基于光载无线技术的港口码头信息平台设计

韩树河

（南通航运职业技术学院 管理信息系，江苏 南通 226010）

基于光载无线技术的港口码头信息平台设计

韩树河

（南通航运职业技术学院 管理信息系，江苏 南通 226010）

文章分析宽带无线接入与物联网应用需求，开展面向港口码头的光载无线技术物联网信息平台的研发。研究将基于ROF的特高频（Ultra High Frequency，UHF）RFID技术以及与ZigBee等其他无线传感网络的组网技术，搭建面向港口码头的ROF物联网信息系统，实现无线传感网络的集中与分区管理、信息实时处理以及大范围信号传感与监测。

物联网；光载无线；港口码头；RFID；信息平台

港口码头环境布局复杂，作业区不允许架空明线，不适宜铺设有线网络，而龙门吊等大型起重设备、其他转运车辆，更需要能支持移动作业的业务网络［1］。光载无线（Radio Over Fiber， ROF）技术充分利用光纤高容量、低损耗的特点［2］，大大拓展微波/毫米波信号的传输距离，简化远端基站结构，降低系统传输成本并提高系统传输性能、频谱效率、覆盖区域和灵活性，实现超宽带微波/毫米波无线接入与光传输技术的融合。由于该技术具有超宽带有线传输与灵活无线接入的突出优势，因此非常适合应用于港口码头的业务网络。

1　光载无线技术研究

光载无线通信ROF技术是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术［3］。它的优点是可防止电磁干扰、低损耗、高带宽、安装维修方便、耗电量小、操作灵活等。该技术具有超宽带有线传输与灵活无线接入的突出优势，将成为未来移动通信、超宽带无线接入以及无线传感网络的重要技术支。光载无线相关技术如下。

1.1 WiFi光载无线交换机

光载无线交换机是整个网络的核心部件，它是基于光载无线通信技术研发的。光载无线交换机将 WiFi信号的产生、处理集中于内部，同时以光纤实现大范围（200～5 000 m）分布，通过远端天线完成 信号覆盖及双向传输。其采用模拟光纤通信技术及 射频交换技术实现了WiFi无线信号源的远端传输，分布、交换与控制［4］。WiFi光载无线交换机由以下部分组成：①多用途信号处理器：完成数据信号、IP信号与WiFi信号间的接口及所需要信号转换与处理，保证信号满足所规范的网络协议；②通信模块组：由多个WiFi接入点（AP）和2G/3G接入模块构成，实现远端WiFi设备的接入和计算机网络通信，提供无线通信接入；③射频交换与重构单元，完成各模块组射频信号的合路、分配与交换；④模拟光端机，完成模拟光纤链路要求的光电/电光信号的转换与处理，光复用与解复用；⑤系统软件，网络软件的核心部分，完成整个网络的操作、监督与管理。

1.2 光子射频切换技术

为了动态分配各覆盖港口的信号带宽，可以利用射频切换模块对频点进行动态切换，实现射频资源的动态配置。以WiFi信号为例，无线路由器中的1，6，11为非重叠频点，可以在港口码头某位繁忙的时候，将空闲区的频点通过射频切换转换到繁忙港口码头点位，从而增加繁忙港口码头点位的频谱资源。通常港口码头各点位的业务量是不均匀的，尤其是一些热点地区，如码头卸货区，当船舶抵达时会使得某个港口码头点位的业务量突增，而其他港口码头点位闲置，这就要求各点位的频谱资源能够动态调配，从而达到最高使用效率。这种动态的带宽分配极大地优化了系统带宽资源。

1.3 模拟光纤链路性能分析及网络拓扑设计

针对本文中的物联网信息接入与感知平台的应用，设计了基于粗波分复用（CWDM）的星型结构。在中控机内部，不同的以太网接口与无线接入点（AP）连接，AP出来的射频信号被调制到光收发模块上，然后经过CWDM的复用进入同一根光纤传输，然后在远端节点处利用CWDM来对各个波长进行解复用，得到所需要的射频信号。基于成本考虑，光纤上传输的信号统一为WiFi信号，在信息接入应用中，支持多个笔记本或其他终端设备的宽带接入，并利用中控机的射频切换功能，实现带宽的动态分配；在信息感知应用中，无线传感网络的信息经过汇聚节点的汇聚后，由RS485等接口转换为WiFi接口，然后进行信息的回传与处理。为降低系统成本，本文中将采用直接调制的光收发模块，因此光纤中色散以及受激布里渊等非线性将对信号产生明显的影响，尤其是在布局复杂的楼内中，需要研究不用拓扑结构下的ROF链路，当链路分支达到一定数目时，光功率需要大到一定程度才能保证分配到每路的功率足够充分，该种情况下需要抑制受激布里渊、四波混频、交叉相位/增益调制影响。

