船舶通信系统网络架构设计优化分析

安少明

（中国人民解放军四八〇五工厂军械修理厂 上海市 200439）

随着海洋经济的崛起，远洋运输行业规模持续扩大，在船舶建造总吨位不断增加的同时，船舶智能化水平也显著提升，其中就包括船舶通信系统。在远洋航行过程中，为保证船舶自动化控制系统的正常运转，以及与外部单元的信息交互，则需要具有高可靠性的通信系统，否则，将严重威胁船舶航行安全。以提升可靠性为目标的船舶通信系统网络架构设计，将能够从根本上解决船舶通信系统抗干扰能力差、系统冗余设计缺失、通信效率低等一系列问题，为船舶航行安全提供更加可靠的通信保障。

1 船舶通信系统概述

基于现代电子信息技术与数字化网络系统在船舶通信系统中的广泛应用，以及船舶电子通信平台集成化管理的具体要求，船舶通信系统架构如图1所示。

图1：船舶通信系统网络架构示意图

根据船舶通信系统的使用环境，其可以分为“内通”和“外通”两种类型，所谓“内通”，是指船舶内部搭设的通信系统，主要用于船舶内部各平台、设备之间的信息传输，如自动操舵系统、机电控制系统、安全管理系统、船舶自动导航系统等。而“外通”则是以载体为区分，不同载体之间的信息交流，如船舶无线通信系统、GPS 单元等。

2 船舶通信系统常见故障分析

通过对2000年以来的船舶航行事故分析发现，网络通信故障是导致船舶碰撞、搁浅、着火等事故的主要原因之一，基于船舶通信系统架构特点，船舶通信系统常见故障如下。

2.1 通信单元频繁宕机

在船舶通信系统数字化、网络化水平不断提升的情况下，各通信单元所需要处理的数据量明显增加，并且，为保证通信系统之间信息的有效协同，相关通信单元需要对关联数据进行协同处理。由于通信单元无法满足庞大数据的算力要求，且船舶通信系统的网络架构体系缺乏对单元算力的合理配置，且缺少冗余设计，以至于相关通信单元在实际使用过程中频繁宕机的问题较为普遍，尤其是船舶处于自动控制状态时无法及时修正航向、航速等参数，这将对船舶航行安全造成不可挽回的影响。

如图2所示，该船舶综合导航系统内部通信所采用的是总线架构，从根据不同单元模块的数据容量来看，GPS（Global Positioning System，全球定位系统）、惯性导航、计程仪、测速仪、风速仪等所占数据总量比重不超过3%，而电子海图、AIS（Automatic Identification System，船舶自动识别系统）、导航雷达等动态数据更新需要庞大的数据吞吐和运算能力。基于总线架构的系统数据处理多依赖于单元模块，无法通过算力的合理配置保证综合导航系统状态稳定，所以通信网络架构设计问题与综合导航系统宕机故障之间有着密切的关联。

图2：船舶综合导航系统通信总线架构

2.2 扩展单元状态匹配度低

现代船舶自动化水平的快速提升得益于点信息技术的广泛应用，在技术不断迭代的同时，船舶通信系统网络架构设计需要满足不同单元的扩展要求，保证各单元之间的高度匹配。由于船舶网络通信系统可靠性要求较高，在网络架构设计中需要考虑核心单元的状态匹配度，却忽略了非核心单元的状态匹配度，这导致船舶通信网络升级过程中扩展性受限。

以AIS 系统为例，作为现代船舶航行状态监视与管理的重要设备，自20世纪初，国际海事组织要求各类型船舶按规定加装AIS 系统，有AIS 系统属于数据综合处理单元，不仅需要与其它导航设备之间进行数据交互，还能够通过VHF（Very High Frequency，甚高频）模块同步发送、接收其他船舶的航行数据，并实时更新本船与目标船舶的TCPA（Time to Closest Point of Approach，最小会遇时间），以保证航行安全。早期船舶通信系统网络架构多匹配DSC（Digital Selective Calling Terminals，数字选择性呼叫）单元，在更换AIS 系统后，该通信系统网络架构则无法匹配其状态，主要表现在关联数据丢帧、实时性差等方面，这导致早期AIS 系统的优势得不到体现。

2.3 系统抗干扰能力不足

船舶通信系统网络架构设计受环境限制较为明显，为满足通信系统的功能性需求，除区分“内通”与“外通”的同时，还需要根据相关单元的特点实现模拟通信、数字通信、网络通信、无线通信的网络架构设计要求，复合功能特征对船舶通信系统网络架构提出了更高要求，网络架构的抗干扰问题也就更加明显。

