用于海洋船舶自组织网络场景的通信能力评估方法

《Ocean Engineering》：Communication capability evaluation method for ad hoc networking scenarios on marine vessels

　　

朱宇|徐永涛|韩斌|吴忠岱

上海海事大学商船学院，中国上海，201306

摘要

针对海上船舶自组织网络中由于设备异构性、拓扑结构高度动态以及海洋环境干扰复杂导致的通信可靠性问题，本文以链路存活时间为核心优化目标，提出了一种基于接收信号强度指示（RSSI）的精确通信能力评估方法。该方法包含三项关键创新：一种基于链路丢失模型的双向通信能力量化方法，通过构建有效的邻居域来消除伪链路；一个具有动态权重的综合评估指标，用于准确描述节点的中继潜力；以及一个融合了三种数据包丢失错误的实时链路状态评估模型，以实现实时动态链路评估。仿真结果表明，在最优配置下，实时链路状态评估的平均值为0.947，比传统距离机制高出82.5%；平均链路存活时间从81.144秒延长至382.312秒，增加了约3.7倍。通信稳定性显著提高，最优值为0.030。实时链路状态评估与实际链路寿命具有很强的正相关性。该方法有效解决了海上动态网络评估的难题，为路由优化和资源调度提供了关键技术支持，并在海上应急通信和船队协同管理中具有明确的应用价值。

引言

海洋覆盖了地球表面的71%，占全球货物贸易的90%以上（联合国贸易和发展会议，2024年；魏等人，2021年）。海上通信是确保航行安全、支持海洋经济和实现海上应急响应的核心基础设施。近年来，随着自主船舶导航和岸基远程控制技术的工业化，海上通信已成为智能船舶自主决策和多船协同操作的核心支持，对通信链路的实时性能、稳定性和可靠性提出了比传统航运场景更为严格的要求（夏等人，2020年；姚等人，2019年）。建立能够准确反映船舶间实际通信状态的评估系统，已成为确保智能船舶航行安全、提升岸基远程控制效果和推进智能海上运输系统发展的关键前提。

然而，海上自组织网络的固有特性给通信链路可靠性的评估带来了若干难以解决的行业挑战：首先，船上设备的高度异构性、拓扑结构的动态变化以及海洋环境的干扰导致链路状态出现动态波动（陈等人，2021年；乔和沈，2019年），这容易导致“伪链路”的产生，从而引发路由决策错误和通信中断（拉扎罗等人，2019年；段等人，2025年；胡等人，2025年）。其次，传统的评估方法仅关注节点本身的属性，无法准确描述节点在动态拓扑结构中的中继潜力，导致中继节点的选择效率低下（苏伦德拉南和维诺迪诺，2020年）；第三，主流的链路质量评估方法主要针对陆地场景设计，对于海洋环境来说严重不足，难以实现链路的实时精确量化（冈萨雷斯-马丁等人，2019年；王等人，2023年）。

近年来，自组织网络通信和智能运输系统的链路质量评估技术得到了广泛研究。这些研究成果为陆地车辆与万物（V2X）场景中的高可靠性通信提供了强有力的技术支持，机器学习方法在分析交通基础设施连通性和解决传输冲突方面也被证明是有效的（罗等人，2022年）。在海上背景下，智能船舶的自主导航和多船协同操作等技术的快速发展，对海上自组织网络的通信可靠性提出了更高的要求（周等人，2026年）。在分布式编队优化、低带宽场景下的通信机制设计以及随机数据包丢失下的网络稳定性控制等领域进行了大量研究（宁等人，2025年；黄等人，2026年），为海上自组织网络通信的优化提供了重要参考；高精度定位技术（通过多传感器融合）和自适应高速数据采集等基础技术的发展也为船舶节点的动态感知和链路数据采集提供了技术支持（王等人，2025年；周等人，2024年）。

总之，为了解决船上自组织网络通信评估的核心挑战，迫切需要一种适用于工程实践的轻量级评估方法。该方法应能够从源头上抑制伪链路，准确描述节点的中继潜力，评估通信链路的状态，并适应高度动态和复杂的海洋环境。

章节摘录

文献综述

评估海上自组织网络中的通信能力和链路质量对于确保网络可靠性和优化路由决策至关重要。相关研究在两个核心领域取得了显著成果：建模船舶间的通信链路和抑制伪链路，以及实时评估船舶通信状态。本文系统地回顾了相关研究的进展，以满足海上通信的需求

研究方法

为了系统地解决伪链路和海上通信链路实时评估这两个核心问题，本研究设计了一套逐步的技术路径。如图2所示，整个研究框架的最终目标是建立一种准确可靠的通信链路评估方法。其核心流程如下：

首先，本研究从构建一个准确的基本链路模型开始，旨在消除伪链路。

仿真实验验证

本文设计了系统的仿真实验来评估所提出方法的有效性和鲁棒性。仿真研究分为两类：小规模目标场景和大规模目标场景。

第一种目标场景仿真通过设计船舶节点的位置和通信参数来直观验证该方法的有效性，但其结论的普遍性可能受到限制。

结论

本研究解决了由于船上自组织网络设备的变化、高度动态的拓扑结构和海洋环境中的复杂干扰所带来的通信可靠性评估挑战。本文构建了一个以RSSI为核心输入的三层船舶通信能力评估系统，包括“双向邻居域构建—节点中继潜力评估—实时链路状态量化”。通过系统的仿真实验，

CRediT作者贡献声明

朱宇：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论构建、概念化。徐永涛：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念化。韩斌：撰写——审稿与编辑、方法论构建、资金获取。吴忠岱：监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。