1.4 无线传感及组网技术

物联网应用中需要感知的对象主要包括温度、应力等环境参量以及港口电器中的控制数据等，其数据量比较低，但其实时性和可靠性要求较高，因此传统的Zigbee技术即可实现该目标，当前需要研究的是如何将Zigbee模块与ROF智能网络联系起来，并实现集中控制与管理，另外，不同频段的无线信号格式同时在光纤中传输，也需要研究它们之间的干扰问题和滤波的实现问题。光纤传输给信号传输带来额外时延和功率损耗，需要研究时延引入对协议层的影响以及传感节点之间的最优功率预算。利用模拟光纤链路实现WiFi信号的分发与传输，其远端节点可以覆盖宽带接入的笔记本电脑，也可以覆盖管理多个无线传感器的监测仪，由于无线监测仪的接口为RS485标准，因此需要额外放置RS485/WiFi的转换模块，实现无线传感器的远端信息汇聚和监测。

1.5 基于WiFi-RoF网络的港口码头仓储定位技术

近年来，港口码头仓储定位越来越受到广泛的关注，各种定位方式不断出现。在这一过程中，由于室内环境非视距传输及多径效应的存在，多径信号到达接收端会产生不同的时延和入射角，因此基于信号达到角度的定位方法和基于信号达到时间的定位方法存在不可预测的误差，且高精度的时钟费用昂贵。比较而言，基于接收信号强度简易信息聚合（Really Simple Syndication，RSS）的港口码头仓储定位方法因其低成本，无需额外的时钟定时设备，实用性高等优点，得到了广泛的关注与研究。本文研究将基于WiFi-RoF网络的港口码头仓储定位方法，包括面向WiFi-RoF网络系统的港口码头仓储传输模型，采用RFID/ ZigBee技术的基于RSS的室内定位方法。

针对WiFi-RoF网络，本文拟研究子区域可预测的无线港口码头仓储传输模型，通过划分子区域及考虑到具体介质损耗，增强该模型的准确性。该模型将提高RSS值预测的准确性，而且还可以降低建立数据地图阶段的人力及时间成本。基于课题采用的光载无线网络作为物联网的支撑网络架构，其对无线信号是透明传输的。因此，借助该网络架构可以采用不同的技术实现港口码头仓储定位。本课题拟采用RFID技术或是ZigBee技术，通过上述港口码头仓储传输模型和基于RSS的定位方法的研究与实现，将为在基于光载无线传输与交换技术的物联网信息平台上开展港口码头仓储定位业务提供保障。

1.6 协议研究及管理控制软件开发

由于该系统主要针对WiFi信号等射频信号的光纤-同轴电缆的混合信号分布，不涉及网络层的相关技术，因此仅需要对媒介访问控制（Media Access Control，MAC）层进行研究，研究多波长控制协议以及光链路时延所带来的协议变化。另外，根据特定场合应用中的安全性和保密性要求，需要在交换机中加入软件控制模块，保证高可信的宽带无线接入。本文将融合光载无线技术和无线局域网技术，充分利用光纤链路的优良的特性，通过光纤混合传输WiFi射频信号和其他射频信号，因此需要研究WiFi及其他各种通信的MAC层协议，以及光纤传输路径带来的额外的影响，达到整个网络的性能最优。

2　港口码头物联网平台设计

本文将基于光载无线技术的物联网信息平台，建立支持高移动性、具有强保密性和抗干扰性的无线宽带网络，满足港口码头作业现场业务与监控的需要，实现港口码头大范围的无线网络信号全覆盖，建立集有线、无线于一体的港口码头物联网数据通信平台，将港口监控、物流管理、人员管理、车辆管理、数据采集、仓储管理、环境监测、灾难预防管理等集成于一体的港口码头物联网平台。功能框架如图1所示。

图1 功能框架图

（1）无线网络覆盖。采用光载无线交换机，将WiFi射频信号分布到200-5000米的港口码头区域，实现港口码头无线网络信号全覆盖，将各类移动智能设备（手持货物标签扫描仪、车辆标签扫描仪、平板电脑等）、无线数据采集设备、无线视频监控设备、无线传感器等接入统一的物联网信息平台，实现港口码头数据实时传输和管理。

（2）港口监控。港口监控采用有线光纤视频监控网络、和无线视频监控设备，实时监控港口码头重点区域，同时借助无线传感器对敏感区域和危险区域实现24小时监控。

（3）物流管理。港口码头的物资进出频繁，对整体设备，如集装箱、进出口车等采用RFID/条形码实施管理，散货区域货物采用标签加条形码的方式管理。货物的装卸、进出货场以及船舶、运输车辆等实现信息的实时录取和上传数据中心，保证港口、码头的物流管理的现代化和信息化。

