一种船舶一体化通信设备自动优选方法

周建英，骆曹飞，罗新林

（1.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033；2.中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司，浙江宁波315040）

当前海洋船舶通信的主要手段有3 种：中高频（MF/HF）通信、甚高频（VHF）通信和卫星通信[1]。其中，中高频通信利用电离层反射实现远程通信，单次反射最大的传输距离可达4 000 km，适用于近中远距离通信，设备无通信费用支出，且适应于暴雨、遮挡等恶劣环境，环境适应性高。但由于多径干扰、信道时变、有限带宽内的用户不断增加等不利因素，中高频电台间快速有效的通信建立变得越发困难[2]，通信成功率最低，通信建立时间长。

甚高频通信通信距离一般不超过60 km，适用于近距离通信，设备无通信费用支出，且通信成功率高，环境适应性高，通信建立时间短。但海事甚高频电台的可用信道资源较少，经常发生船员无法判断哪一个信道是空闲信道，而长时间占用安全信道资源的现象[3]。

卫星通信是目前海上远距离通信最可靠的通信手段。卫星通信适用于近、中、远距离通信，通信成功率最高，通信建立时间最短，但设备易受到暴雨、遮挡等恶劣环境影响，环境适应性低，且设备通信资费较高[4]。虽然中高频电台、甚高频电台和卫星通信3种通信方式都有其明显的优缺点，但在日常使用中很难给出明确的应用边界，用户有通信业务需求时，如果能够提供一种优化策略，能够优选出一种最佳通信方式，对优化设备用户体验、提升设备使用效率都有积极意义。

1 船舶通信导航一体化技术研究现状

目前，船舶一体化技术研究主要集中在船舶通导设备信息融合研究[5-8]、船联网技术研究[9-10]、船舶一体化通信信息网络研究[11-12]、船岸一体化通信系统研究[13-14]、船舶通导设备一体化显控技术研究[15-16]等方面。

文献[5-7]主要开展了AIS、雷达、卫导、电子海图等船舶导航设备间的功能集成与信息融合。文献[8]提出了一种基于设备工作频段划分的通导设备集成方案，但没有一体化通信的详细分析。文献[9-10]讨论了船联网技术体系架构，目前船联网组网通信技术研究主要基于3G/4G、卫星通信、自组织网络等实现组网接入，还没有开展一体化通信方面的研究。文献[11-12]提出了基于IP 互联、动态路由等技术的多通信手段组成的异构通信网络，实现用户业务的自动路由、按需服务，但没有对各通信手段的优缺点进行分析，没有对各通信手段间的优化策略进行研究。文献[13-14]开展了船岸一体化信息系统关键技术研究，在一体化通信方面提到了链路切换、路由技术等，但没有给出具体方法。文献[15]开展了船舶通导设备一体化显控终端的研究，主要研究了综合显控技术的具体实现方案。综上所述，目前还没有看到船舶一体化通信具体实施方案的相关研究报告。

2 船舶一体化通信设备自动优选方法

当前船舶的主要通信设备各自构建了一套独立的通信体系：中高频通信系统、甚高频通信系统和卫星通信系统。在常规的应用中，通过一种通信系统无法正常建立通信连接时，需用户手动切换至其他通信系统尝试建立通信，在不知道通信双方间隔距离的前提下，无法确认选择哪一种通信系统最合理。

该文针对船舶常用的中高频电台、甚高频电台和卫星通信终端3 种通信设备，根据3 种通信手段的优缺点进行分析，首先基于通信成本、通信建立时间和通信距离3 个要素构建了中高频电台、甚高频电台和卫星通信终端3 种通信设备的性能评价量表，如表1所示。

表1 3种通信设备性能评价量表

然后基于中高频电台、甚高频电台和卫星通信终端3 种通信设备的性能评价量表，从通信资费最少、通信建立时间最短、通信资费与建立时间同时兼顾3 个方向，构建了3 种通信设备优选模型：成本优化模型、时间优化模型和成本与时间平衡优化模型。

其中，成本优化模型的建立准则是通信成本最低。具体的优选原则如下：1）优选通信成本最低的设备；2）当设备的通信成本相同时，优选通信建立时间最短的设备；3）当设备的通信成本和通信建立时间都相同时，优选通信距离最远的设备。

时间优化模型的建立准则是通信建立时间最短。具体的优选原则如下：1）优选通信建立时间最短的设备；2）当设备的通信建立时间相同时，优选通信成本最低的设备；3）当设备的通信建立时间和通信成本都相同时，优选通信距离最远的设备。

成本和时间平衡优化模型的建立准则是在付出少量通信成本的基础上，最大限度地缩短通信建立时间。具体的优选原则如下：1）基于卫星通信终端获取参与通信的双方船舶间的距离，并根据双方船舶间的距离在设备性能评估量表中选择满足通信距离指标的设备；2）当设备的通信距离指标都满足双方船舶间的距离要求时，优选通信成本最低的设备；3）当设备的通信距离指标都满足双方船舶间的距离要求，且设备的通信成本相同时，优选通信建立时间最短的设备。

