一种新型海上无线集成网络的研究与实现

刘丰华，孔祥海

(1.顺德职业技术学院电子信息工程学院，广东 佛山528300;2.国网湖北省电力公司技术培训中心，湖北 武汉430011)

0 引 言

随着航运业和渔业的发展，越来越多的船舶需要高效可靠的海上通信方式，同时越来越多的新兴技术，如电子地图、实时通信、流媒体等，被应用于船舶和航运领域，为了满足海上通信用户和服务提出的新需求，必须具备有效的无线通信手段。然而由于自然条件的限制，海洋通信领域还未出现成熟的通信网络，仅仅依靠各种独立的通信设备，实现“舰舰”和“舰岸”之间的通信。当前船舶常用的通信手段有单边带短波通信(SSB)、甚高频通信(VHF)、调频通信(FM)、蜂窝移动通信和卫星通信等。其中蜂窝移动通信主要采用CDMA、WCDMA等通信方式，由于陆基基站的覆盖面积有限，因而主要实现的是近海通信;调频通信的传输距离较短，主要应用于“舰舰”通信，且较易受到干扰;相较于前2 种通信方式，甚高频通信的通信距离较长，能够达到20 n mile 左右，能够实现一定范围内的“舰舰”通信和“岸舰”通信，是当前使用较多的通信方式之一;单边带短波通信通过电离层反射信号，能够实现长距离的通信，然而在通信过程中存在盲区，并容易受到干扰，因而通信效率较低;卫星通信是能够实现远距离通信的手段之一，并具有较好的可靠性，然而卫星通信设备十分昂贵，且通信费用高昂，难以实现广泛和长时间的应用［1］。综上所述，当今的各种通信方式，无法提供给船舶一种经济、可靠、有效的通信方式。

本文针对以上问题，提出了一种新型的海上无线集成网络，该集成网络包含了多种无线异构网络，通过多种网络的覆盖解决了不同距离和不同情境下，“舰舰”通信和“岸舰”通信的问题。并设计了相应的网络选择算法，实现各种网络的智能选择和垂直切换。

1 无线集成网络的功能描述

海上无线集成通信网络包含了多种通信方式和网络，如船舶移动自组网、蜂窝通信网、卫星通信网等。在近海海域进行岸舰通信时，采用基于CDMA 的3G 或基于LTE 的4G 移动通信网，该通信方式具有带宽大速率高的特点，一方面能够实现语音/视频实时通信、GIS 信息交换、导航等复杂功能，另一方面能够有效降低通信的成本;在远海海域进行岸舰通信时，则采用卫星通信，保证通信过程的可靠性;在两船相距较近或舰队通信的情况下，采用移动自组网［2］的方式实现“舰舰”通信，同时卫星通信也是“舰舰”通信方式的有效补充。

通过在船舶上部署具有多种网络适配功能的集成网关，实际上实现了一种海上的无线异构覆盖网络，该网络涵盖了不同距离和情境下，船舶的通信要求。集成网络的基本框架如图1 所示。

图1 无线集成网络基本框架Fig.1 Architecture of the integrated wireless network

实现船舶之间的通信，当前采用的主要手段是甚高频通信、中频通信和船舶无线自组网。其中甚高频通信和中频通信，通信效率较低，且组网难度大，难以满足船舶之间高效、灵活的通信需求;利用802.11 s 实现船舶移动自组网，是当前的研究热点之一。这种组网方式具有灵活性好、自动化高的特点，其缺点是覆盖范围较小，在距离较近的舰队之间可以实现，却无法适应距离较远船舶之间的通信［3-4］。针对以上问题，本文采用WiMAX 实现船舶之间的通信，WiMAX 采用802.16 标准，和802.11 类似，能够提供较大的带宽和高速率的数据通信，其能够支持数十公里的通信范围，并能够支持多种上层应用，虽然较802.11 来说，移动性有所降低，但能够满足在海上通信环境的相关要求。

在近海岸舰通信过程中，通常采用2G 或3G 通信方式，这种通信方式依靠岸基基站，覆盖范围较广，能够满足近海海域船舶的通信需求。然而，随着LTE 的发展，4G 通信逐渐获得了越来越广泛的应用，因而在本文提出的岸舰通信网络中，采用CDMA 和LTE 作为岸舰通信的方式，其相较于其他蜂窝移动通信技术来讲，首先，这种方法具有更大的带宽和更好的通信速率;其次，其能够覆盖更大的通信范围;最后，其与WiMAX 均能够支持IP 数据通信，因而可以实现与“舰舰”通信网的无缝连接。

实现较远距离的海上通信，仍然需要借助卫星通信技术，因而卫星通信技术是前2 种通信技术的补充，同时也是本文提出的无线集成网络的基础。

陆基网关是指陆地之上的无线接入网关，其作用是将岸舰通信中使用的4G 网、卫星通信网连接起来，并接入主干通信网。通过卫星和陆基网关，用户可以使用陆上移动电话与海上卫星终端进行通信。

海基网关是指在船舶上使用的网关，其主要功能是实现船舶自组网的接入和组网，以及岸舰蜂窝通信网、卫星通信网的接入。海基网关能够将3 种不同的网络联结在一起，并通过网络选择与切换机制，实现不同网络间的垂直切换。

2 无线集成网络网关设计

在本文提出的无线集成网络中，陆基网关和海基网关是整个系统的关键，它们负责将不同的网络结合在一起，并通过其内部机制选择合适的网络，并完成各种网络之间的垂直切换。

2.1 海基网关设计

海基网关根据其实现的功能和需求，其应当具备2 个主要功能，首先，具备WiMAX、CDMA/LTE 和卫星的信号接收和发送模块，并提供相应的接口，实现各个网络的连接;其次，其必须有相应的CPU 及软件算法，实现智能化和自动化的网络选择算法。