（4）人员管理。港口码头的管理人员、货主、物流管理人员、其他进出港人员，采取统一的RFID卡管理，同事各岗位的工作人员通过RFID身份卡获取操作权限和管理职责，实现港区人员的统一电子化管理。

（5）车辆管理。进出港区的车辆以及港区内部转场的车辆，采用统一的RFID标签管理，RFID标签包括车辆RFID标签和司机RFID人员标签。进出港闸口、货物装卸点、货物称重台、货场进出口等处设置RFID自动管理闸口，通过固定式/手持式标签扫描仪，对车辆在港区内实现实时监控和管理。车辆离开港区，采用GPS/GPRS相结合的技术，对车辆进行实时跟踪和监控。车辆管理中进场车辆管理流程图2所示。

图2 物流管理流程图

图3 车辆管理流程图

（6）数据采集。港区分成不同区域，包括码头前沿、散货码头、散货堆场、磅站、火车货物装卸点、汽车货物装卸点、集装箱堆场、整装车堆场、仓库等，每一个区域都有大量的数据采集，采集的数据通过有线/无线方式实时上传数据服务器，完成数据的实时采集。

（7）仓储管理。RFID技术作为新一代自动识别技术，其具有的显著优势，在仓储管理中的应用得到了广泛的关注［5］。港口码头的仓储区域主要包括室外散货堆场、集装箱堆场、整装车堆场、室内仓库等。集装箱、整装车等整体货物采用RFID标签/条形码管理货物的进、出场及装载与卸除；散货管理采用堆场/仓库标签与条形码进行管理，通过扫描设备扫描标签，更新堆场信息，同事对转场或运输车辆采用RFID管理，以达到对仓储货物的智能化管理。

（8）环境监测与灾难预防。港口码头布设大量传感器，监测港区敏感区域、大型设备、危险品货物，以及港区各类环境参数和气象数据的实时监控与灾难预防。

3　港口码头物联网信息平台的特点

（1）将无线传感技术融入ROF网络平台中，实现ZigBee等模块的集成。

（2）采用光纤传输WiFi射频信号，实现光纤长距离传输与无线灵活接入的融合；采用射频交换技术，实现WiFi无线局域网络的各接入点的负载均衡和无缝移动漫游。

（3）面向港口码头，具有高度实时性，无论是后台管理人员还是现场管理人员，均可在第一时间得知数据发生的变化。系统具有高效率性，采用先进的RFID技术融入港口仓库管理流程，将大大提高港口管理流程的效率。

（4）具有高度智能性和主动性，系统发现港口码头现场安全异常情况、仓库业务流程出现错误时，将现场发出相应警告信息，并通过短信、邮件等方式通知相关人员。系统将遵循标准化，开放性设计原则，具有高度可扩充性，能够方便地与其他系统进行衔接，中间网络具有高度的可维护、可管理、可控制、可重构功能。

4 结语

本文通过对物联网以及光载无线技术的研究，设计了基于光载无线技术的物联网港口码头信息平台。该平台集数据采集、工业控制、远程监控和管理于一体，极大提升了港口码头管理的信息化和智能化水平，提高港口码头的工作效率。本论文的研究将在智能港口码头的物流仓储领域具有广泛应用前景，相关成果将推动交通信息化建设与社会经济发展。

［1］刘华琼.基于RFID的港口集装箱作业仿真调度研究［D］.大连：大连海事大学，2008.

［2］杨洋.RoF在无线接入领域的应用及发展趋势［J］.无线光通信，2012（12）：45-47.

［3］周胜源，梁国富.基于OFDM技术的ROF系统仿真实验［J］.桂林航天工业学院学报，2016（2）：145-148.

［4］梅仲豪，孟学军，徐曦.基于光载无线技术搭建的智慧港口物联网平台［J］.港口装卸，2015（5）：55-59.

［5］杜亚江，雷斌，高博.仓储管理中RFID 系统的研究与设［J］.兰州交通大学学报（自然科学版），2007（6）：92-95.

Design of the sea-port information platform based on radio-over-fber

Han Shuhe
（Management and Information Department of Nantong Shipping College， Nantong 226010， China）

This paper analyzes the needs of wireless access and Internet of things applications， and carries out the research and development of the sea-port information platform based on radio-over-fber. Study on the Ultra High Frequency（UHF）RFID technology based on ROF and other wireless sensor network technology such as ZigBee， to build ROF network information system for sea-port management， to realize implementation， wireless sensor network and partition information， real-time processing and a wide range of signal sensing and monitoring.

Internet of things； radio-over-fber； sea-port； RFID； information platform

江苏省交通运输科技项目；项目名称：基于光载无线技术的港口码头物联网平台研究；项目编号：2014C03-02。

韩树河（1980— ），男，黑龙江通河，硕士，讲师；研究方向：软件工程，数据挖掘研究。