（1）船舶通信系统的“自扰”问题。以无线通信为例，船舶通信系统网络架构设计的“自扰”问题多为对无线通信的干扰屏蔽措施考虑不足导致，在网络架构设计中对定频、变频单元的频率构成并未进行深入分析，影响无线通信质量。船舶通信系统一旦发生“自扰”现象，则需要利用“排除法”进行故障定位，这使船舶通信系统“自扰”问题难以在短时间内解决。

（2）船舶通信系统的“抗扰”问题。基于船舶通信系统工作原理，除“自扰”问题外，非通信系统自身因素而形成的干扰现象同样较为明显，由于缺少差异化的抗干扰设计方案，导致船舶通信系统网络架构较为脆弱，无线通信质量明显下降。以近海航行为例，受来自陆地、海上等不同频段信号源的影响，船舶无线通信系统对复杂电磁环境的适应性偏低，且缺少屏蔽、滤波等设计，通信系统可靠性不足。

抗干扰能力不足是现阶段船舶通信系统普遍存在的问题，尤其是在船舶通信系统数字化、网络化水平不断提升的情况下，这将成为威胁船舶航行安全的重要因素之一。

3 船舶通信系统网络架构优化设计

为推动远洋运输行业的快速发展，则需要提供更加高效、安全、可靠的通信系统网络架构设计方案，在对传统通信系统进行深入分析的基础上，以及结合现阶段电子信息技术发展的实际情况，针对船舶通信系统网络架构的优化设计主要包括以下几个方面。

3.1 构建通信系统复合拓扑网络

船舶通信系统网络架构设计是在保证其基本功能的前提下，拥有较高的可靠性，从而保证系统状态稳定，传统通信系统网络架构的单一性不仅无法实现资源的合理分配，同时也对船舶通信系统安全造成了一定的影响，因此，优化通信系统拓扑网络就显得尤为重要，其中就包括复合拓扑网络。复合拓扑网络集合了网状网、树形网、星型网、环形网、总线网的优势，能够通过系统化、智能化的网络节点资源分配，提高船舶通信系统的稳定性、可靠性。

如图3所示，复合拓扑网络的构成较为复杂，需要根据功能差异对相关单元进行分类，以保证船舶通信系统网络架构设计的科学性，并且，基于各类型拓扑网络的特点，以及智能控制技术在船舶通信系统中的应用，复合拓扑网络优势如下。

图3：船舶通信系统复合拓扑网络架构示意图

（1）资源合理共享。环形总线网为各通信单元提供了相对稳定的高速信息传输通道，并依托星形网络使船舶通信系统网络架构设计的冗余性显著提升，即单一通信节点故障的情况下，可通过系统对资源的合理化分配，以构建最佳通信链路，提高通信系统的可靠性。基于复合拓扑网络的资源合理共享能够更好的解决船舶通信系统网络拥堵问题，尤其是星型网与总线网的复合，实现了算力智能分配下的通信网络资源的高效利用，这有效降低了通信单元发生宕机故障的几率。

（2）故障协同处理。从船舶通信系统故障分析与维护的角度考虑，复合拓扑网络可以对某一单元进行隔离，且不影响其它单元之间的信息传输，即在线故障协同处置，这对船舶航行安全极其重要。以树形拓扑网络为例，其虽具有良好的扩展性，且能够对各节点下故障单元进行隔离，但过度依赖于根节点，而网状网与树形网的复用，则实现了船舶通信系统不同单元之间故障协同处理的功能。

尽管，复合拓普网络的可靠性相对较高，能够满足船舶通信系统功能扩展的要求，但由于其结构复杂、成本高等因素，在设计中应坚持最小化原则，根据通信系统中各单元特点采取差异化的复合拓扑网络设计方案，使其更加灵活、高效。

3.2 优化船舶通信系统网络架构层次设计

在电子信息技术快速发展的过程中，为保证船舶通信系统的可靠性，则需要持续优化船舶通信系统组成。因此，在船舶通信系统网络架构设计中，应充分考虑不同扩展单元的匹配需求，这里选择层次架构设计理念，将船舶通信系统网络架构区分为硬件层、系统层和应用层三个部分，如图4所示。

图4：船舶通信系统网络架构层次解析图

3.2.1 硬件层

船舶通信系统的功能实现需要依托完整硬件系统组成，为保证其可扩展性，船舶通信系统网络架构中硬件层的设计应保留多类型接口，以满足不同通信单元的需要，提升硬件层的可扩展性。例如，为保证硬件层状态的稳定性，扩展通信单元驱动设备与网络接口应进行适配，对适配过程中出现的问题进行优化，使硬件层具有较高的可靠性。

