無線自組網(wǎng)技術(shù)在航標上的應(yīng)用研究

張征

摘 要：本論文研究目的是為了解決海上航標數(shù)據(jù)的傳輸問題。對位于離岸較遠，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)，進行傳輸航標數(shù)據(jù)、實時圖片和視頻數(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)遙測遙控數(shù)據(jù)的輔助支撐，從而加強航標管理信息化，智能化，提供助航效能。

關(guān)鍵詞：航標 遙測遙控 無線自組網(wǎng)

1.產(chǎn)生背景

1.1航標狀態(tài)信息收集

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

1.2 航標遙測遙控系統(tǒng)應(yīng)用及局限性

航標遙測遙控系統(tǒng)主要由航標設(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燈的各種數(shù)據(jù)信息。航標管理部門以航標遙測遙控系統(tǒng)為平臺，建立航標設(shè)備運行信息數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)迅速確定航標設(shè)備故障，提高航標工作效率、降低航標運行維護費用、減輕勞動強度、促進航標管理現(xiàn)代化、提高航標服務(wù)質(zhì)量的總體目標。

1.3 高速無線專網(wǎng)解決方案

根據(jù)航標的廣域分布特征和所處環(huán)境特點，為航標構(gòu)建高速無線專網(wǎng)，每個航標上安裝通信終端，通信終端采用Wimax和無線航標子網(wǎng)技術(shù)，負責(zé)將采集的信息回傳到航標處。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)傳輸距離最遠可達50Km，Wimax具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點。Wimax技術(shù)起點較高，采用了代表未來通信技術(shù)發(fā)展方向的OFDM/ OFDMA、AAS、MIMO等先進技術(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展，Wimax逐步實現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的移動化。無線自組網(wǎng)是一種移動通信和計算機網(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算機網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機制，用戶終端是可以移動的便攜式終端，自組網(wǎng)中每個用戶端都兼有路由器和主機兩種功能，作為主機，終端需要運行各種面向用戶的應(yīng)用程序，作為路由器，終端需要運行相應(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)和路由維護工作。自組網(wǎng)路由協(xié)議的目標是快速、準確、高效，要求在盡可能短的時間內(nèi)查找到準確可用的路由信息，并能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的快速變化，同時減小引入額外時延和維護路由控制信息，降低路由協(xié)議開銷，以滿足移動計算能力，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)，只為航標信息系統(tǒng)服務(wù)，可以實時傳輸大量信息，不僅包括傳統(tǒng)的短消息、圖片，而且可以回傳實時視頻，實現(xiàn)全方位、無死角監(jiān)測，骨干網(wǎng)將各個無線寬帶自組子網(wǎng)連接起來，將信息回傳至航標處。

（2）高帶寬

Wimax和無線航標子網(wǎng)采用先進的物理層和鏈路層技術(shù)，帶寬高達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，非常適合固定岸標的大流量匯聚回傳，環(huán)境適應(yīng)性強，適合各個地形環(huán)境，工程部署快，時間短，運營成本低，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，無需付費租用營運商或通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，成本比傳統(tǒng)遙控遙測方案低。

（5）易擴展

構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)方便后續(xù)擴展，比如漁船、執(zhí)法船等安裝終端可接入該網(wǎng)絡(luò)，進行通信和查看海面實時情況，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，無人機攜帶該通信終端也可以接入該專網(wǎng)，進行高空遠程查看和監(jiān)視。

2.總體目標及性能指標

2.1 項目總體目標

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)航標的分布特征（會轉(zhuǎn)動的海面浮標和固定的岸標），將整個系統(tǒng)分為岸標骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)和海面航標子網(wǎng)，在航標上布設(shè)高清攝像頭和寬帶無線通信組網(wǎng)設(shè)備，岸標骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)支持大容量數(shù)據(jù)實時傳輸，擬采用微波互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，海面航標通過多跳傳輸構(gòu)成分布式子網(wǎng)，擬采用自組網(wǎng)技術(shù)。子網(wǎng)的實時視頻匯聚后通過骨干網(wǎng)絡(luò)實時回傳到航標處，系統(tǒng)支持視頻存儲、切換和遠程視頻回放。

根據(jù)應(yīng)用需求，本項目擬研發(fā)超寬帶廣域監(jiān)控骨干網(wǎng)絡(luò)與航標子網(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、岸標等。骨干網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬，遠距離，支持大數(shù)據(jù)量的傳輸?shù)忍攸c。

整個方案采用骨干網(wǎng)和航標子網(wǎng)配合的方式：

（1）將海上多個航標節(jié)點分割為多個子網(wǎng)，子網(wǎng)通過附近固定的高帶寬節(jié)點接入骨干網(wǎng)，固定節(jié)點如島嶼，燈塔，岸標等；

（2）島嶼燈塔通過骨干傳輸設(shè)備，遠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，不能同時支持所有節(jié)點的視頻傳輸，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距離的傳輸。

2.2 系統(tǒng)性能指標

航標骨干網(wǎng)：點對點傳輸距離不小于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；點對點傳輸性能為靜止時，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。

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

3.項目總體方案

3.1 設(shè)計原則

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)計三個方面降低終端功耗。

3.2 整體框圖

整機由核心處理板和射頻處理底板組成，其中核心組網(wǎng)模塊可實現(xiàn)小型化、低功耗的自組網(wǎng)通信。獨立的物理層、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的OFDM +BPSK，QPSK，QAM通信。自適應(yīng)信道估計、自適應(yīng)幀間保護間隔設(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，適應(yīng)用各種移動終端的設(shè)計。

（4）工作環(huán)境達到工業(yè)級標準，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個終端、5跳延時不大于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)。

參考文獻：

[1]王磊，丁燕.WIMAX技術(shù)在船舶交通通信中的應(yīng)用分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38（06）： 118-120.

[2]方杰.基于GPS和北斗衛(wèi)星的智能航標遙控遙測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國水運（下半月），2012， 12（09）：48-49+8.

[3]王如政. 航標遙測遙控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].大連海事大學(xué)，2007.

[4]王茜，王巖.無線城域網(wǎng)WiMAX技術(shù)及其應(yīng)用[J].電信科學(xué)，2004（08）：27-30.