基于北斗短報文與4G的內(nèi)河船載智能終端船岸通信技術(shù)

金華標(biāo)，肖驍

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

隨著船岸一體化的逐步發(fā)展，船岸通信成為船舶現(xiàn)代化管理的重要內(nèi)容[1-2]。目前，船岸數(shù)據(jù)傳輸方法主要有甚高頻(VHF)Telenor系統(tǒng)、船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)、移動網(wǎng)絡(luò)通信和衛(wèi)星通信[3]等方法。已有的研究對船岸通信方式進(jìn)行了極大的改善[4-7]，但實(shí)際中仍有部分內(nèi)河流域存在4G信號覆蓋盲區(qū)，尤其位于山區(qū)航道的4G信號覆蓋盲區(qū)，導(dǎo)致內(nèi)河船舶通信應(yīng)用受到限制、關(guān)鍵時刻可能沒有信號。為改善這些實(shí)際情況，同時積極實(shí)施國家的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展戰(zhàn)略，考慮利用4G通信穩(wěn)定、覆蓋范圍廣泛的優(yōu)勢與北斗短報文可在無4G信號覆蓋情況下發(fā)送重要信息[8]的功能特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)河船舶航行過程中通信的連續(xù)性，保障航行的安全。在內(nèi)河船舶發(fā)生危險時，使岸基能夠迅速定位、組織施救，提高救援效率。

1 總體方案設(shè)計

方案以降低我國部分內(nèi)河流域中4G信號覆蓋盲區(qū)對內(nèi)河船舶通信的影響為中心，主要服務(wù)于內(nèi)河船舶、內(nèi)河航運(yùn)企業(yè)，以及內(nèi)河航運(yùn)監(jiān)管部門，構(gòu)建以4G通信為主，北斗短報文通信為輔的綜合信息服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)河船舶的連續(xù)性通信。

內(nèi)河船載智能終端具備識別船只、簡化信息交流、獲取航行數(shù)據(jù)等船載終端基本的功能外，還具備4G信號強(qiáng)度檢測、通信方式選擇切換等功能。設(shè)備硬件主要包括4G信號檢測模塊、4G通信模塊、北斗短報文模塊、語音模塊、主控模塊、北斗天線、4G天線，以及供電電源模塊等。總體方案設(shè)計見圖1。

圖1 總體方案設(shè)計

通過對4G通信模塊軟件流程、北斗短報文通信模塊軟件流程以及通信切換程序流程的設(shè)計，內(nèi)河船載終端可根據(jù)4G信號的強(qiáng)度，對通信方式進(jìn)行切換選擇。目前，大多數(shù)切換判決算法是基于RSRP或參考信號接收質(zhì)量RSRQ[9]。4G信號檢測模塊以LTE網(wǎng)絡(luò)中可以代表無線信號強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)RSRP作為參考標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)定RSRP=-100 dBm作為4G信號強(qiáng)度的閾值，判斷在內(nèi)河船舶航行區(qū)域內(nèi)的4G信號強(qiáng)度。內(nèi)河船舶處于4G信號覆蓋區(qū)時，通過4G網(wǎng)絡(luò)與岸基管理平臺進(jìn)行信息交互；內(nèi)河船舶處于4G信號盲區(qū)時，通過北斗短報文通信對岸基進(jìn)行信息的傳輸、接收來自岸基的信息。岸基管理平臺在解析傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后可通過電腦等終端進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時監(jiān)控。

2 4G通信模塊選型及軟件設(shè)計

2.1 4G通信模塊選型及設(shè)計

4G通信技術(shù)已趨于成熟、穩(wěn)定，應(yīng)用更加廣泛，與傳統(tǒng)的AIS系統(tǒng)通信相比傳輸速度更快，兼容性更好，且可實(shí)現(xiàn)無縫連接、存儲容量更大，保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時性、可靠性。4G通信模塊以單片機(jī)STM32F407VET6作為主控模塊的核心，以EC20 R2.1 Mini PCIe為通信渠道，通過4G網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。4G通信模塊設(shè)計見圖2。

