移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下船舶通信終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

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摘要:近年來，海上船舶的種類和數(shù)量越來越多，船舶之間、船舶與陸地之間的數(shù)據(jù)傳輸需求越來越大。為了滿足日益增長的通信需求，海上船舶的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)獲得了廣泛的重視。本文系統(tǒng)介紹了GMDSS，AIS和AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并重點(diǎn)研究了海上船舶的AdHoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種AdHoc網(wǎng)絡(luò)的嵌入式船舶通信終端，詳細(xì)介紹了通信終端的開發(fā)過程，并研究了移動(dòng)終端的DSDV通信協(xié)議。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；終端開發(fā)；硬件；AdHoc網(wǎng)絡(luò)

0引言

自從現(xiàn)代化船舶工業(yè)誕生以來，海上移動(dòng)通信技術(shù)始終是世界各國的研究重點(diǎn)。從最早的無線電通信、雷達(dá)通信技術(shù)，到目前日漸成熟的衛(wèi)星電話、GPRS通信和AIS移動(dòng)通信，海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不斷的進(jìn)行技術(shù)革新。海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對于船舶的航行有非常重要的作用，在船舶執(zhí)行日常作業(yè)任務(wù)時(shí)，海上移動(dòng)通信可以為傳播提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)、岸基指揮信號等，幫助船舶工作人員進(jìn)行航線的制定，提高航行的效率；在船舶出現(xiàn)事故或有緊急狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)船舶與海上監(jiān)管部門的快速聯(lián)系，第一時(shí)間獲得海上救援，保障航行船員的安全。近年來，隨著船舶數(shù)量的增加，海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù)呈指數(shù)性的爆炸增長，為傳統(tǒng)的海上移動(dòng)通信提出了更高的要求。受傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)硬件設(shè)備的限制，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)存在信道擁塞、信號傳遞不暢通等問題。本文重點(diǎn)介紹了2種海上移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，分別是GMDSS系統(tǒng)和AdHoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，重點(diǎn)基于AdHoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建了海上移動(dòng)通信系統(tǒng)，并開發(fā)了一種AdHoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)通信終端，對于改善當(dāng)前海上移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的性能有重要價(jià)值。

1船舶海上移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

海上移動(dòng)通信根據(jù)信道頻率可以分為短波、超短波和微波通信方式，目前，海上應(yīng)用范圍最廣的移動(dòng)通信系統(tǒng)是AIS系統(tǒng)、GMDSS系統(tǒng)和AdHoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]，如下：1）GMDSS全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)GMDSS是全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)，是IMO為了提高海上預(yù)先救援的時(shí)效性，組建一種綜合移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)工作頻率為短波通信，由軌道衛(wèi)星、地面無線電基站和船載終端共同構(gòu)成。船舶發(fā)生事故時(shí)，可以通過GMDSS系統(tǒng)的船載終端發(fā)送救援信號，信號通過軌道衛(wèi)星發(fā)送至陸地的基站，進(jìn)一步指揮船舶救援。GMDSS系統(tǒng)可以為用戶提供如下功能：①報(bào)警功能。報(bào)警功能是GMDSS系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，一旦船舶發(fā)生碰撞、觸礁等事故，可以通過該系統(tǒng)向岸基、附近船舶進(jìn)行報(bào)警。②現(xiàn)場通信功能。在事故船舶的搜救過程中，GMDSS系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場與岸基控制中心、遇險(xiǎn)船舶、救援飛機(jī)等構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，確保救援的順利進(jìn)行。③定位功能。GMDSS系統(tǒng)集成了GPS定位模塊，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自身船舶的全球精確定位，也能夠通過遇險(xiǎn)船舶的無線電信號進(jìn)行其他船舶的定位，尋找遇險(xiǎn)的船舶。2）AIS系統(tǒng)AIS是自動(dòng)識別系統(tǒng)的縮寫，該系統(tǒng)對于船舶在一定范圍內(nèi)的航行安全性有重要的作用，特別是在港口等船舶密集的區(qū)域。國際海事組織IMO規(guī)定國際航行船舶、客船等必須要配置AIS系統(tǒng)。AIS系統(tǒng)采用的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為VHF超高頻無線電通信，它的移動(dòng)通信頻段為162.025MHz），信號傳輸?shù)乃俾蕿?600bit/s。AIS自動(dòng)識別系統(tǒng)在船舶數(shù)量較少的情況下能夠發(fā)揮重要作用，但是當(dāng)海域內(nèi)船舶數(shù)量較多時(shí)，無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_信號較大，信號質(zhì)量下降。3）移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)近年來，移動(dòng)AdHoc通信網(wǎng)絡(luò)成為了一項(xiàng)熱門研究，這種移動(dòng)通信技術(shù)不同于GMDSS技術(shù)和AIS通信技術(shù)，它不需要固定的中心基站，是一種具有自動(dòng)組網(wǎng)和信道分配功能的通信網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多跳（Multi-hop）的通信網(wǎng)絡(luò)，且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照分布式算法相互之間協(xié)調(diào)運(yùn)行，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)自治，從而為海域內(nèi)的船舶提供一個(gè)可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。圖2為移動(dòng)AdHoc通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在船舶AdHoc通信網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)具有終端的船舶都是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)船舶節(jié)點(diǎn)都具有路由器的功能，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，按照通信協(xié)議對相鄰節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，確保船舶節(jié)點(diǎn)之間的通信可靠性。本文研究的重點(diǎn)也是船舶AdHoc通信網(wǎng)絡(luò)，通過借鑒GMDSS系統(tǒng)的船載終端的設(shè)計(jì)思路，本文開發(fā)了船舶AdHoc通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端。

