一种利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶岸基无线网络通信，具体是一种利用岸基基站和船舶位置信息的 动态天线调整和通信的方法。
【背景技术】
[0002] 船舶岸基无线网络是海洋互联网中的一个重要组成部分，其主要负责将陆上高品 质高带宽的因特网无线延伸至离岸5公里-30公里的近岸航道上的船舶。
[0003] 目前船舶岸基无线网络尚处于研宄起步阶段，船舶岸基无线网络之所以研宄地比 较晚，主要原因是，远洋船舶上工作以及生活的人们已经习惯了航海过程中枯燥乏味的生 活，当遇到特殊情况，例如，遇到海盗，撞船事故以及不可抗拒的自然灾难之后，才会勉强使 用卫星通信的方法与岸上指挥人员进行联系，众所周知卫星通信不仅带宽极其有限，而且 价格非常昂贵，不是一般个人以及小型公司所能承受的。
[0004] 在经济全球化如此深入，远洋运输的货物量占到国际间货物运输量的80 %的今 天，人们对廉价高品质的海上无线接入的需求越来越高，人们期待在远洋航行过程中也能 像在陆地上一样，可以以能够承受的代价接入因特网，享受各种因特网服务，为海上枯燥乏 味的生活带来一些乐趣，同时也能为自己的人生安全带来一份保障。
[0005] 以上原因致使越来越多的人们展开对海洋上网络的研宄。
[0006] 通过查看全球船舶自动识别系统（AutomaticIdentificationSystem，简称AIS) 船舶实时信息，我们发现海洋上的船舶虽然很多，但是有将近70%是沿着近岸航道航行， 只有少部分是在深海中航行，如果我们可以为近岸航道上的船舶提供可靠的因特网接入服 务，那么就将我们的研宄迈进了一大步，由此可见岸基无线网络在海洋互联网研宄中的重 要性非常高。
[0007] ShengmingJiang在"OntheMarineInternetandItsPotential ApplicationsforUnderwaterInter-networking"WUWNet' 13Proceedingsof theEighthACMInternationalConferenceonUnderwaterNetworksand Systems，NY，USA，2013 -文中构建了一个叫做海洋互联网的系统，该系统可以将海洋上航 行的船舶以较低的价格较大的带宽接入因特网，船舶岸基无线网络是该系统的一个重要组 成部分，该文章从整体上阐述了海洋互联网系统这一构想，不足的是，文章对船舶岸基无线 网络没有一个相对详细的实施方案。
[0008] Young-BaeKo在"MediumAccessControlProtocolsUsingDirectional AntennasinAdHocNetwork"IEEEINF0C0M,vol. 1，2000.pp. 13-21 -文中，通过假定收 发终端进行通信时，发方天线定向传输数据，收方天线全向接收数据，从而在保证带宽的同 时延长传输距离，然而这种方式虽然能够在一定程度上提高传输性能，但还不能够充分利 用定向天线空间复用的优势，同时定向传输全向接收也会引起天线增益的不对称。
[0009] EmadShihab在"ADistributedAsynchronousDirectional-to-Directional MACProtocolforWirelessAdHocNetworks"IEEETransactionsonVehicular Technology,vol. 58, 2009.pp. 5124-5134 -文中，通过改进过去天线定向发送全向接收的 方法，使用了定向发送定向接收的方法，在很大程度上延长了传送距离也解决了增益匹配 问题，但是文章描述得太过笼统，重点放在了多媒体接入控制层的协议的设计上，对天线系 统如何调整天线没有一个详细的描述，而且文章也没有一个具体的使用场景。
[0010] 综上所述，现有的通信方法如果直接应用到船舶岸基无线网络中，会存在诸多局 限，在通信天线的选取上都是采用全向天线；或是采用定向发送全向接收的模式，即使采用 定向发送定向接收的模式，也没有对如何对天线进行调整有一个详细的描述，同时也没有 一个具体的使用场景。
【发明内容】