圖2 4G通信模塊設(shè)計

EC20 R2.1 Mini PCIe作為一款支持 PCI Express Mini Card 標(biāo)準(zhǔn)接口的LTE模塊，采用LTE 3GPP Rel.11技術(shù)，支持最大下行速率150 Mbps和最大上行速率50 Mbps，具有傳輸速率快的特點(diǎn)，在通信信號正常情況下，能夠快速的將信息發(fā)送出去。EC20 R2.1 Mini PCIe還具備支持多路輸入輸出技術(shù)(MIMO)的特點(diǎn)，在接收端可以使用多個接收天線，使信號通過接收端的多個天線進(jìn)行接收，從而降低誤碼率，改善通信質(zhì)量。SD卡具備在內(nèi)河船舶處于4G信號盲區(qū)或者4G信號通信受阻的情況下，將數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時性儲存的功能。

2.2 4G通信模塊軟件流程設(shè)計

當(dāng)由4G信號檢測裝置檢測得到的RSRP≥-100 dBm時，內(nèi)河船舶處于4G信號覆蓋區(qū)。內(nèi)河船舶航行的經(jīng)緯度、航速、載客量等的各種數(shù)據(jù)信息，通過EC20串口傳遞到EC20 R2.1 Mini PCIe，由4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至岸基管理平臺，岸基管理平臺通過電腦等終端進(jìn)行觀測，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時監(jiān)控；當(dāng)RSRP<-100 dBm時，EC20串口無法對信息進(jìn)行傳遞，SD卡將數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時性儲存，通信方式由4G通信切換為北斗短報文通信。4G通信模塊軟件流程見圖3。

圖3 4G通信模塊軟件流程

3 4G信號強(qiáng)度檢測模塊與通信方式切換

3.1 4G信號強(qiáng)度檢測模塊以及算法處理

4G信號強(qiáng)度檢測模塊以DSP芯片作為數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，來快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。在接收4G信號后，DSP芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行RSRP測量算法處理[10]，使船載終端實(shí)時檢測內(nèi)河船舶航行過程中流域內(nèi)的4G信號強(qiáng)度，保證4G信號檢測的實(shí)時性與準(zhǔn)確性。

在下行傳輸方式的時頻資源圖中，橫坐標(biāo)為時域，每個小格代表1個正交頻分復(fù)用OFDM符號長度；縱坐標(biāo)為頻域，每個小格代表1個子載波的寬度，每個小方格代表1個無線資源的最小元素RE的時頻資源[11]。每12個子載波有1個時隙資源，1個時隙對應(yīng)7個OFDM符號。根據(jù)在LTE移動通信中，發(fā)送端和接收端的資源粒子的對應(yīng)關(guān)系為Y=HX+N[12]，可列出：

Yn(k)=Hn(k)×Xn(k)+Nn(k)

(1)

式中：n為每頻域OFDM符號個數(shù)序號；k為1～K的整數(shù)序號；K為頻域上導(dǎo)頻時頻資源個數(shù)；Yn(k)為接收信號；Hn(k)為在時頻資源位置上信道響應(yīng)系數(shù)；Xn(k)為發(fā)射信息；Nn(k)為接收端接受到的噪聲與干擾。

(2)

計算信號與噪聲的平均功率：

(3)

式中：a為一個時隙資源中OFDM符號個數(shù)。

計算噪聲功率：

總之，在冬小麥全生長發(fā)育期內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)上述災(zāi)害時，都會造成冬小麥由于品質(zhì)下降而減產(chǎn)；嚴(yán)重的春夏連旱、冬春夏三季連旱、乳熟期出現(xiàn)的冰雹、暴雨洪澇災(zāi)害等，使冬小麥成災(zāi)8成以上或者絕收，導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)。

(4)

(5)

計算對應(yīng)RSRP值：

RSRP=PT-PN

(6)

