一種船舶一體化通信設備自動優選方法

周建英，駱曹飛，羅新林

（1.中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033；2.中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江寧波315040）

當前海洋船舶通信的主要手段有3 種：中高頻（MF/HF）通信、甚高頻（VHF）通信和衛星通信[1]。其中，中高頻通信利用電離層反射實現遠程通信，單次反射最大的傳輸距離可達4 000 km，適用于近中遠距離通信，設備無通信費用支出，且適應于暴雨、遮擋等惡劣環境，環境適應性高。但由于多徑干擾、信道時變、有限帶寬內的用戶不斷增加等不利因素，中高頻電臺間快速有效的通信建立變得越發困難[2]，通信成功率最低，通信建立時間長。

甚高頻通信通信距離一般不超過60 km，適用于近距離通信，設備無通信費用支出，且通信成功率高，環境適應性高，通信建立時間短。但海事甚高頻電臺的可用信道資源較少，經常發生船員無法判斷哪一個信道是空閑信道，而長時間占用安全信道資源的現象[3]。

衛星通信是目前海上遠距離通信最可靠的通信手段。衛星通信適用于近、中、遠距離通信，通信成功率最高，通信建立時間最短，但設備易受到暴雨、遮擋等惡劣環境影響，環境適應性低，且設備通信資費較高[4]。雖然中高頻電臺、甚高頻電臺和衛星通信3種通信方式都有其明顯的優缺點，但在日常使用中很難給出明確的應用邊界，用戶有通信業務需求時，如果能夠提供一種優化策略，能夠優選出一種最佳通信方式，對優化設備用戶體驗、提升設備使用效率都有積極意義。

1 船舶通信導航一體化技術研究現狀

目前，船舶一體化技術研究主要集中在船舶通導設備信息融合研究[5-8]、船聯網技術研究[9-10]、船舶一體化通信信息網絡研究[11-12]、船岸一體化通信系統研究[13-14]、船舶通導設備一體化顯控技術研究[15-16]等方面。

文獻[5-7]主要開展了AIS、雷達、衛導、電子海圖等船舶導航設備間的功能集成與信息融合。文獻[8]提出了一種基于設備工作頻段劃分的通導設備集成方案，但沒有一體化通信的詳細分析。文獻[9-10]討論了船聯網技術體系架構，目前船聯網組網通信技術研究主要基于3G/4G、衛星通信、自組織網絡等實現組網接入，還沒有開展一體化通信方面的研究。文獻[11-12]提出了基于IP 互聯、動態路由等技術的多通信手段組成的異構通信網絡，實現用戶業務的自動路由、按需服務，但沒有對各通信手段的優缺點進行分析，沒有對各通信手段間的優化策略進行研究。文獻[13-14]開展了船岸一體化信息系統關鍵技術研究，在一體化通信方面提到了鏈路切換、路由技術等，但沒有給出具體方法。文獻[15]開展了船舶通導設備一體化顯控終端的研究，主要研究了綜合顯控技術的具體實現方案。綜上所述，目前還沒有看到船舶一體化通信具體實施方案的相關研究報告。

2 船舶一體化通信設備自動優選方法

當前船舶的主要通信設備各自構建了一套獨立的通信體系：中高頻通信系統、甚高頻通信系統和衛星通信系統。在常規的應用中，通過一種通信系統無法正常建立通信連接時，需用戶手動切換至其他通信系統嘗試建立通信，在不知道通信雙方間隔距離的前提下，無法確認選擇哪一種通信系統最合理。

該文針對船舶常用的中高頻電臺、甚高頻電臺和衛星通信終端3 種通信設備，根據3 種通信手段的優缺點進行分析，首先基于通信成本、通信建立時間和通信距離3 個要素構建了中高頻電臺、甚高頻電臺和衛星通信終端3 種通信設備的性能評價量表，如表1所示。

表1 3種通信設備性能評價量表

然后基于中高頻電臺、甚高頻電臺和衛星通信終端3 種通信設備的性能評價量表，從通信資費最少、通信建立時間最短、通信資費與建立時間同時兼顧3 個方向，構建了3 種通信設備優選模型：成本優化模型、時間優化模型和成本與時間平衡優化模型。

其中，成本優化模型的建立準則是通信成本最低。具體的優選原則如下：1）優選通信成本最低的設備；2）當設備的通信成本相同時，優選通信建立時間最短的設備；3）當設備的通信成本和通信建立時間都相同時，優選通信距離最遠的設備。

時間優化模型的建立準則是通信建立時間最短。具體的優選原則如下：1）優選通信建立時間最短的設備；2）當設備的通信建立時間相同時，優選通信成本最低的設備；3）當設備的通信建立時間和通信成本都相同時，優選通信距離最遠的設備。

成本和時間平衡優化模型的建立準則是在付出少量通信成本的基礎上，最大限度地縮短通信建立時間。具體的優選原則如下：1）基于衛星通信終端獲取參與通信的雙方船舶間的距離，并根據雙方船舶間的距離在設備性能評估量表中選擇滿足通信距離指標的設備；2）當設備的通信距離指標都滿足雙方船舶間的距離要求時，優選通信成本最低的設備；3）當設備的通信距離指標都滿足雙方船舶間的距離要求，且設備的通信成本相同時，優選通信建立時間最短的設備。