2船舶AdHoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的通信終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1基于嵌入式的船舶移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端硬件設(shè)計(jì)

由于船舶AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有終端功能和路由功能，因此，本文結(jié)合嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一種AdHoc網(wǎng)絡(luò)終端，功能原理如圖3所示。船舶AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)終端主要由電源模塊、語音編碼單元、放大單元、輸入單元、定位信息采集單元、網(wǎng)關(guān)處理器單元、無線射頻單元和信道組成。在AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)終端的開發(fā)過程中，重點(diǎn)對硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。1）網(wǎng)關(guān)處理器單元移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)終端的網(wǎng)關(guān)處理器采用Orion/R4600處理器[2]，該處理器具有強(qiáng)大的計(jì)算性能，同時(shí)功耗和體積均比較小。網(wǎng)關(guān)處理器是船舶網(wǎng)絡(luò)通信終端的心臟，負(fù)責(zé)AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的路由查找和數(shù)據(jù)處理等功能，同時(shí)也負(fù)責(zé)通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議獲取以及路由計(jì)算。2）語音編碼單元網(wǎng)絡(luò)終端的語音編碼單元采用AD75681芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，同時(shí)還具有語音信號的濾波功能，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶之間的實(shí)時(shí)、雙向音頻編碼。3）信道單元在AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)終端上，本文設(shè)計(jì)了2種12.5/25kHz帶寬的無線信道，其中一種信道負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和路由協(xié)議的維護(hù)，總共有6個(gè)；另一種信道負(fù)責(zé)船舶網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間語音、短信息等數(shù)據(jù)的傳遞，總共有8個(gè)。4）定位信息采集單元終端的定位信息單元采用GPS全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)，選用的芯片類型為SR-60GPS芯片。

2.2船舶AdHoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的路由通信協(xié)議

在AdHoc移動(dòng)網(wǎng)中終端中，通信協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。本文采用DSDV協(xié)議[3]作為船舶終端的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，該協(xié)議框架下每個(gè)船舶AdHoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要對特定的路由信息表進(jìn)行運(yùn)維，該路由信息表中包含了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的地址、序號等重要信息。DSDV通信協(xié)議相鄰節(jié)點(diǎn)之間需要周期性的交換路由信息，更新路由信息表，明確AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)變化。圖4為AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)終端的路由信息表示意圖。

3結(jié)語

船舶AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是一種熱門的移動(dòng)通信方式，實(shí)現(xiàn)了海域內(nèi)規(guī)?；耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)搭建。本文通過研究GMDSS系統(tǒng)的移動(dòng)終端原理，開發(fā)了一種船舶AdHoc移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的終端，并重點(diǎn)研究了終端的硬件組成和終端的移動(dòng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

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作者:林俊發(fā) 李旭明 黃丕賽 單位:廣州市成格信息技術(shù)有限公司