無線自組網(wǎng)技術(shù)在航標(biāo)上的應(yīng)用研究

張征

摘 要：本論文研究目的是為了解決海上航標(biāo)數(shù)據(jù)的傳輸問題。對位于離岸較遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)較大的問題，本文給出解決方案。利用Wimax技術(shù)建設(shè)自有無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行傳輸航標(biāo)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)圖片和視頻數(shù)據(jù)，以及其他需要網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的快速傳輸。無線自組網(wǎng)的建設(shè)，是對傳統(tǒng)遙測遙控?cái)?shù)據(jù)的輔助支撐，從而加強(qiáng)航標(biāo)管理信息化，智能化，提供助航效能。

關(guān)鍵詞：航標(biāo) 遙測遙控 無線自組網(wǎng)

1.產(chǎn)生背景

1.1航標(biāo)狀態(tài)信息收集

航標(biāo)是一種船舶之外的裝置或系統(tǒng)，目的在于促進(jìn)船舶及船舶交通安全、有效的航行，是幫助引導(dǎo)船舶航行、定位和標(biāo)示礙航物與表示警告的人工標(biāo)志。航標(biāo)的維護(hù)巡檢是保證航標(biāo)正常工作的重要手段，航標(biāo)維護(hù)巡檢的主要任務(wù)包括對航標(biāo)結(jié)構(gòu)、能源、位置等進(jìn)行檢測。

1.2 航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)應(yīng)用及局限性

航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)主要由航標(biāo)設(shè)備采集終端、監(jiān)控中心服務(wù)器以及客戶端等三部分組成。數(shù)據(jù)采集終端站采集航標(biāo)燈的各種數(shù)據(jù)信息。航標(biāo)管理部門以航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)為平臺，建立航標(biāo)設(shè)備運(yùn)行信息數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)迅速確定航標(biāo)設(shè)備故障，提高航標(biāo)工作效率、降低航標(biāo)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、促進(jìn)航標(biāo)管理現(xiàn)代化、提高航標(biāo)服務(wù)質(zhì)量的總體目標(biāo)。

1.3 高速無線專網(wǎng)解決方案

根據(jù)航標(biāo)的廣域分布特征和所處環(huán)境特點(diǎn)，為航標(biāo)構(gòu)建高速無線專網(wǎng)，每個(gè)航標(biāo)上安裝通信終端，通信終端采用Wimax和無線航標(biāo)子網(wǎng)技術(shù)，負(fù)責(zé)將采集的信息回傳到航標(biāo)處。Wimax也叫802.16無線城域網(wǎng)，是一種寬帶無線接入技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，數(shù)據(jù)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50Km，Wimax具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點(diǎn)。Wimax技術(shù)起點(diǎn)較高，采用了代表未來通信技術(shù)發(fā)展方向的OFDM/ OFDMA、AAS、MIMO等先進(jìn)技術(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展，Wimax逐步實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的移動(dòng)化。無線自組網(wǎng)是一種移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的信息交換采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機(jī)制，用戶終端是可以移動(dòng)的便攜式終端，自組網(wǎng)中每個(gè)用戶端都兼有路由器和主機(jī)兩種功能，作為主機(jī)，終端需要運(yùn)行各種面向用戶的應(yīng)用程序，作為路由器，終端需要運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議，根據(jù)路由策略和路由表完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護(hù)工作。自組網(wǎng)路由協(xié)議的目標(biāo)是快速、準(zhǔn)確、高效，要求在盡可能短的時(shí)間內(nèi)查找到準(zhǔn)確可用的路由信息，并能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓瑫r(shí)減小引入額外時(shí)延和維護(hù)路由控制信息，降低路由協(xié)議開銷，以滿足移動(dòng)計(jì)算能力，儲存空間及電源等方面的限制。

（1）高速無線專網(wǎng)

構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)是高速專網(wǎng)，只為航標(biāo)信息系統(tǒng)服務(wù)，可以實(shí)時(shí)傳輸大量信息，不僅包括傳統(tǒng)的短消息、圖片，而且可以回傳實(shí)時(shí)視頻，實(shí)現(xiàn)全方位、無死角監(jiān)測，骨干網(wǎng)將各個(gè)無線寬帶自組子網(wǎng)連接起來，將信息回傳至航標(biāo)處。

（2）高帶寬

Wimax和無線航標(biāo)子網(wǎng)采用先進(jìn)的物理層和鏈路層技術(shù)，帶寬高達(dá)400M，可輕松承載大量采集信息的回傳。

（3）廣域覆蓋

Wimax為無線城域網(wǎng)，為廣域無線寬帶傳輸而設(shè)計(jì)，非常適合固定岸標(biāo)的大流量匯聚回傳，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合各個(gè)地形環(huán)境，工程部署快，時(shí)間短，運(yùn)營成本低，無需月租。

（4）低成本

構(gòu)建專網(wǎng)，一勞永逸解決通信傳輸問題，無需付費(fèi)租用營運(yùn)商或通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，成本比傳統(tǒng)遙控遙測方案低。

（5）易擴(kuò)展

構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)方便后續(xù)擴(kuò)展，比如漁船、執(zhí)法船等安裝終端可接入該網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行通信和查看海面實(shí)時(shí)情況，甚至可以接入互聯(lián)網(wǎng)，為漁船等海面船只提供娛樂休閑。同時(shí)，無人機(jī)攜帶該通信終端也可以接入該專網(wǎng)，進(jìn)行高空遠(yuǎn)程查看和監(jiān)視。

2.總體目標(biāo)及性能指標(biāo)

