无线网络技术在船舶导航系统中的应用研究

摘要

随着我国对船舶导航系统性能要求的不断提高,传统的船舶以太网通讯技术已经不能满足导航设备数据传输多样性和可靠性的需要。在船舶导航系统数据传输线路损坏或者不希望大规模布线的情况下,期望能通过其他方式实现船舶网络的正常连接和数据的可靠传输。随着IEEE802.11设备的涌现,无线局域网技术在过去十年经历了空前的发展。基于IEEE802.11g标准的无线终端设备广泛应用于各行各业中,但是由于无线信道的开放性,一些军事机构和商业用户都对产品望而却步。本文以船舶导航系统为背景、以无线局域网技术为基础,深入研究了无线局域网技术应用在船舶导航系统中的可行性、可靠性和安全性。
　　首先系统的介绍了无线局域网的相关技术,主要包括无线局域网的组成、标准、物理层原理、干扰类型和无线网卡的分类。研究了WEP、WPA和IEEE802.11i三种无线安全加密标准的工作原理和安全隐患。主要内容有:WEP协议的工作原理,分析了RC4加密算法和初始化向量IV存在的安全隐患;TKIP和CCMP协议的关键技术和工作原理,分析了TKIP和CCMP的安全性。采用基于高级加密标准AES的CCMP协议作为船舶导航系统数据传输的加密方法,并对各种加密机制进行网络吞吐量测试。测试结果表明采用基于高级加密标准AES的CCMP协议不仅保证了船舶导航系统数据的安全传输,同时又满足船舶导航系统对数据传输实时性的要求。
　　其次研究了基于IEEE802.11g标准的无线局域网物理层原理,对基于802.11g的OFDM系统进行建模和MATLAB仿真。仿真结果不仅分析了系统在不同调制方式下的误比特率性能,还证明了系统具有很强的抗多径干扰能力。通过研究得知无线局域网与船舶导航系统之间信号干扰不大的情况下,为了满足船舶导航系统在不同环境下的工作需求,给出了两种船舶导航系统的无线局域网设计方案。
　　最后研究了VxWorks下的网络设备驱动,详细设计了无线网卡驱动模块的整个流程,包括PCI无线网卡的初始化、无线网卡驱动程序的加载、数据帧的接收和发送。在此基础上从网卡配置、网卡检测、网卡切换三个方面设计了导航系统的双网卡冗余切换,提高了系统的可靠性。在实验室搭建测试环境,对系统进行测试。测试结果表明本论文设计的船舶导航系统无线数据传输方案性能良好,满足了系统对可靠性和实时性的要求。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的和意义

1.2 国内外研究动态

1.3 论文的研究内容与章节安排

第2章 无线局域网的相关技术

2.1 无线局域网的组成原理

2.2 无线局域网802.11系列标准

2.3 无线局域网物理层原理与技术

2.4 无线通信中的干扰类型

2.5 无线网卡的分类与选取

2.6 本章小结

第3章 船舶导航系统无线安全协议的研究

3.1 WEP协议的安全性研究

3.2 过渡安全协议WPA

3.3 船舶导航系统安全加密方案设计

3.4 本章小结

第4章 WLAN在船舶导航设备干扰下性能研究

4.1 船舶导航系统的无线局域网设计

4.2 基于OFDM的802.11系统

4.3 仿真结果分析

4.4 本章小结

第5章 VxWorks下无线网卡驱动和双网卡冗余切换设计

5.1 VxWorks下网络设备驱动

5.2 驱动模块的设计与实现

5.3 船舶导航系统双网卡冗余切换设计

5.4 无线网络的性能测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