3.2.2 系统层

船舶通信系统网络架构设计的可扩展性需要各单元在系统层上具有良好的兼容性，其中通信数据传输需要严格遵守相关网络传输协议，如TCP/IP、UDP、UDP-Lite、SCTP、DCCP、ARP、ICMP 等（如表1所示），在现有协议的基础上，为保证通信系统网络架构的可靠性与可扩展性，应强调新扩展单元网络传输协议向上兼容，对于兼容性较差的通信单元，应禁止接入船舶通信系统。

表1：Windows 系统与Linux 系统应用层数据报文关键位对比分析

3.2.3 应用层

应用层实现了船舶通信系统网络架构的多元功能，在向系统层发出请求的同时，建立系统进程，并根据请求完成情况动态跟踪系统进程。在对船舶通信系统架构设计进行优化时，需保证扩展单元数量增加的同时，系统进程应能够正常执行，这就要求通信系统网络架构应用层遵守TCP、FTP、DNS、NFS、TFTP、TELNET、URL、HTTP、SMTP、POP等协议，并在进程冲突时按照优先级实施进程控制，保证船舶通信系统工作状态正常。

例如，Windows 系统于Linux 在网络通信过程中存在无法“握手”的现象，利用Wireshark 对某次端到端指令进行抓包分析后可以发现，两个系统的数据报文格式存在明显差异（如表1所示）。基于数据报文时间戳与TSval、TSecr的关系，由于Linux 系统TCP 协议明确要求报文中需要增加时间戳字符串，而Windows 系统则并未要求，在对数据报文时间戳进行修改后，并未有效解决该问题，因此，WS（Window Scale，窗口缩放选项）参数的嫌疑也就最大。通过移除Linux 系统中的WS 值，Windows 系统与Linux 系统能够正常通信，基于TCP 协议的报文格式也能够满足船舶通信系统需要。

3.3 船舶通信系统网络架构抗干扰设计

根据船舶通信系统干扰现象的产生机理，基于网络架构的船舶通信系统抗干扰设计应重点围绕干扰源、干扰路径展开。

3.3.1 基于干扰源的网络架构优化

干扰源问题是影响船舶通信系统可靠性的重要因素之一，在有限空间内，应当结合复合型网络架构的设计进行干扰隔离，从而确定干扰源的类型，对干扰源影响范围内的通信系统网络架构进行优化。例如，在机舱通信系统网络架构优化中，应当对船舶通信系统网络架构的供电节点进行检测，获取机舱工作状态下个节点电压、电流的变化情况，对超出阈值的网络节点进行改进，通过增设耦合装置与空间网络节点优化等，将干扰源所产生的影响降至最低。基于以上设计，应急通信系统为与其它设备共用节点，其它设备启停过程中所产生的电压变化将对通信质量产生显著影响，通过调整机舱应急通信系统网络架构，可以提高应急通信系统的可靠性。

3.3.2 基于干扰路径的网络架构优化

在现有船舶通信系统网络架构设计中，除内部干扰源外，还包括外部干扰干扰源对无线通信系统的影响，基于无线通信的技术特点，以及参考无线通信系统网络架构，可通过优化网络架构的方式切断无线干扰路径，其中就包括增设无线电磁兼容模块和扩频模块。

（1）增设电磁兼容控制模块。电磁兼容技术是利用智能控制技术对本船通信系统网络架构进行优化，通过船舶通信单元综合管理模块，可以根据本船无线通信单元工作频率进行“开窗”控制，以避免本船无线通信单元工作时相互干扰。

（2）增设扩频模块。面出本船以外的不可控的电磁干扰，船舶通信系统网络架构设计优化应当利用扩频技术提升其抗干扰能力。扩频通信模块增加了船舶通信系统网络架构的抗干扰能力，如图5所示，需要传输的信息内容通过经过信息调制而成为数字信号，然后经过扩频调制后其频谱范围得到延展，延展后的信号中干扰信号的能量更加分散，信噪比增大，经反向解扩、解调后，干扰信号将在传输过程中被滤除，无线通信质量明显提升。

图5：无线通信系统扩频模块原理图

4 总结

船舶通信系统网络架构的优化能够在进一步提升通信质量的同时，减轻船舶航行过程中通信业务部门人员工作压力，提高通信数据处理效率，以保证现代船舶远洋航行安全。随着现代信息技术的发展，以及大数据技术、人工智能技术等在船舶通信系统中的广泛应用，船舶通信系统网络架构将持续完善，并成为推动海洋经济发展的重要支撑。