全船无线通信系统网络架构与可靠性研究
发布时间：2021-09-13
摘要：分析船舶通信系统发展趋势以及发展船舶无线通信系统的必要性。根据无线传输特性和船舶内部环境，提出全船无线通信系统架构。应用试验检测和仿真方法，研究无线信号在船舶钢制环境下的传输特性，并开展可靠性分析，提出解决思路和方法。研究表明，通过合理选择通信频率，构建网络架构、优化通信协议等措施，可以建立全船可靠无线通信系统。
关键词：船舶;无线通信;架构;可靠性
0引言
船舶自动化系统经历了从模拟信号传输、继电接触器控制，到今天的数字信号传输、分布式控制(DistributedControlSystem，DCS)和总线控制(FieldBusControlSystem，FCS)的大发展。但是，随着智慧船舶和无人驾驶船舶的发展，数字传感器和数控装置的大量应用，设备与系统之间数据融合，复杂控制算法与实时控制，都需要重新考虑船舶自动化系统架构和传输网络，船舶自动化尤其是船舶内部通信需要一个颠覆性的变革。
无线通信从带宽、传输速率、可靠性、成本和安装维护便捷性等方面，超越和逼近有线通信，已经成为主流通信系统。5G通信时代已经到来，5G作为互联互通的接入网络，奠定了以无线通信方式作为主体地位的物联网系统架构。随着物联网技术不断发展，无论是船岸之间，还是船舶内部，无线通信将是船舶通信的一种主要方式，引领智慧船舶和无人船舶创新发展的方向[1-2]。
无线通信系统省去了布线，大大降低机舱通信系统造价，其造价大约是有线传输系统造价的1/10。此外，线缆孔的减少也将使船体造价降低，船舶建造工期也会缩短[3]。此外，无线通信在老旧船舶升级改造自动化系统工程中，能够解决布线难题，具有绝对优势。再者，对于军事用途舰艇来说，无线通信系统装备目标较小，构建方便，不容易遭受破坏，是作为备份通信的最佳选择。
在复杂船舶结构和环境下，设计稳定可靠的无线网络传输，并尽可能做到全船覆盖，是船舶无线通信研究的重点，相关研究在国内外已经开展[4-5]。本文在大量的实践基础上，根据无线传输特性和船舶内部环境，提出全船无线通信系统架构。选用433MHz和2.4GHz这2个通信频率段，应用试验检测和仿真方法研究无线信号在船舶钢制环境下传输特性，并开展传输可靠性分析，提出解决思路和方法。
1全船无线覆盖网络架构
1.1无线接入+有线主干网络架构
接入网采用无线网络，由基站与节点构成点对多通信方式，节点采集传感器数据并发送给基站，接入网也可被称为传感网。主干网采用传统的有线网络，由交换机、路由器和数据服务器构成，主干网也可被称为通信网。无线接入网与有线主干网结合，其网络拓扑结构见图1。基于该拓扑结构，通过广泛布置无线微基站，可以实现全船无线覆盖。
1.2全船无线网络架构
全船无线网络架构是指接入网络和通信网络都采用无线通信方式。网络由一系列固定或移动节点组成，节点具有数据采集终端和路由器双重功能，节点之间以无中心、对等、自组织方式实现通信接力，构成全船无线网络，即无线mesh网络，网络拓扑结构见图2。mesh网络组网快速、灵活、使用方便，传输可靠性高，即便一个节点出现故障，也可以选择其他传输路径，避免全网陷入瘫痪。
2无线信号机舱传播特性
无线信号在机舱中传输有3个核心技术问题：通信频率、通信能力(带宽)和可靠性。这些问题与无线信号传播特性相关，因此需要研究无线信号在钢制船舶环境下的传播特性。
2.1船舶内部通信频率的选择
