深度以及原始测量参数；

10、针对地波绕射信道，获取其路径传播损耗以及原始测量参数；

11、基于不同信道类型所获取的相应参数，通过与所述信道类型相应的信道质量评估函数，计算得到表征所述传输信道综合传输质量的信道状态参数。

12、进一步地，所述通过与所述信道类型相应的信道质量评估函数，计算得到表征所述传输信道综合传输质量的信道状态参数，包括：

13、将针对所述信道类型所获取的相应参数进行归一化处理，转化为无量纲的归一化参数值；

14、根据所述信道类型的固有传输特性与所述当前待传输业务的服务质量需求，查询预置的权重映射关系，获得与每一所述归一化参数值对应的动态权重系数；

15、基于所述动态权重系数，对所述归一化参数值进行加权综合运算，生成一个标量形式的所述信道状态参数，其中所述信道状态参数的数值大小直接对应于所述传输信道支持所述当前待传输业务的综合质量等级。

16、进一步地，所述基于所述信道状态参数，以及当前待传输业务的优先级与服务质量需求，通过预设信道选择策略，从所述超短波异构传输信道集中动态选择当前最优传输信道，包括：

17、根据所述当前待传输业务的服务质量需求，确定进行信道排序所依据的综合评估准则；

18、基于综合评估准则，结合所述当前待传输业务的优先级，对每一可选传输信道的所述信道状态参数进行效用计算，得到每一所述可选传输信道支持所述当前待传输业务的信道效用值，所述信道效用值为表征所述可选传输信道对满足所述服务质量需求贡献程度的量化评价值；

19、根据所述信道效用值的大小对所有所述可选传输信道进行排序，生成信道选择序列；

20、依据所述信道选择序列以及所述超短波异构传输信道集中各传输信道的实时可用状态，确定所述当前最优传输信道。

21、进一步地，所述基于所述综合评估准则，结合所述当前待传输业务的优先级，对每一可选传输信道的所述信道状态参数进行效用计算，得到每一所述可选传输信道支持所述当前待传输业务的信道效用值，包括：

22、根据所述综合评估准则，将所述当前待传输业务的服务质量需求解耦为对不同信道特性维度的需求强度，形成需求特征向量；

23、将所述当前待传输业务的优先级映射为对所述需求特征向量的全局修正因子，得到优先级修正因子；

24、根据所述需求特征向量，对所述可选传输信道的所述信道状态参数所表征的多个信道特性值进行归一化处理，得到归一化信道特性值；

25、利用所述优先级修正因子对所述需求特征向量进行加权，再与所述归一化信道特性值进行匹配运算，计算得出所述信道效用值。

26、进一步地，所述利用所述优先级修正因子对所述需求特征向量进行加权，再与所述归一化信道特性值进行匹配运算，计算得出所述信道效用值，包括：

27、基于所述归一化信道特性值，计算所述可选传输信道对所述服务质量需求中每一独立维度要求的维度满足度；

28、将所述需求特征向量中对应维度的需求强度作为权重，对所有所述维度满足度进行加权聚合，得到初始业务质量评价值；

29、将所述初始业务质量评价值与反映所述可选传输信道在预设时间段内时域稳定性的信道鲁棒性系数进行融合，得到所述信道效用值。

30、进一步地，所述得到用于协调所述高动态船舶网络中主控节点与用户节点之间路由发现、维护与数据转发行为的网络层控制指令，包括：

31、执行网络初始化操作，并对预设控制信道进行状态检测；

32、当所述控制信道被检测为空闲时，发射邻节点探测信号，并接收来自邻节点的响应信号；

33、根据所述响应信号，建立或更新所述主控节点与所述用户节点之间的路由表；

34、根据待发送的船联网业务数据以及所述路由表的变更情况，生成待通过所述控制信道发送的报文并执行发送操作，所述报文包括数据帧和/或路由更新报文。

35、进一步地，所述物理层配置参数包括多进制正交扩频调制参数；

36、所述生成对应的物理层配置参数，包括：

37、根据所述当前最优传输信道的可用带宽与所述当前待传输业务的服务质量需求，确定多进制正交扩频的进制数m与对应的正交扩频码。

38、进一步地，所述生成对应的物理层配置参数与链路控制信号，还包括对多进制正交扩频调制器的配置过程，包括：

39、由现场可编程门阵列根据发射使能信号与所述多进制正交扩频调制参数，执行多进制信息与对应伪随机码的映射编码，生成数字基带信号；

40、将所述数字基带信号进行数模转换，得到模拟的差分基带信号；

41、将所述模拟的差分基带信号直接调制到射频载波上；

42、由所述现场可编程门阵列控制数控衰减器，对已调射频信号的功率进行控制。

43、进一步地，所述高动态船舶网络采用分层架构，包括具有网络寻址功能的主控节点和不具有网络寻址功能的用户节点；所述主控节点构成无中心、变拓扑的骨干网络，所述用户节点通过漫游接入所述骨干网络或与相邻节点直接通信。

44、相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述适用于高动态船舶网络的分层拓扑控制与路由维护方法。

45、相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述适用于高动态船舶网络的分层拓扑控制与路由维护方法。

46、本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

47、1. 通过将流星余迹、电离层散射与地波绕射三类物理特性迥异的超短波信道进行统一建模与智能择优，系统能够根据实时信道条件与业务需求动态选择最佳传输路径，从而在无需依赖昂贵卫星或密集岸基设施的前提下，实现了对广阔海域的全天候、超视距可靠覆盖，从根本上解决了单一传输手段在覆盖范围、全天候能力或成本上的固有局限；

48、2. 通过采用严格限制骨干节点数量、放开用户节点接入的无中心分层变拓扑组网架构，并配合邻节点发现与路由自维护机制，网络在节点频繁动态变化时能有效抑制广播风暴，在局部节点失效时可实现快速自愈重构，从而大幅提升了网络在高动态船舶环境下的节点容量、拓扑适应性与整体抗毁性，克服了传统有中心网络存在的单点故障风险与扩展性瓶颈；

49、3. 通过将多进制正交扩频技术深度适配于vhf窄带信道，并根据业务需求与信道条件动态配置调制参数，在基本不增加射频带宽的前提下，显著提升了通信信号的抗同频干扰能力与低截获概率，增强了船联网在复杂电磁环境下的传输安全性与隐蔽性，有效弥补了现有系统普遍存在的抗干扰手段薄弱、易于被侦测的缺陷。