3.2 通信方式切換程序流程設(shè)計

EC20串口的電平為1.8 V，不能直接與單片機(jī)3.3 V的串口通訊，如果不加入電平轉(zhuǎn)換電路，容易出現(xiàn)信號無法匹配、信息數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)葐栴}。采取通過對電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)施控制的方法來實(shí)現(xiàn)對通信方式切換的控制。當(dāng)檢測到RSRP<-100 dBm時，控制器斷開串口和電平轉(zhuǎn)換電路之間的連接，使信息無法通過4G通信模塊進(jìn)行傳輸，并伴隨語音提醒。在確認(rèn)后切換為北斗短報文模塊，保證內(nèi)河船舶航行過程中信息的無間斷。具體流程見圖4。

圖4 通信方式切換程序流程設(shè)計

4 北斗短報文模塊通信選型及軟件設(shè)計

4.1 北斗短報文模塊選型

選用ATK-S1216F8-BD模塊作為北斗短報文通信模塊。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊是一款高性能GPS/北斗雙模定位模塊，該模塊采用S1216F8-BD模組，體積小巧、性能優(yōu)異，可通過串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在內(nèi)部FLASH，使用方便。根據(jù)《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)交通運(yùn)輸行業(yè)應(yīng)用專項(xiàng)規(guī)劃(公開版)》等國家政策要求，北斗短報文模塊僅連接北斗天線，通過北斗衛(wèi)星進(jìn)行定位通信。ATK-S1216F8-BD 北斗模塊默認(rèn)采用 NMEA-0183 協(xié)議輸出北斗定位數(shù)據(jù)，并可以通過SkyTraq協(xié)議對模塊進(jìn)行配置。

4.2 北斗短報文通信模塊軟件流程設(shè)計

RSRP<-100 dBm時，內(nèi)河船舶處于4G信號盲區(qū)。需要傳輸?shù)钠渌麛?shù)據(jù)信息以及由ATK-S1216F8-BD模塊通過北斗天線收集的北斗信息(包括精度、緯度、高度、速度、用于定位的衛(wèi)星數(shù)、可見衛(wèi)星數(shù)、UTC 時間等信息)均在顯示屏中顯示出來。但由于北斗短報文有傳輸120個字符限制[9]，根據(jù)不同情況，手動篩選出在該狀況下需要發(fā)送的重要信息，通過北斗短報文與岸基通信。北斗短報文通信模塊軟件流程設(shè)計見圖5。

圖5 北斗短報文通信模塊軟件流程設(shè)計

5 通信測試

5.1 4G信號正常情況下的通信測試

5.1.1 實(shí)驗(yàn)室模擬測試

在實(shí)驗(yàn)室中，通過對EC20模塊的測試來模擬內(nèi)河船舶的4G通信信息傳輸?shù)那闆r。圖6為模擬的內(nèi)河船載智能終端的4G通信模塊。以定位數(shù)據(jù)傳輸為例，內(nèi)河船載智能終端通過指令輸入將定位信息進(jìn)行傳輸。

圖6 EC20模塊組裝

選取不同地點(diǎn)對定位信息進(jìn)行收發(fā)測試，每個地點(diǎn)收發(fā)總次數(shù)均為50次，統(tǒng)計各地點(diǎn)的收發(fā)成功次數(shù)以及收發(fā)失敗次數(shù)。經(jīng)過整理后測試結(jié)果見圖7。

圖7 4G信號正常情況下的定位信息收發(fā)數(shù)據(jù)

5.1.2 船舶航行過程中的測試

將設(shè)備安裝在長江流域的內(nèi)河船舶上進(jìn)行航行中數(shù)據(jù)收發(fā)測試，連續(xù)4 d以每秒收發(fā)一次的速率獲取10萬多組數(shù)據(jù)。在收發(fā)測試中進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)包括內(nèi)河船舶航行的經(jīng)緯度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率、燃油進(jìn)、排油溫度、機(jī)油壓力等一些船舶數(shù)據(jù)。截取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，在船舶航行過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)發(fā)送情況見圖8。內(nèi)河船載終端可以將收集的機(jī)艙數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸至岸基，實(shí)現(xiàn)船舶和岸基共同實(shí)時監(jiān)控船舶運(yùn)行的動態(tài)狀況。