机舱尺度有限，不会因为传输距离的原因而影响无线信号的稳定性，主要影响因素是机舱中大量的金属障碍物。无线信号传输在遇到障碍物时，主要有2种方式通过，即绕射和穿透。波长越长，绕射的能力越强，低频信号可以绕行大型建筑物;波长越短，波的能量越大，贯穿能力越强，超高频无线信号可以穿透墙体、太空电离层等障碍物传播[6-7]。
机舱是金属环境，对电磁波具有屏蔽作用，无法靠穿透方式传输。因此，无线信号在机舱环境传输，主要靠绕射，超高频和部分高频是不合适的。另一方面，由于通信频率越低，通信带宽越小，因此极低频无线通信带宽小，满足不了机舱通信带宽需求。综合考虑，船舶内部采用消耗频率在400MHz～2.4GHz范围中比较合适。
2.2机舱环境下无线传播特性
船舶机舱环境下无线信号传输过程中场强变化的模拟研究对选择适合的基站和节点安装位置非常重要。本文采用“育德”轮(集美大学实习船舶，总载重6.4万吨)机舱环境作为研究对象，其主机机舱比较宽敞，对无线通信比较有利。
无线传输特性研究主要应用实际测量和仿真方法。船舶主动力机舱环境复杂、障碍物多，宜采用试验方法实测无线信号传输强度[8]。本研究采用433MHz频率，将自主研发无线通信节点，分别设置为发射机和接收机，采用LoRa无线通信机制，采集电场强度信号。发射机布置在机舱底层集线柜处A位置，接收机放置在集控室层通道，每隔1m移动1次位置，共设置50个点(标记为#0～#49节点)，B是其中一个位置，如图3(a)所示。图3(b)为接收机节点实测的各点电场强度变化曲线，图3(c)和图3(d)为发射机和接收机安装现场。
从图3(b)中可看出，场强的变化与接收机到发射之间距离的线性关系不明显，接收功率波动较大，主要由于机舱环境复杂，无线信号传输反射波影响随机性所致。实测结果也反映了一些实际情况，如#9节点位置场强低至−30dBm，该位置位于主机烟囱正下方，且紧挨烟囱;#47和#48位置检测场强也比较低，是由于处在机舱平台立柱后面，说明大型障碍物对无线信号传输阻碍影响较大。通过现场实测方法，确定无线通信基站和节点安装位置，可以构建比较稳定的无线网络传输路径。
对结构比较简单的机舱，可采用仿真研究。把机舱的三维模型导入到WirelessInsite软件中，该软件自动对空间进行网格化划分和磁场强度计算[9]。图4为“育德”轮集控室无线传输特性仿真结果，纵坐标为接收功率值，水平面坐标为接收机相对发射机的位置，发射机安装在集控室外面。仿真计算显示，在发射机同一个平面，集控室接收功率最高为−8.2dBm，最低为−97.2dBm，接收机越靠近窗户位置，离发射机最近，接收功率越强，接收功率最低点处于集控室船舶电站配电柜背面，远离发射机，且被控制柜遮挡，属于信号盲区。
3机舱环境下无线通信可靠性分析与措施
船舶内部无线信号的传输可靠性主要表现在以下3方面：受到其他无线信号干扰、信号稳定性问题以及机舱金属环境的屏蔽作用。
3.1其他无线信号干扰问题
机舱环境复杂，干扰信号和噪声源很多，导致信噪比降低。通过测量信号频率，避开干扰源，难度大。可以通过扩频技术来增强通信抗干扰能力。
3.2信号稳定问题
可以采取一些合理的措施，提高无线通信系统的稳定性。首先，节点与基站之间尽可能在可视范围内，节点尽可能布置在磁场强度较高的位置;其次，优化网络结构，用尽可能少的节点构建网络，减少节点之间干扰;再次，制定优先级别，规划好传输协议，重点信号实时侦听、一般信号周期轮询、确保重要执行指令下发等通信协议策略，扩大通信容量，避免信号之间碰撞，提高稳定性[11]。
相关期刊推荐：《船舶工程》创刊时间：1978。本刊主要致力于在推动造船工业技术进步、促进船舶科研事业的发展、沟通会员单位之间的联系、报道学会动态和提供产品经济信息等方面发挥了重要的导向作用，已成为船舶及海洋工程领域中发行量大、覆盖面广的工程技术类刊物。