海基网关的基本结构框架如图2 所示。

图2 海基网关结构图Fig.2 Structure of ship-based gateway

如图2 所示，3 种不同网络的终端设备，分别通过各自的接口与系统I/O 相连，其中Ci 接口是3G/4G 的空中接口，当前3G/4G 的空中接口由3GPP 制定，已经比较成熟，并且已经得到商用;Si接口是为卫星通信接口，当前对于卫星接口的研究成果较多，如GEO、RSM_ A 等卫星网接口等，已经得到了广泛的使用;Wi 接口是WiMAX 的空中接口，该接口由IEEE 制定，其实用时间较短，部分功能仍在改进之中。当前的部分智能手机已经能够支持3G 和WiMAX 数据传输功能，而支持3G 和卫星通信的终端设备种类更多［5］，因而海基网关设备拥有较低的使用和购买成本。

网络选择模块是网关的核心模块，其包含2 个功能:首先，测度各个通信网络的信号强度，监测各个网络的当前状态;其次，根据各个网络的信号强度和状态，判断当前情境下应当选择的网络，并控制系统进行网络切换。对于如何实现网络的自动选择，将在下一节中进行详细描述。系统I/O 模块是连接通信系统核心部分与接收部分的接口。

2.2 陆基网关设计

陆基网关主要应用在陆地之上，与海基网关相比，其不同之处在于:首先，陆基网关主要完成的是陆地3G/4G 网与卫星通信网的融合，无WiMAX网络;其次，陆基网关主要面对的是3G/4G 基站或卫星地面站，因而移动性要求不高。其基本框架与海基网关类似，如图3 所示。

图3 陆基网关结构图Fig.3 Structure of land-based gateway

3G 网络与卫星通信网的连接标准，已由3GPP制定并发布，称之为S-UMTS (卫星-统一移动电话网络)［6］。陆基网关提供了卫星网络与UMTS 的接口，以及3G/4G 网络与UMTS 的接口。UMTS 核心网具有2 个接入网:UMTS 地面信号接入网(UTRAN)和UMTS 卫星信号接入网 (USRAN)，不同终端的信号通过相应的接口，接入不同的接入网。网络选择模块与接口的功能描述与海基网关类似。

3 网络选择算法设计

本文提出的无线集成网络中，提供了多种通信方式以供选择，在实际应用过程中，需要根据当前船舶所处的位置，以及通信的对象，选择采用何种通信路径或网络进行通信。为了实现高效率、自动化的通信，该选择过程不应有人工干预，而应当由系统自动完成，并保证不同网络间的平滑切换，因此，需要设计相应的网络选择算法。

异构网络的选择方法及代价函数是当前的研究热点，在此首先引入代价函数:

代价函数量化地判断某个网络的使用效能，然而如何确定当前条件下，需要判断的网络，则需要设计相应的算法，实现网络的筛选。算法的基本逻辑是:首先判断呼叫对象和自身所处的位置，然后根据具体的情形，考察当前可用的网络，最后利用代价函数判断哪个网络的效能最高。则具体的网络选择算法流程图如图4 所示。

图4 网络选择算法流程图Fig.4 The flow chart of network selection algorithm

该算法首先判断呼叫对象所处的位置，如果在海上，则依次对移动自组网和3G/4G 网络进行考察，若无法使用，或者代价函数较大时，则采用卫星通信;若呼叫对象在陆地，则考察3G/4G 网络，若其代价函数较大，则采用卫星通信。

4 结 语

本文分析了当前海上通信的需求，以及当前各种通信手段的优缺点，结合当今通信技术发展的潮流，提出了一种新型的海上无线集成网络，该网络能够将WiMAX 移动自组网、CDMA/LTE 网络、卫星通信网联结在一起，向海上用户提供较为完备的“岸舰”、“舰舰”通信解决方案。本文给出了该无线集成网络的基本框架，并对网络中的主要功能进行描述，对关键部件陆基和海基网关进行了设计，最后引入了网络选择的代价函数，并在此基础上设计了网络选择算法，实现了不同通信手段和网络之间的垂直切换，从而使本文提出的方法具备了一定的实用性。

［1］JOHN H.Inmarsat web site［EB/OL］.http://www.inmarsat.com/.

［2］BLUM J J，ESKANDARIAN A，HOFFMAN L J.Challenges of inter vehicle Ad Hoc Networks［J］.IEEE Trans.on ITS，2004(5):347 -351.

［3］AKYILDIZ I F，WANG Xu-dong，WANG Wei-lin.Wireless mesh networks:a survey computer networks［J］. IEEE Trans.on ITS，2005(5):445 -487.

［4］IEEE，Draft amendment ESS mesh networking［R］. IEEE P802.11s，Draft 4.0，2009.

［5］KANE B. Inmarsat fleet broad band web site［EB/OL］.http://www.inmarsat.com/Services/Maritime/FleetBroadband/

［6］ETSI TR 101 865 v1.2.1，Satellite component of UMTS/IMT - 2000:General aspects and principles［R］. 2002-09.

［7］3rd Generation Partnership Project，TS 23.228，IP Multimedia Subsystem(IMS)［R］.2009.12.

［8］VICTOR Y H K，RAHIM T，BARRY G.Performance analysis of session initiation protocol based call set-up over satellite-UMTS network［J］. Computer Communications，2005(28):1416 -1427.