无线自组网技术在航标上的应用研究

张征

摘 要：本论文研究目的是为了解决海上航标数据的传输问题。对位于离岸较远，传输数据较大的问题，本文给出解决方案。利用Wimax技术建设自有无线网络，进行传输航标数据、实时图片和视频数据，以及其他需要网络传输数据的快速传输。无线自组网的建设，是对传统遥测遥控数据的辅助支撑，从而加强航标管理信息化，智能化，提供助航效能。

关键词：航标 遥测遥控 无线自组网

1.产生背景

1.1航标状态信息收集

航标是一种船舶之外的装置或系统，目的在于促进船舶及船舶交通安全、有效的航行，是帮助引导船舶航行、定位和标示碍航物与表示警告的人工标志。航标的维护巡检是保证航标正常工作的重要手段，航标维护巡检的主要任务包括对航标结构、能源、位置等进行检测。

1.2 航标遥测遥控系统应用及局限性

航标遥测遥控系统主要由航标设备采集终端、监控中心服务器以及客户端等三部分组成。数据采集终端站采集航标灯的各种数据信息。航标管理部门以航标遥测遥控系统为平台，建立航标设备运行信息数据库，以实现迅速确定航标设备故障，提高航标工作效率、降低航标运行维护费用、減轻劳动强度、促进航标管理现代化、提高航标服务质量的总体目标。

1.3 高速无线专网解决方案

根据航标的广域分布特征和所处环境特点，为航标构建高速无线专网，每个航标上安装通信终端，通信终端采用Wimax和无线航标子网技术，负责将采集的信息回传到航标处。Wimax也叫802.16无线城域网，是一种宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50Km，Wimax具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。Wimax技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/ OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术的发展，Wimax逐步实现宽带业务的移动化。无线自组网是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，网络中的信息交换采用计算机网络中的分组交换机制，用户终端是可以移动的便携式终端，自组网中每个用户端都兼有路由器和主机两种功能，作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序，作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据的转发和路由维护工作。自组网路由协议的目标是快速、准确、高效，要求在尽可能短的时间内查找到准确可用的路由信息，并能适应网络拓扑的快速变化，同时减小引入额外时延和维护路由控制信息，降低路由协议开销，以满足移动计算能力，储存空间及电源等方面的限制。

（1）高速无线专网

构建的网络是高速专网，只为航标信息系统服务，可以实时传输大量信息，不仅包括传统的短消息、图片，而且可以回传实时视频，实现全方位、无死角监测，骨干网将各个无线宽带自组子网连接起来，将信息回传至航标处。

（2）高带宽

Wimax和无线航标子网采用先进的物理层和链路层技术，带宽高达400M，可轻松承载大量采集信息的回传。

（3）广域覆盖

Wimax为无线城域网，为广域无线宽带传输而设计，非常适合固定岸标的大流量汇聚回传，环境适应性强，适合各个地形环境，工程部署快，时间短，运营成本低，无需月租。

（4）低成本

构建专网，一劳永逸解决通信传输问题，无需付费租用营运商或通信卫星网络，成本比传统遥控遥测方案低。

（5）易扩展

构建的网络方便后续扩展，比如渔船、执法船等安装终端可接入该网络，进行通信和查看海面实时情况，甚至可以接入互联网，为渔船等海面船只提供娱乐休闲。同时，无人机携带该通信终端也可以接入该专网，进行高空远程查看和监视。

2.总体目标及性能指标

2.1 项目总体目标

由于海域的广域特征，且需要通过无线回传多路视频，根据航标的分布特征（会转动的海面浮标和固定的岸标），将整个系统分为岸标骨干传输网络和海面航标子网，在航标上布设高清摄像头和宽带无线通信组网设备，岸标骨干传输网络支持大容量数据实时传输，拟采用微波互联网络接入技术，海面航标通过多跳传输构成分布式子网，拟采用自组网技术。子网的实时视频汇聚后通过骨干网络实时回传到航标处，系统支持视频存储、切换和远程视频回放。

