一種新型海上無線集成網絡的研究與實現

劉豐華，孔祥海

(1.順德職業技術學院電子信息工程學院，廣東 佛山528300;2.國網湖北省電力公司技術培訓中心，湖北 武漢430011)

0 引 言

隨著航運業和漁業的發展，越來越多的船舶需要高效可靠的海上通信方式，同時越來越多的新興技術，如電子地圖、實時通信、流媒體等，被應用于船舶和航運領域，為了滿足海上通信用戶和服務提出的新需求，必須具備有效的無線通信手段。然而由于自然條件的限制，海洋通信領域還未出現成熟的通信網絡，僅僅依靠各種獨立的通信設備，實現“艦艦”和“艦岸”之間的通信。當前船舶常用的通信手段有單邊帶短波通信(SSB)、甚高頻通信(VHF)、調頻通信(FM)、蜂窩移動通信和衛星通信等。其中蜂窩移動通信主要采用CDMA、WCDMA等通信方式，由于陸基基站的覆蓋面積有限，因而主要實現的是近海通信;調頻通信的傳輸距離較短，主要應用于“艦艦”通信，且較易受到干擾;相較于前2 種通信方式，甚高頻通信的通信距離較長，能夠達到20 n mile 左右，能夠實現一定范圍內的“艦艦”通信和“岸艦”通信，是當前使用較多的通信方式之一;單邊帶短波通信通過電離層反射信號，能夠實現長距離的通信，然而在通信過程中存在盲區，并容易受到干擾，因而通信效率較低;衛星通信是能夠實現遠距離通信的手段之一，并具有較好的可靠性，然而衛星通信設備十分昂貴，且通信費用高昂，難以實現廣泛和長時間的應用［1］。綜上所述，當今的各種通信方式，無法提供給船舶一種經濟、可靠、有效的通信方式。

本文針對以上問題，提出了一種新型的海上無線集成網絡，該集成網絡包含了多種無線異構網絡，通過多種網絡的覆蓋解決了不同距離和不同情境下，“艦艦”通信和“岸艦”通信的問題。并設計了相應的網絡選擇算法，實現各種網絡的智能選擇和垂直切換。

1 無線集成網絡的功能描述

海上無線集成通信網絡包含了多種通信方式和網絡，如船舶移動自組網、蜂窩通信網、衛星通信網等。在近海海域進行岸艦通信時，采用基于CDMA 的3G 或基于LTE 的4G 移動通信網，該通信方式具有帶寬大速率高的特點，一方面能夠實現語音/視頻實時通信、GIS 信息交換、導航等復雜功能，另一方面能夠有效降低通信的成本;在遠海海域進行岸艦通信時，則采用衛星通信，保證通信過程的可靠性;在兩船相距較近或艦隊通信的情況下，采用移動自組網［2］的方式實現“艦艦”通信，同時衛星通信也是“艦艦”通信方式的有效補充。

通過在船舶上部署具有多種網絡適配功能的集成網關，實際上實現了一種海上的無線異構覆蓋網絡，該網絡涵蓋了不同距離和情境下，船舶的通信要求。集成網絡的基本框架如圖1 所示。

圖1 無線集成網絡基本框架Fig.1 Architecture of the integrated wireless network

實現船舶之間的通信，當前采用的主要手段是甚高頻通信、中頻通信和船舶無線自組網。其中甚高頻通信和中頻通信，通信效率較低，且組網難度大，難以滿足船舶之間高效、靈活的通信需求;利用802.11 s 實現船舶移動自組網，是當前的研究熱點之一。這種組網方式具有靈活性好、自動化高的特點，其缺點是覆蓋范圍較小，在距離較近的艦隊之間可以實現，卻無法適應距離較遠船舶之間的通信［3-4］。針對以上問題，本文采用WiMAX 實現船舶之間的通信，WiMAX 采用802.16 標準，和802.11 類似，能夠提供較大的帶寬和高速率的數據通信，其能夠支持數十公里的通信范圍，并能夠支持多種上層應用，雖然較802.11 來說，移動性有所降低，但能夠滿足在海上通信環境的相關要求。