[0011] 有鉴于此，本发明将定向发送定向接收这一通信模式，利用到船舶岸基无线网络 中船舶与岸基基站的通信上，通过AIS和卫星系统向岸基基站和所服务船舶提供彼此的位 置信息，很好地解决了岸基基站和所服务船舶因为都使用定向天线所产生的邻居发现难问 题，并且对天线的调整方法进行了详细描述，很好地解决了船舶岸基无线网络中船舶与岸 基基站如何进行通信这一问题。本发明的目的在于提供一种利用岸基基站和船舶位置信 息的动态天线调整和通信的方法。岸基基站和所服务船舶分别通过AIS系统和卫星系统获 取对方位置信息，并利用船舶岸基网络双定向天线调整算法调整彼此天线方向角，同时建 立连接；岸基基站根据以特定周期获取的所服务船舶的AIS信息中包含的所服务船舶的航 速，航向，以及位置信息不断校验自身天线方向角；所服务船舶根据自身AIS终端中的自身 位置信息，不断校验自身天线方向角和天线功率。本发明所提供的利用岸基基站和船舶位 置信息的动态天线调整和通信的方法，通过让收发双方同时使用定向天线，有效延长了通 信距离以达到船舶岸基无线网络的要求。此外通过AIS和卫星系统为使用定向天线的通信 收发双方提供彼此相关信息，有效解决了长距离通信中，因为收发双方同时采用定向天线， 所以在邻居发现阶段无法发现彼此的问题。
[0012] 本发明的利用岸基基站和船舶位置信息的动态天线调整和通信的方法包括以下 步骤101、步骤102、和步骤103 :
[0013] 步骤101，即连接建立部分。当岸基基站通过从AIS，获取所服务船舶的AIS信息， 所服务船舶从卫星系统获取岸基基站的位置坐标之后，岸基基站与所服务船舶根据彼此的 位置坐标，利用船舶岸基网络双定向天线调整算法调整各自天线方向角以建立通信，其具 体实现包括以下步骤：
[0014] 步骤201 :岸基基站利用获取的所服务船舶AIS信息中包含的所服务船舶的位置 坐标Ship(shipx,shipy)，以及从自身北斗终端提取的自身位置坐标BS(bsx,bsy)，根据笛卡 尔坐标转极坐标公式算出所服务船舶相对于自身的极坐标ShiPp(Pl，Ci1);岸基基站控制 自身发送天线方向角在[Q1-Y,a1+y]范围内，以特定周期Tsl，匀速来回震荡旋转，每经 过1'31/8时间向所服务船舶发送一次通信请求报文01?1^：9(8111口 !￡，8111口7>8!￡，匕87，丫）；丫为 天线方向角扫描幅度；
[0015] 步骤202 :所服务船舶利用获取的岸基基站的坐标BS(bsx，bsy)和从自身AIS船载 终端中提取的自身坐标Ship(shipx,shipy)，根据笛卡尔坐标转极坐标公式算出岸基基站相 对于自身的极坐标BSP(P，a);所服务船舶控制自身接收天线方向角在[a-Y，a+Y]范 围内，以特定周期Ts2，匀速来回震荡旋转，并始终处于信号接收模式；Ts2辛Tsl;
[0016] 步骤203 :当所服务船舶接收到岸基基站发送的DRREQ之后，立刻向岸基基站发送 DRREP(bsx,bsy,shipx,shipy)，并停止自身天线的转动；
[0017] 步骤204 :当岸基基站接收到DRREP(bsx,bsy,shipx,shipy)之后，立刻向所服务船 舶发送ACK确认信息，并停止自身天线的转动；当岸基基站在发出DRREQ之后的Td时间内， 仍未收到所服务船舶发送给自身的DRREP，则调整参数Y为原来的两倍，并返回步骤201 ; Td为DRREQ默认重发时间。
[0018] 步骤102,即岸基基站校准部分。岸基基站利用岸基基站定向天线动态校准算法， 以特定周期T1校准自身定向天线方向角0i，以此保证通信质量，其具体实现包括以下步 骤：
[0019] 步骤301 :岸基基站以特定周期T1WAIS岸台获取所服务船舶的AIS信息，并根据 t时刻获取的AIS信息中所包含的船舶航速Vs以及航向％不断估算t至t+I\时刻船舶的 实时位置坐标ShipT(shipTx,shipTy);
[0020] 步骤302 :当岸基基站检测到自身与所服务船舶的通信质量在t至丨+!\之间的某 -t2时刻明显下降的时候，岸基基站使用t时刻船舶的坐标，岸基基站坐标，t2时刻船舶的 坐标和三角形余弦公式计算出方向天线的临时偏向角91，并将自身天线原本的方向角Q1 调整至01+ 01; 0 1为t时刻岸基基站方向天线的实际方向角；
[0021] 步骤303 :当岸基基站检测到自身与所服务船舶的通信质量在经过步骤301和步 骤302调整过后有所提高，则返回步骤301，否则岸基基站处于等待模式，
[0022] 直到t+I\时刻，岸基基站获得最新的所服务船舶的AIS信息之后，返回步骤301。
[0023] 步骤103,即所服务船舶校准部分。所服务船舶根据自身航行轨迹，动态校准自身 定向天线方向角Q2，并根据岸基基站与自身的直线距离d以特定周期！^调整自身方向天 线的发射功率Ps，以此保证通信质量，节约自身能量，其具体实现方法如下：
[0024] 所服务船舶以特定周期T2实时从自身AIS终端提取自身位置坐标，并根据岸基 基站坐标和自身位置坐标，实时计算岸基基站相对于自身的极坐标BSpt (pt，at)，并根据 -at_T2 = 02 - 以特定周期1~2实时调整自身定向天线方向角0 2，同时根据岸基