本研究设计基站采用4个通信频率，见图5，每个频率配置16个无线节点，每个节点采集32路传感器信号，最多可采集2048路传感器信号。需要将船舶信号按实时性要求分类，规划通信频率，制定防碰撞协议。
4个频率信道规划和防碰撞措施：1)用2个通信频率作为侦听信道，节点向基站主动发送通道，基站实时侦听采集数据，通过分时排队处理协议，确保信号在传输过程中不发生碰撞，响应时间小于500ms，满足实时性要求;2)用1个通信频率作为周期轮询信道，基站周期性轮流向各节点“要”数据，采集实时性要求不高的数据，采集周期可自由设定;3)用1个通信频率是作为下行信号通道，执行应急指令，确保每一个下达指令响应时间在500ms内执行。各频率之间频率不同，互不干扰，分时和轮询协议协同避免信号在传输过程中碰撞。
3.3金属环境屏蔽问题
船舶是一个大系统，设备分布在不同舱室，他们之间需要通信连接，不同舱室之间的金属隔离阻碍了舱室之间的通信。有必要对433MHz频率信号绕行或穿透船舶楼梯通道、窗户和消防门的能力开展分析。图4显示了在集控室外安装的发射机信号，穿过集控室玻璃门窗传到集控室内部的强度变化。结果表明，信号对一般尺寸的玻璃窗户具有良好的绕行和穿透特性。而在完全金属密闭舱室，可考虑开设类似观察孔的专用无线通道孔。本文接着开展仿真研究，分析多大的通道孔比较合适。
在WirelessInsite中构建1个体积为3m×3m×3m立方体金属密闭外壳，在立方体内部同一平面4个边角位放置4个完全相同的无线信号接收机，见图6中Rx位置，在Rx同一水平面1侧开通道孔，在通道孔外侧距离窗户位置10cm处放置无线信号发射机，见图6中Tx位置。无线电磁波穿过通道孔，在金属密封舱中反复折射，并不断衰减，用最大有效接收数据条数，即在最低接收灵敏度范围内的数据传输路径条数，来衡量磁场强度，在Rx位置接收的条数越多，表明磁场强度越大。
对于433MHz和2.4GHz这2个无线通信频率段，透过通道孔在金属密闭环境下无线信号传输特性的仿真结果见图7和图8。
从图7和图8可知，通道孔开口大小与数据传输效率成正相关，即当开口越大时无线数据传输效果越好，有效传输路径条数越多，接收机接收功率也越大;当开口大于0.1m×0.1m(分别比较图7(a)和图8(a))，433MHz和2.4GHz这2种频率传输特性差异不大，能满足密闭空间传输需求;当开口较小，对2.4GHz更加有利，当小到0.02m×0.02m时，433MHz频率段在密闭舱室内收不到有效信号，说明频率越高，通过微小通道孔的能力越强。
针对船舶楼梯通道，也做了无线信号传播特性仿真研究，楼梯开间较大，433MHz和2.4GHz频率段时都能获得较好的传输特性。由于楼梯通道结构复杂，受制于论文篇幅限制，在此不再赘述。
仿真研究表明：楼梯通道、非金属材料门窗都可以作为无线信号通道，实船实测试验也表明，“育德”轮仅在集控室和驾控室各安装一个433MHz无线基站，全船大部门舱室都能接收到稳定的无线信号，少数信号比较弱的舱室通过加装无线通信节点“桥”和开通道孔，也可以实现稳定的无线信号传输。
4结论
研究表明，构建一个好的无线通信网络架构，布置合适的基站和节点位置，设计好通信协议，实现全船可靠性的无线通信是可行的，甚至可靠性高于有线网络。本论文研究除在“育德”轮开展外，在其他船舶也开展了实际应用，实践表明无线通信网络是可靠的，性价比高，维护简单，值得推广应用。——论文作者：徐轶群a,b，徐弘b，孟令超b，涂婉丽a,b