在近海岸艦通信過程中，通常采用2G 或3G 通信方式，這種通信方式依靠岸基基站，覆蓋范圍較廣，能夠滿足近海海域船舶的通信需求。然而，隨著LTE 的發展，4G 通信逐漸獲得了越來越廣泛的應用，因而在本文提出的岸艦通信網絡中，采用CDMA 和LTE 作為岸艦通信的方式，其相較于其他蜂窩移動通信技術來講，首先，這種方法具有更大的帶寬和更好的通信速率;其次，其能夠覆蓋更大的通信范圍;最后，其與WiMAX 均能夠支持IP 數據通信，因而可以實現與“艦艦”通信網的無縫連接。

實現較遠距離的海上通信，仍然需要借助衛星通信技術，因而衛星通信技術是前2 種通信技術的補充，同時也是本文提出的無線集成網絡的基礎。

陸基網關是指陸地之上的無線接入網關，其作用是將岸艦通信中使用的4G 網、衛星通信網連接起來，并接入主干通信網。通過衛星和陸基網關，用戶可以使用陸上移動電話與海上衛星終端進行通信。

海基網關是指在船舶上使用的網關，其主要功能是實現船舶自組網的接入和組網，以及岸艦蜂窩通信網、衛星通信網的接入。海基網關能夠將3 種不同的網絡聯結在一起，并通過網絡選擇與切換機制，實現不同網絡間的垂直切換。

2 無線集成網絡網關設計

在本文提出的無線集成網絡中，陸基網關和海基網關是整個系統的關鍵，它們負責將不同的網絡結合在一起，并通過其內部機制選擇合適的網絡，并完成各種網絡之間的垂直切換。

2.1 海基網關設計

海基網關根據其實現的功能和需求，其應當具備2 個主要功能，首先，具備WiMAX、CDMA/LTE 和衛星的信號接收和發送模塊，并提供相應的接口，實現各個網絡的連接;其次，其必須有相應的CPU 及軟件算法，實現智能化和自動化的網絡選擇算法。

海基網關的基本結構框架如圖2 所示。

圖2 海基網關結構圖Fig.2 Structure of ship-based gateway

如圖2 所示，3 種不同網絡的終端設備，分別通過各自的接口與系統I/O 相連，其中Ci 接口是3G/4G 的空中接口，當前3G/4G 的空中接口由3GPP 制定，已經比較成熟，并且已經得到商用;Si接口是為衛星通信接口，當前對于衛星接口的研究成果較多，如GEO、RSM_ A 等衛星網接口等，已經得到了廣泛的使用;Wi 接口是WiMAX 的空中接口，該接口由IEEE 制定，其實用時間較短，部分功能仍在改進之中。當前的部分智能手機已經能夠支持3G 和WiMAX 數據傳輸功能，而支持3G 和衛星通信的終端設備種類更多［5］，因而海基網關設備擁有較低的使用和購買成本。

網絡選擇模塊是網關的核心模塊，其包含2 個功能:首先，測度各個通信網絡的信號強度，監測各個網絡的當前狀態;其次，根據各個網絡的信號強度和狀態，判斷當前情境下應當選擇的網絡，并控制系統進行網絡切換。對于如何實現網絡的自動選擇，將在下一節中進行詳細描述。系統I/O 模塊是連接通信系統核心部分與接收部分的接口。

2.2 陸基網關設計

陸基網關主要應用在陸地之上，與海基網關相比，其不同之處在于:首先，陸基網關主要完成的是陸地3G/4G 網與衛星通信網的融合，無WiMAX網絡;其次，陸基網關主要面對的是3G/4G 基站或衛星地面站，因而移動性要求不高。其基本框架與海基網關類似，如圖3 所示。

