船舶無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)智能傳輸研究

許文杰

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引 言

隨著信息技術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)與自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化、智能化的新型工業(yè)時(shí)代已然到來，船舶自動(dòng)化系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必須積極應(yīng)對(duì)并落實(shí)應(yīng)用技能調(diào)整，以5G無線傳輸技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，逐步帶動(dòng)信息化設(shè)計(jì)向智能模式轉(zhuǎn)變[1]?，F(xiàn)階段，以5G新基建為代表，大力實(shí)施“5G+”為主體地位的船舶自動(dòng)化控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和新型數(shù)據(jù)傳輸模式，逐步加快智聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈以及TI與商業(yè)智能（Bussiness Intelligence，BI）等新型產(chǎn)業(yè)模式建設(shè)，引領(lǐng)智慧船舶自主式無人化創(chuàng)新發(fā)展的方向?？紤]到無線信息傳輸架構(gòu)的使用會(huì)極大降低船舶內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)難度，施工周期會(huì)明顯縮短，其實(shí)際施工建設(shè)價(jià)格只有原信息通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式的1/5[2]。船舶無線通信系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性高、搭建組網(wǎng)簡(jiǎn)單，為了有效構(gòu)建覆蓋全船、穩(wěn)定可靠且持續(xù)性好的無線傳輸系統(tǒng)，需要重點(diǎn)考慮通信架構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸問題?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在信道分析、環(huán)境要素、頻率選擇以及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)等方面，需提出極具針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案思路和解決方法。

1 船舶信息通信無線覆蓋的基礎(chǔ)架構(gòu)

1.1 無線+有線混合組網(wǎng)

作為船舶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的接入網(wǎng)，無線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)主要采用的是基站建設(shè)為主，基站與多類節(jié)點(diǎn)組成一對(duì)多、多對(duì)多的網(wǎng)狀傳輸網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)傳感器采集的所有數(shù)據(jù)均會(huì)通過信道傳輸至基站，并用來進(jìn)行下一步處理。此外，作為船舶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的核心網(wǎng)更多采用常用的有線傳輸機(jī)制，由服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心以及交換機(jī)等設(shè)備組成，是船舶信息通信和數(shù)據(jù)傳遞的主要媒介。通常情況下，以系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的核心節(jié)點(diǎn)網(wǎng)（局域網(wǎng)）作為船舶通信的主干網(wǎng)使用，而接入網(wǎng)主要是以無線傳輸為協(xié)議的備用網(wǎng)絡(luò)使用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。構(gòu)建此類混合式的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，能夠有效通過節(jié)點(diǎn)式的布置與交換式的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)通信的全覆蓋。

圖1 船舶網(wǎng)絡(luò)通信的混合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)?/p>

1.2 船舶全覆蓋式的無線傳輸協(xié)議

要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的船舶無線通信，首先應(yīng)搭建由大量固定式或可移動(dòng)傳感器組成的數(shù)據(jù)網(wǎng)，依托于網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)采集和路由分發(fā)的基礎(chǔ)模式，實(shí)現(xiàn)多路傳感器之間的分布式接力通信，從而高效實(shí)現(xiàn)船舶內(nèi)部全網(wǎng)絡(luò)覆蓋，即Mesh網(wǎng)絡(luò)[4]。從中可以看出，整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的有效信息傳輸，同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)完成多條有效路徑的數(shù)據(jù)傳輸，解決隨時(shí)可能出現(xiàn)的意外情況。

2 船舶無線通信信號(hào)的傳播特異性

實(shí)現(xiàn)船舶無線通信的技術(shù)難點(diǎn)主要包括有效工作頻率和穩(wěn)定傳輸帶寬兩個(gè)方面，為了解決難點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定信號(hào)全覆蓋，需要從無線通信的特點(diǎn)出發(fā)，研究基于船舶內(nèi)部環(huán)境的信號(hào)傳播特性。

2.1 選擇有效工作頻率

由于船舶的尺寸導(dǎo)致有效活動(dòng)范圍有限，基本無須考慮由傳輸信道的影響導(dǎo)致的信號(hào)衰減或信號(hào)丟失等情況，即信號(hào)的不穩(wěn)定性主要是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和金屬制物擾亂電磁波傳輸造成的。信號(hào)傳播過程中，一旦遇到遮擋物則通常會(huì)選擇繞射，基本無法實(shí)現(xiàn)直線穿過，這就需要重點(diǎn)結(jié)合信號(hào)工作頻率進(jìn)行綜合考慮。對(duì)于低頻信號(hào)而言，繞射能力更強(qiáng)，反之高頻信號(hào)具備更強(qiáng)的穿透能力。此外，考慮到船舶內(nèi)部存在大量的金屬制物，而通信信號(hào)無法有效穿透金屬類遮擋物，因此在確保滿足信道帶寬使用的前提下，選擇低頻信號(hào)更為適合，本文采用的頻率范圍為60 ～ 300 MHz。