接着基于北斗授时同步的中高频电台自动选频方法[16]，实现了中高频电台的通信频率自动选择。

由于海事甚高频电台的可用信道资源较少，仅88 个信道，其中，CH70 为DSC 通信专用信道（即值守信道），CH29～CH59、CH75～CH76 为不可用信道，即实际可用信道资源仅54 个。鉴于甚高频通信信道资源紧张，最后基于对全部54 个甚高频工作信道的信道质量评估，建立信道质量排序列表，利用甚高频电台的DSC 值守信道，引导通信双方的甚高频电台跳转至指定的最优信道，实现甚高频电台的通信信道自适应选择。

3 船舶一体化通信设备自动优选方法实现

船舶一体化通信设备自动优选过程中，基于3 种通信设备优选模型，分别对应了最少资费、最快时间和常规路径3 种通信设备优选方案，其工作流程如图1所示。一体化通信设备发起通信设备优选后，首先，用户要输入对方船舶的海上移动业务标识码（MMSI 码）；然后，根据需求选择一种通信设备优选方案：最少资费、最快时间和平衡优化；接着根据选择的通信设备优选方案，开启相应的通信设备优选流程；最后，给出优选的最佳通信设备。

图1 通信设备自动优选流程示意图

1）用户输入对方船舶的海上移动业务标识码（MMSI 码）。

2）用户选择一种通信设备优选模型：成本优化模型、时间优化模型、成本与时间平衡优化模型。

3）根据选择的通信设备优选模型，开启通信设备优选流程。若选择成本优化模型（最少资费方案），则转入最少资费通信设备优选流程[17]；若选择时间优化模型（最快时间方案），则转入最快时间通信设备优选流程；若选择成本与时间平衡优化模型（常规路径方案），则转入常规路径通信设备优选流程。

最少资费方案的通信设备优选流程如图2所示，具体包括以下步骤：

图2 最少资费方案优选流程

步骤1：开启甚高频电台设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤5，否则转入步骤2；

步骤2：开启中高频电台设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤6，否则转入步骤3；

步骤3：是否开启卫星设备通信，若开启卫星设备通信连接，则转入步骤4，否则转入步骤9；

步骤4：开启卫星设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤7，否则转入步骤9；

步骤5：确认优选出的通信设备为甚高频电台，转入步骤8；

步骤6：确认优选出的通信设备为中高频电台，转入步骤8；

步骤7：确认优选出的通信设备为卫星通信终端，转入步骤8；

步骤8：给出优选出的通信设备，转入步骤9；

步骤9：设备优选流程结束。

最快时间方案的通信设备优选流程如图3所示，具体包括以下步骤：

图3 最快时间方案优选流程

步骤1：开启卫星设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤4，否则转入步骤2；

步骤2：开启甚高频电台设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤5，否则转入步骤3；

步骤3：开启中高频电台设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤6，否则转入步骤8；

步骤4：确认优选出的通信设备为卫星通信终端，转入步骤7；

步骤5：确认优选出的通信设备为甚高频电台，转入步骤7；

步骤6：确认优选出的通信设备为中高频电台，转入步骤7；

步骤7：给出优选出的通信设备，转入步骤8；

步骤8：设备优选流程结束。

常规路径方案的通信设备优选流程如图4所示，具体包括以下步骤：

图4 常规路径方案优选流程

步骤1：开启卫星通信终端设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤2，否则转入步骤4；

步骤2：利用卫星通信终端设备获取对方船舶的位置信息，转入步骤3；

步骤3：依据该船的位置信息及对方船舶的位置信息计算两船之间的距离d，若d≤30 km，则转入步骤4；否则转入步骤5；

步骤4：开启甚高频电台设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤7，否则转入步骤5；

步骤5：开启中高频电台设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤8，否则转入步骤6；

步骤6：开启卫星通信终端设备通信，若成功与对方船舶建立通信连接，则转入步骤9，否则转入步骤11；

步骤7：确认优选出的通信设备为甚高频电台，转入步骤10；

步骤8：确认优选出的通信设备为中高频电台，转入步骤10；

步骤9：确认优选出的通信设备为卫星通信终端，转入步骤10；

步骤10：给出优选出的通信设备，转入步骤11；

步骤11：设备优选流程结束。

4 结 论

船舶一体化通信设备自动优选过程中，在一体化通信设备发起通信设备优选后，首先用户要输入对方船舶的海上移动业务标识码（MMSI 码），然后根据需求选择一种通信设备优选方案：最少资费方案、最快时间方案和常规路径方案，接着根据选择的通信设备优选方案，开启相应的通信设备优选流程，最后给出优选的最佳通信设备。该方法构建了一套自适应的船舶通信设备优选系统，可以根据操作人员选定的通信设备优选方案，自动开启通信设备选择和通信连接建立工作，大幅度地降低了船舶通信设备的操作复杂度，并可有效提升通信成功率和可靠性。