圖8 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的收發(fā)部分?jǐn)?shù)據(jù)

5.2 4G信號盲區(qū)內(nèi)北斗短報文通信測試

5.2.1 實(shí)驗(yàn)室模擬測試

通過對內(nèi)河船載智能終端中的北斗軟件進(jìn)行功能測試模擬4G信號盲區(qū)內(nèi)北斗短報文通信。打開北斗軟件后會自動讀取北斗卡號和短報文發(fā)送時間間隔(頻度)及波束強(qiáng)度，北斗軟件面板見圖9，收發(fā)接收測試界面見圖10。選取不同地點(diǎn)對北斗短報文進(jìn)行收發(fā)測試。在測試中每個地點(diǎn)收發(fā)總次數(shù)均為50次，統(tǒng)計各地的收發(fā)成功次數(shù)、至少2格波束強(qiáng)度在“3”及其以上的次數(shù)以及收發(fā)失敗次數(shù)。通過多次相關(guān)測試獲取測試結(jié)果見圖11。

圖9 北斗軟件面板

圖10 北斗短報文接收測試界面

圖11 北斗短報文通信測試數(shù)據(jù)

根據(jù)圖11各組數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，至少2格波束強(qiáng)度在“3”及其以上的次數(shù)是收發(fā)成功的基礎(chǔ)，在波束強(qiáng)度沒有滿足的條件下，收發(fā)成功概率低。因?yàn)楸倍范虉笪耐ㄐ排c4G通信類似，都需要滿足一定的信號強(qiáng)度才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。所以在測試和通信的時候，至少需要2格波束強(qiáng)度在“3”及其以上，否則很容易發(fā)送失敗。在北斗信號不穩(wěn)定、收發(fā)次數(shù)頻繁的情況下，也容易造成北斗短報文收發(fā)失敗。由于北斗短報文有傳輸120個字符限制，只能將重要信息進(jìn)行發(fā)送，并且在測試中每發(fā)送一次信息后，需要等待一段時間才能進(jìn)行下一次信息發(fā)送，可能導(dǎo)致與岸基溝通上存在一定的不方便性。

5.2.2 船舶航行過程中的測試

將設(shè)備安裝在長江中上游流域中航行的內(nèi)河船舶上進(jìn)行北斗短報文的功能測試，該地區(qū)位于東經(jīng)105°左右山區(qū)航道的4G信號覆蓋盲區(qū)，同時使用北斗短報文和4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，對岸基接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計比較。以截取部分時間段經(jīng)度的收發(fā)數(shù)據(jù)為例，統(tǒng)計整理后見圖12。岸基基本上可以連續(xù)性的接收來自北斗短報文發(fā)送的緯度數(shù)據(jù)，但是也存在一定的數(shù)據(jù)丟失情況，即圖12白色區(qū)域；而4G網(wǎng)絡(luò)基本上無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

圖12 岸基接收經(jīng)度數(shù)據(jù)情況

6 結(jié)論

基于北斗短報文與4G的內(nèi)河船載智能終端船岸通信技術(shù)研究，以4G通信傳輸為主，北斗短報文通信傳輸為輔，經(jīng)過多次測試，可基本上實(shí)現(xiàn)在4G信號盲區(qū)內(nèi)通過北斗短報文與岸基保持無間斷的通信，一定程度上改善因4G信號覆蓋盲區(qū)導(dǎo)致內(nèi)河船舶通信應(yīng)用受到限制的情況。

系統(tǒng)存在不足：測試中4G信號強(qiáng)度檢測的精度上有待提高，對4G信號盲區(qū)邊界的確定不太精準(zhǔn)；在局部船舶量比較大或者信號不穩(wěn)定等情況下，北斗短報文存在比較明顯的丟包現(xiàn)象，不能確保信息完整傳輸。但總體來說，實(shí)際中測試的結(jié)果表現(xiàn)良好，具有實(shí)用價值。