2.2 基于內(nèi)部環(huán)境的特性分析

為了進(jìn)一步研究工作頻率、帶寬與信號(hào)傳輸能力的關(guān)聯(lián)度，選擇適合的基站和傳感器安置點(diǎn)位是非常重要的?？紤]到船舶內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜度，實(shí)測(cè)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)是較好的研究方法。這里設(shè)置信號(hào)頻率為210 MHz，分別設(shè)置多部發(fā)射/接收傳感器[5]。以遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）協(xié)議為基礎(chǔ)，通過自主開發(fā)的信息采集點(diǎn)布陣方法持續(xù)搜集信號(hào)接收區(qū)內(nèi)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)。發(fā)射裝置集中布設(shè)在底層A點(diǎn)周邊，接收機(jī)主要設(shè)計(jì)在集控室附近，間隔1 m安裝1部，共計(jì)50個(gè)采集/接收點(diǎn)，采取線性與環(huán)形布陣。

通過測(cè)量信號(hào)功率可以得知，距離并不會(huì)明顯影響信號(hào)接收端場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)據(jù)值，即距離并不是主要因素，僅作為一個(gè)可變條件。真正影響接收端信號(hào)接收功率大小的是內(nèi)部環(huán)境的結(jié)構(gòu)和金屬制物對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。例如，?1號(hào)接收傳感器的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)明顯下降至-35 dBm，這是由于該傳感器構(gòu)設(shè)在煙囪下方，信號(hào)感知能力弱。此外，第46號(hào)接收傳感器也呈現(xiàn)出較為明顯的信號(hào)接收不穩(wěn)定現(xiàn)象，這是因?yàn)樵搨鞲衅魑挥诹⒅蠓?，信?hào)在船舶內(nèi)部遇到較大遮擋物時(shí)繞射能力不足所導(dǎo)致?；诖?，通過實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)得到校驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法能夠更加合理設(shè)計(jì)基站和分布式點(diǎn)位，從而使得無線傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠有效工作，且持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮功效[6]。

3 船舶無線通信數(shù)據(jù)智能傳輸

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)模式，即信號(hào)感知設(shè)計(jì)主從兩路反饋，并按照時(shí)序進(jìn)行任務(wù)排序[7]。

通常情況下，基站數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器在接收岸上發(fā)出的信息，需要進(jìn)行制式判定。如果是短報(bào)文則不需回復(fù)，如果是通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）則需要及時(shí)根據(jù)要求回復(fù)重要信息。

數(shù)據(jù)中心收到數(shù)據(jù)中含有待反饋的數(shù)據(jù)幀時(shí)，會(huì)第一時(shí)間做出響應(yīng)。一旦遇到突發(fā)情況，若服務(wù)終端沒有做出及時(shí)響應(yīng)，則系統(tǒng)會(huì)智能設(shè)置延遲，允許按任務(wù)計(jì)劃進(jìn)行新一輪反饋[8]。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸與接收

數(shù)據(jù)傳輸/接收的同步性、一致性主要體現(xiàn)在導(dǎo)航的信息時(shí)鐘，即北斗數(shù)據(jù)。本文采取基于異步串行的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)船舶內(nèi)部數(shù)據(jù)交互。首先利用移動(dòng)交換中心（Mobile Switching Center，MSC）串口程序搭建基于NMEA-0183通信協(xié)議的異步通信模式，重點(diǎn)對(duì)船舶數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芑M(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。通過數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的采集識(shí)別，在傳輸進(jìn)行中可以根據(jù)需要加入識(shí)別機(jī)制，即通過MSC控件變更數(shù)據(jù)屬性，此時(shí)接收端可以自動(dòng)完成匹配信號(hào)、二次識(shí)別和處理等，如圖2所示。此時(shí)信道傳輸因子受到電磁環(huán)境、信號(hào)發(fā)射角度以及電磁輻射功率的影響，取值為[0.32,0.4]，終端適配器單位（Terminal Adapter Unit，TAU）、輸出端信噪比出現(xiàn)了較明顯的隨機(jī)性，即調(diào)整傳輸角度不足會(huì)影響輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，使得信號(hào)顯得雜亂無章，需要進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)設(shè)置。

圖2 信號(hào)傳輸與接收端數(shù)據(jù)識(shí)別的信號(hào)圖

3.3 數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方法

考慮到數(shù)據(jù)傳輸與接收過程中船舶環(huán)境、電磁干擾以及類似海雜波等因素的影響，為了滿足輸出信號(hào)的可辨識(shí)度要求，通常會(huì)在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置濾波[10]。圖3給出了濾波后的輸出信號(hào)，可以明顯看出，經(jīng)過噪聲干擾消除后信道傳輸因子取值接近0，輸出信號(hào)功率能夠達(dá)到峰值，即更能滿足數(shù)據(jù)提取的要求，有效改善通信質(zhì)量。

圖3 前置濾波后的輸出信號(hào)

4 結(jié) 論

基于船舶的實(shí)際環(huán)境和通信協(xié)議的基本原則，通過實(shí)測(cè)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的方法對(duì)基站和節(jié)點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，搭建了有效的信息通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即分布式Mesh網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上分析了基于MSC通信機(jī)制的智能數(shù)據(jù)傳輸模式的可行性，實(shí)踐表明無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能夠有效滿足信息通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定高效，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。