2.1 項(xiàng)目總體目標(biāo)

由于海域的廣域特征，且需要通過無線回傳多路視頻，根據(jù)航標(biāo)的分布特征（會轉(zhuǎn)動(dòng)的海面浮標(biāo)和固定的岸標(biāo)），將整個(gè)系統(tǒng)分為岸標(biāo)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)和海面航標(biāo)子網(wǎng)，在航標(biāo)上布設(shè)高清攝像頭和寬帶無線通信組網(wǎng)設(shè)備，岸標(biāo)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)支持大容量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，擬采用微波互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，海面航標(biāo)通過多跳傳輸構(gòu)成分布式子網(wǎng)，擬采用自組網(wǎng)技術(shù)。子網(wǎng)的實(shí)時(shí)視頻匯聚后通過骨干網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳到航標(biāo)處，系統(tǒng)支持視頻存儲、切換和遠(yuǎn)程視頻回放。

根據(jù)應(yīng)用需求，本項(xiàng)目擬研發(fā)超寬帶廣域監(jiān)控骨干網(wǎng)絡(luò)與航標(biāo)子網(wǎng)系統(tǒng)，其中無線骨干網(wǎng)主要支持骨干匯聚數(shù)據(jù)的傳輸，支持在固定地區(qū)鋪設(shè)，如海島，固定燈塔、岸標(biāo)等。骨干網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬，遠(yuǎn)距離，支持大數(shù)據(jù)量的傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。

整個(gè)方案采用骨干網(wǎng)和航標(biāo)子網(wǎng)配合的方式：

（1）將海上多個(gè)航標(biāo)節(jié)點(diǎn)分割為多個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)通過附近固定的高帶寬節(jié)點(diǎn)接入骨干網(wǎng)，固定節(jié)點(diǎn)如島嶼，燈塔，岸標(biāo)等；

（2）島嶼燈塔通過骨干傳輸設(shè)備，遠(yuǎn)距離接入到地面沿岸的無線骨干線路，并接入后方指揮。

（3）由于子網(wǎng)帶寬限制，不能同時(shí)支持所有節(jié)點(diǎn)的視頻傳輸，所以在應(yīng)用上需要采用輪詢的方式，骨干網(wǎng)帶寬有很大的富裕，可以同時(shí)傳輸不同子網(wǎng)的視頻。也可以考慮支持錄像的方式，通過遠(yuǎn)程回看，或是通過文件傳輸?shù)姆绞絹慝@取，該方式可以支持更遠(yuǎn)距離的傳輸。

2.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

航標(biāo)骨干網(wǎng)：點(diǎn)對點(diǎn)傳輸距離不小于20km；多跳吞吐量為15跳支持150Mbps；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大于256節(jié)點(diǎn)；點(diǎn)對點(diǎn)傳輸性能為靜止時(shí)，帶寬300～400 Mbps，延遲1 毫秒（150路x 2 Mbps的高清視頻）；安全級別為AES-256。

航標(biāo)子網(wǎng)：支持話音、數(shù)據(jù)、短信息等業(yè)務(wù)；點(diǎn)對點(diǎn)最大傳輸速率為≥10Mbps；支持5～6跳實(shí)時(shí)視頻；網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)為≥32個(gè)；通信距離為>10Mbps@2～3海里；發(fā)射功率為5W。

3.項(xiàng)目總體方案

3.1 設(shè)計(jì)原則

通信終端針對海上組網(wǎng)視頻監(jiān)控應(yīng)用，要求輕便、小型化、具有防水防腐蝕能力；需支持視頻業(yè)務(wù)，因此，數(shù)據(jù)傳輸速率較高；同時(shí)要改善通信傳輸距離，以便在海面環(huán)境使用。2330-2550MHz的信道用于對外部終端的IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，通過省電策略、節(jié)能的協(xié)議棧、低功耗電路設(shè)計(jì)三個(gè)方面降低終端功耗。

3.2 整體框圖

整機(jī)由核心處理板和射頻處理底板組成，其中核心組網(wǎng)模塊可實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗的自組網(wǎng)通信。獨(dú)立的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)可通過AT指令對模塊的通信及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行初始化和設(shè)置，適用于構(gòu)建終端設(shè)備的通信子系統(tǒng)。

核心小板功能支持：

（1）可配置的信道帶寬和增強(qiáng)的OFDM +BPSK，QPSK，QAM通信。自適應(yīng)信道估計(jì)、自適應(yīng)幀間保護(hù)間隔設(shè)置可有效提高系統(tǒng)抗多徑干擾的能力。

（2）單模塊集成寬帶系統(tǒng)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

（3）支持超低功耗待機(jī)，適應(yīng)用各種移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)。

（4）工作環(huán)境達(dá)到工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定可靠并可適應(yīng)多種應(yīng)用場景。

（5）單模塊小體積且支持AT指令控制，有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。

（6）數(shù)據(jù)鏈路層：內(nèi)建單信道/多信道MAC。

（7）網(wǎng)絡(luò)層：內(nèi)建基于IP的自組網(wǎng)協(xié)議，支持按需多跳路由協(xié)議或靜態(tài)路由協(xié)議。按需多跳路由組網(wǎng)規(guī)模不小于32個(gè)終端、5跳延時(shí)不大于10s。

（8）數(shù)據(jù)總線：支持多種總線接口， SDIO、UART、USB可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)速率的接口通信和控制指令、IP數(shù)據(jù)、視頻、語音等多種數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)。

（9）以太網(wǎng)口：支持TCP/IP協(xié)議及網(wǎng)關(guān)。

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