根据应用需求，本项目拟研发超宽带广域监控骨干网络与航标子网系统，其中无线骨干网主要支持骨干汇聚数据的传输，支持在固定地区铺设，如海岛，固定灯塔、岸标等。骨干网络具有高带宽，远距离，支持大数据量的传输等特点。

整个方案采用骨干网和航标子网配合的方式：

（1）将海上多个航标节点分割为多个子网，子网通过附近固定的高带宽节点接入骨干网，固定节点如岛屿，灯塔，岸标等；

（2）岛屿灯塔通过骨干传输设备，远距离接入到地面沿岸的无线骨干线路，并接入后方指挥。

（3）由于子网带宽限制，不能同时支持所有节点的视频传输，所以在应用上需要采用轮询的方式，骨干网带宽有很大的富裕，可以同时传输不同子网的视频。也可以考虑支持录像的方式，通过远程回看，或是通过文件传输的方式来获取，该方式可以支持更远距离的传输。

2.2 系统性能指标

航标骨干网：点对点传输距离不小于20km；多跳吞吐量为15跳支持150Mbps；网络规模大于256节点；点对点传输性能为静止时，带宽300～400 Mbps，延迟1 毫秒（150路x 2 Mbps的高清视频）；安全级别为AES-256。

航标子网：支持话音、数据、短信息等业务；点对点最大传输速率为≥10Mbps；支持5～6跳实时视频；网络用户数为≥32个；通信距离为>10Mbps@2～3海里；发射功率为5W。

3.项目总体方案

3.1 设计原则

通信终端针对海上组网视频监控应用，要求轻便、小型化、具有防水防腐蚀能力；需支持视频业务，因此，数据传输速率较高；同时要改善通信传输距离，以便在海面环境使用。2330-2550MHz的信道用于对外部终端的IP数据转发工作，通过省电策略、节能的协议栈、低功耗电路设计三个方面降低终端功耗。

3.2 整体框图

整机由核心处理板和射頻处理底板组成，其中核心组网模块可实现小型化、低功耗的自组网通信。独立的物理层、数据链路层和网络层保障系统的稳定可靠。系统可通过AT指令对模块的通信及网络参数进行初始化和设置，适用于构建终端设备的通信子系统。

核心小板功能支持：

（1）可配置的信道带宽和增强的OFDM +BPSK，QPSK，QAM通信。自适应信道估计、自适应帧间保护间隔设置可有效提高系统抗多径干扰的能力。

（2）单模块集成宽带系统物理层、数据链路层和网络层保障系统的稳定可靠。

（3）支持超低功耗待机，适应用各种移动终端的设计。

（4）工作环境达到工业级标准，稳定可靠并可适应多种应用场景。

（5）单模块小体积且支持AT指令控制，有效降低系统设计难度。

（6）数据链路层：内建单信道/多信道MAC。

（7）网络层：内建基于IP的自组网协议，支持按需多跳路由协议或静态路由协议。按需多跳路由组网规模不小于32个终端、5跳延时不大于10s。

（8）数据总线：支持多种总线接口， SDIO、UART、USB可以实现不同数据速率的接口通信和控制指令、IP数据、视频、语音等多种数据流业务。

（9）以太网口：支持TCP/IP协议及网关。

参考文献：

[1]王磊，丁燕.WIMAX技术在船舶交通通信中的应用分析[J].舰船科学技术，2016，38（06）： 118-120.

[2]方杰.基于GPS和北斗卫星的智能航标遥控遥测系统设计[J].中国水运（下半月），2012， 12（09）：48-49+8.

[3]王如政. 航标遥测遥控系统关键技术的研究[D].大连海事大学，2007.

[4]王茜，王岩.无线城域网WiMAX技术及其应用[J].电信科学，2004（08）：27-30.