船舶无线通信系统网络架构设计与数据智能传输研究

2022-10-18 10:04许文杰
通信电源技术 2022年11期
关键词:基站传输无线

许文杰

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225000)

0 引 言

随着信息技术、工业设计与自动控制技术的广泛应用,网络化、智能化的新型工业时代已然到来,船舶自动化系统与数据传输网络结构必须积极应对并落实应用技能调整,以5G无线传输技术为出发点,逐步带动信息化设计向智能模式转变[1]。现阶段,以5G新基建为代表,大力实施“5G+”为主体地位的船舶自动化控制系统的物联网架构和新型数据传输模式,逐步加快智联网、区块链以及TI与商业智能(Bussiness Intelligence,BI)等新型产业模式建设,引领智慧船舶自主式无人化创新发展的方向。考虑到无线信息传输架构的使用会极大降低船舶内部系统的设计与建设难度,施工周期会明显缩短,其实际施工建设价格只有原信息通信网络组网模式的1/5[2]。船舶无线通信系统设备的稳定性高、搭建组网简单,为了有效构建覆盖全船、稳定可靠且持续性好的无线传输系统,需要重点考虑通信架构和数据传输问题。现阶段,国内外的相关研究主要集中在信道分析、环境要素、频率选择以及数据流转等方面,需提出极具针对性的设计方案思路和解决方法。

1 船舶信息通信无线覆盖的基础架构

1.1 无线+有线混合组网

作为船舶网络建设的接入网,无线信息传输网络主要采用的是基站建设为主,基站与多类节点组成一对多、多对多的网状传输网络,节点传感器采集的所有数据均会通过信道传输至基站,并用来进行下一步处理。此外,作为船舶网络建设的核心网更多采用常用的有线传输机制,由服务器、数据中心以及交换机等设备组成,是船舶信息通信和数据传递的主要媒介。通常情况下,以系统数据交互的核心节点网(局域网)作为船舶通信的主干网使用,而接入网主要是以无线传输为协议的备用网络使用,其拓扑结构如图1所示[3]。构建此类混合式的网络基础架构,能够有效通过节点式的布置与交换式的设计实现船舶数据通信的全覆盖。

图1 船舶网络通信的混合式网络架构拓扑

1.2 船舶全覆盖式的无线传输协议

要实现稳定的船舶无线通信,首先应搭建由大量固定式或可移动传感器组成的数据网,依托于网内数据采集和路由分发的基础模式,实现多路传感器之间的分布式接力通信,从而高效实现船舶内部全网络覆盖,即Mesh网络[4]。从中可以看出,整个无线通信网络的建设可以实现网络化的有效信息传输,同一时间节点可以同时完成多条有效路径的数据传输,解决随时可能出现的意外情况。

2 船舶无线通信信号的传播特异性

实现船舶无线通信的技术难点主要包括有效工作频率和稳定传输带宽两个方面,为了解决难点并实现稳定信号全覆盖,需要从无线通信的特点出发,研究基于船舶内部环境的信号传播特性。

2.1 选择有效工作频率

由于船舶的尺寸导致有效活动范围有限,基本无须考虑由传输信道的影响导致的信号衰减或信号丢失等情况,即信号的不稳定性主要是由于内部结构复杂和金属制物扰乱电磁波传输造成的。信号传播过程中,一旦遇到遮挡物则通常会选择绕射,基本无法实现直线穿过,这就需要重点结合信号工作频率进行综合考虑。对于低频信号而言,绕射能力更强,反之高频信号具备更强的穿透能力。此外,考虑到船舶内部存在大量的金属制物,而通信信号无法有效穿透金属类遮挡物,因此在确保满足信道带宽使用的前提下,选择低频信号更为适合,本文采用的频率范围为60 ~ 300 MHz。

2.2 基于内部环境的特性分析

为了进一步研究工作频率、带宽与信号传输能力的关联度,选择适合的基站和传感器安置点位是非常重要的。考虑到船舶内部环境的复杂度,实测信号场强是较好的研究方法。这里设置信号频率为210 MHz,分别设置多部发射/接收传感器[5]。以远距离无线电(Long Range Radio,LoRa)协议为基础,通过自主开发的信息采集点布阵方法持续搜集信号接收区内的实测场强。发射装置集中布设在底层A点周边,接收机主要设计在集控室附近,间隔1 m安装1部,共计50个采集/接收点,采取线性与环形布阵。

通过测量信号功率可以得知,距离并不会明显影响信号接收端场强的数据值,即距离并不是主要因素,仅作为一个可变条件。真正影响接收端信号接收功率大小的是内部环境的结构和金属制物对于信号传输的影响。例如,第11号接收传感器的信号强度会明显下降至-35 dBm,这是由于该传感器构设在烟囱下方,信号感知能力弱。此外,第46号接收传感器也呈现出较为明显的信号接收不稳定现象,这是因为该传感器位于立柱后方,信号在船舶内部遇到较大遮挡物时绕射能力不足所导致。基于此,通过实测场强得到校验数据的方法能够更加合理设计基站和分布式点位,从而使得无线传输网络架构能够有效工作,且持续稳定地发挥功效[6]。

3 船舶无线通信数据智能传输

3.1 设计准则

构建数据传输基础模式,即信号感知设计主从两路反馈,并按照时序进行任务排序[7]。

通常情况下,基站数据中心的服务器在接收岸上发出的信息,需要进行制式判定。如果是短报文则不需回复,如果是通用无线分组业务(General Packet Radio Service,GPRS)则需要及时根据要求回复重要信息。

数据中心收到数据中含有待反馈的数据帧时,会第一时间做出响应。一旦遇到突发情况,若服务终端没有做出及时响应,则系统会智能设置延迟,允许按任务计划进行新一轮反馈[8]。

3.2 数据传输与接收

数据传输/接收的同步性、一致性主要体现在导航的信息时钟,即北斗数据。本文采取基于异步串行的通信协议,实现船舶内部数据交互。首先利用移动交换中心(Mobile Switching Center,MSC)串口程序搭建基于NMEA-0183通信协议的异步通信模式,重点对船舶数据传输的智能化进行设计[9]。通过数据节点的采集识别,在传输进行中可以根据需要加入识别机制,即通过MSC控件变更数据属性,此时接收端可以自动完成匹配信号、二次识别和处理等,如图2所示。此时信道传输因子受到电磁环境、信号发射角度以及电磁辐射功率的影响,取值为[0.32,0.4],终端适配器单位(Terminal Adapter Unit,TAU)、输出端信噪比出现了较明显的随机性,即调整传输角度不足会影响输出信号的稳定性,使得信号显得杂乱无章,需要进一步优化参数设置。

图2 信号传输与接收端数据识别的信号图

3.3 数据传输优化方法

考虑到数据传输与接收过程中船舶环境、电磁干扰以及类似海杂波等因素的影响,为了满足输出信号的可辨识度要求,通常会在接收端对信号进行前置滤波[10]。图3给出了滤波后的输出信号,可以明显看出,经过噪声干扰消除后信道传输因子取值接近0,输出信号功率能够达到峰值,即更能满足数据提取的要求,有效改善通信质量。

图3 前置滤波后的输出信号

4 结 论

基于船舶的实际环境和通信协议的基本原则,通过实测信号场强的方法对基站和节点布设方案进行了设计,搭建了有效的信息通信的网络架构,即分布式Mesh网络,并在此基础上分析了基于MSC通信机制的智能数据传输模式的可行性,实践表明无线通信网络的数据传输能够有效满足信息通信与数据传输的稳定高效,具有重要的现实意义。

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