圖3 陸基網關結構圖Fig.3 Structure of land-based gateway

3G 網絡與衛星通信網的連接標準，已由3GPP制定并發布，稱之為S-UMTS (衛星-統一移動電話網絡)［6］。陸基網關提供了衛星網絡與UMTS 的接口，以及3G/4G 網絡與UMTS 的接口。UMTS 核心網具有2 個接入網:UMTS 地面信號接入網(UTRAN)和UMTS 衛星信號接入網 (USRAN)，不同終端的信號通過相應的接口，接入不同的接入網。網絡選擇模塊與接口的功能描述與海基網關類似。

3 網絡選擇算法設計

本文提出的無線集成網絡中，提供了多種通信方式以供選擇，在實際應用過程中，需要根據當前船舶所處的位置，以及通信的對象，選擇采用何種通信路徑或網絡進行通信。為了實現高效率、自動化的通信，該選擇過程不應有人工干預，而應當由系統自動完成，并保證不同網絡間的平滑切換，因此，需要設計相應的網絡選擇算法。

異構網絡的選擇方法及代價函數是當前的研究熱點，在此首先引入代價函數:

代價函數量化地判斷某個網絡的使用效能，然而如何確定當前條件下，需要判斷的網絡，則需要設計相應的算法，實現網絡的篩選。算法的基本邏輯是:首先判斷呼叫對象和自身所處的位置，然后根據具體的情形，考察當前可用的網絡，最后利用代價函數判斷哪個網絡的效能最高。則具體的網絡選擇算法流程圖如圖4 所示。

圖4 網絡選擇算法流程圖Fig.4 The flow chart of network selection algorithm

該算法首先判斷呼叫對象所處的位置，如果在海上，則依次對移動自組網和3G/4G 網絡進行考察，若無法使用，或者代價函數較大時，則采用衛星通信;若呼叫對象在陸地，則考察3G/4G 網絡，若其代價函數較大，則采用衛星通信。

4 結 語

本文分析了當前海上通信的需求，以及當前各種通信手段的優缺點，結合當今通信技術發展的潮流，提出了一種新型的海上無線集成網絡，該網絡能夠將WiMAX 移動自組網、CDMA/LTE 網絡、衛星通信網聯結在一起，向海上用戶提供較為完備的“岸艦”、“艦艦”通信解決方案。本文給出了該無線集成網絡的基本框架，并對網絡中的主要功能進行描述，對關鍵部件陸基和海基網關進行了設計，最后引入了網絡選擇的代價函數，并在此基礎上設計了網絡選擇算法，實現了不同通信手段和網絡之間的垂直切換，從而使本文提出的方法具備了一定的實用性。

［1］JOHN H.Inmarsat web site［EB/OL］.http://www.inmarsat.com/.

［2］BLUM J J，ESKANDARIAN A，HOFFMAN L J.Challenges of inter vehicle Ad Hoc Networks［J］.IEEE Trans.on ITS，2004(5):347 -351.

［3］AKYILDIZ I F，WANG Xu-dong，WANG Wei-lin.Wireless mesh networks:a survey computer networks［J］. IEEE Trans.on ITS，2005(5):445 -487.

［4］IEEE，Draft amendment ESS mesh networking［R］. IEEE P802.11s，Draft 4.0，2009.

［5］KANE B. Inmarsat fleet broad band web site［EB/OL］.http://www.inmarsat.com/Services/Maritime/FleetBroadband/

［6］ETSI TR 101 865 v1.2.1，Satellite component of UMTS/IMT - 2000:General aspects and principles［R］. 2002-09.

［7］3rd Generation Partnership Project，TS 23.228，IP Multimedia Subsystem(IMS)［R］.2009.12.

［8］VICTOR Y H K，RAHIM T，BARRY G.Performance analysis of session initiation protocol based call set-up over satellite-UMTS network［J］. Computer Communications，2005(28):1416 -1427.