接著基于北斗授時同步的中高頻電臺自動選頻方法[16]，實現了中高頻電臺的通信頻率自動選擇。

由于海事甚高頻電臺的可用信道資源較少，僅88 個信道，其中，CH70 為DSC 通信專用信道（即值守信道），CH29～CH59、CH75～CH76 為不可用信道，即實際可用信道資源僅54 個。鑒于甚高頻通信信道資源緊張，最后基于對全部54 個甚高頻工作信道的信道質量評估，建立信道質量排序列表，利用甚高頻電臺的DSC 值守信道，引導通信雙方的甚高頻電臺跳轉至指定的最優信道，實現甚高頻電臺的通信信道自適應選擇。

3 船舶一體化通信設備自動優選方法實現

船舶一體化通信設備自動優選過程中，基于3 種通信設備優選模型，分別對應了最少資費、最快時間和常規路徑3 種通信設備優選方案，其工作流程如圖1所示。一體化通信設備發起通信設備優選后，首先，用戶要輸入對方船舶的海上移動業務標識碼（MMSI 碼）；然后，根據需求選擇一種通信設備優選方案：最少資費、最快時間和平衡優化；接著根據選擇的通信設備優選方案，開啟相應的通信設備優選流程；最后，給出優選的最佳通信設備。

圖1 通信設備自動優選流程示意圖

1）用戶輸入對方船舶的海上移動業務標識碼（MMSI 碼）。

2）用戶選擇一種通信設備優選模型：成本優化模型、時間優化模型、成本與時間平衡優化模型。

3）根據選擇的通信設備優選模型，開啟通信設備優選流程。若選擇成本優化模型（最少資費方案），則轉入最少資費通信設備優選流程[17]；若選擇時間優化模型（最快時間方案），則轉入最快時間通信設備優選流程；若選擇成本與時間平衡優化模型（常規路徑方案），則轉入常規路徑通信設備優選流程。

最少資費方案的通信設備優選流程如圖2所示，具體包括以下步驟：

圖2 最少資費方案優選流程

步驟1：開啟甚高頻電臺設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟5，否則轉入步驟2；

步驟2：開啟中高頻電臺設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟6，否則轉入步驟3；

步驟3：是否開啟衛星設備通信，若開啟衛星設備通信連接，則轉入步驟4，否則轉入步驟9；

步驟4：開啟衛星設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟7，否則轉入步驟9；

步驟5：確認優選出的通信設備為甚高頻電臺，轉入步驟8；

步驟6：確認優選出的通信設備為中高頻電臺，轉入步驟8；

步驟7：確認優選出的通信設備為衛星通信終端，轉入步驟8；

步驟8：給出優選出的通信設備，轉入步驟9；

步驟9：設備優選流程結束。

最快時間方案的通信設備優選流程如圖3所示，具體包括以下步驟：

圖3 最快時間方案優選流程

步驟1：開啟衛星設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟4，否則轉入步驟2；

步驟2：開啟甚高頻電臺設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟5，否則轉入步驟3；

步驟3：開啟中高頻電臺設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟6，否則轉入步驟8；

步驟4：確認優選出的通信設備為衛星通信終端，轉入步驟7；

步驟5：確認優選出的通信設備為甚高頻電臺，轉入步驟7；

步驟6：確認優選出的通信設備為中高頻電臺，轉入步驟7；

步驟7：給出優選出的通信設備，轉入步驟8；

步驟8：設備優選流程結束。

常規路徑方案的通信設備優選流程如圖4所示，具體包括以下步驟：

圖4 常規路徑方案優選流程

步驟1：開啟衛星通信終端設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟2，否則轉入步驟4；

步驟2：利用衛星通信終端設備獲取對方船舶的位置信息，轉入步驟3；

步驟3：依據該船的位置信息及對方船舶的位置信息計算兩船之間的距離d，若d≤30 km，則轉入步驟4；否則轉入步驟5；

步驟4：開啟甚高頻電臺設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟7，否則轉入步驟5；

步驟5：開啟中高頻電臺設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟8，否則轉入步驟6；

步驟6：開啟衛星通信終端設備通信，若成功與對方船舶建立通信連接，則轉入步驟9，否則轉入步驟11；

步驟7：確認優選出的通信設備為甚高頻電臺，轉入步驟10；

步驟8：確認優選出的通信設備為中高頻電臺，轉入步驟10；

步驟9：確認優選出的通信設備為衛星通信終端，轉入步驟10；

步驟10：給出優選出的通信設備，轉入步驟11；

步驟11：設備優選流程結束。

4 結 論

船舶一體化通信設備自動優選過程中，在一體化通信設備發起通信設備優選后，首先用戶要輸入對方船舶的海上移動業務標識碼（MMSI 碼），然后根據需求選擇一種通信設備優選方案：最少資費方案、最快時間方案和常規路徑方案，接著根據選擇的通信設備優選方案，開啟相應的通信設備優選流程，最后給出優選的最佳通信設備。該方法構建了一套自適應的船舶通信設備優選系統，可以根據操作人員選定的通信設備優選方案，自動開啟通信設備選擇和通信連接建立工作，大幅度地降低了船舶通信設備的操作復雜度，并可有效提升通信成功率和可靠性。