海洋应急指挥机动通信组网系统中多模融合无线通信技术研究

许志强

(青岛杰瑞自动化有限公司,山东 青岛 266061)

0 引 言

在应对海上突发事件时,相关部门常常需要通过部署空中、水面、水下的各种载体实现事发现场的各种信息采集,为后续指挥、调度、决策和预判提供可靠信息来源．

如何有效地在海洋各种平台之间实现海洋各种信息要素的快速、实时通信成为关键问题．随着卫星通信及其他多种无线通信技术的快速发展,在海洋多平台之间搭建实时、可靠、无缝的、窄带与宽带通信结合的无线数据传输链路是多年以来炙手可热的研究课题．

海洋无人平台的数据传输方式从短波通信、到依赖基于Argos、Inmarsat-C 系统的卫星通信终端进行通信,有着显著而卓越的进步,但是所用到的Argos 和 Inmarsat-C系统由于使用费较高而限制了其使用．近年来,铱星通信系统逐步普及,缺点是实时性差．中国的北斗卫星导航系统(BDS)作为覆盖有源三维卫星定位及实时通信系统,实现了全球覆盖,中国的天通卫星通信系统覆盖整个亚太地区,实现了该地区大范围的实时语音与数字通信,这两种卫星通信技术逐渐成为现代海洋无人平台通信手段的重要选择．

本文叙述的海洋无人平台采用完全自主可控的通信组件构建多模融合的无线通信链路,采用智能通信网关对无线通信链路进行路由智能控制,实现了机动部署的无人平台与水面母船、无人艇、空中无人机、水下航行器之间的双向实时、可靠、无缝的、窄带与宽带通信结合的无线通信链接的目标．

1 系统结构和原理

当前,海洋多平台机动通信组网不断向着功能专用化和组网方式多样化的趋势蓬勃发展．本文围绕系统组网、智能通信网关控制技术、低功耗控制技术方案等问题,给出系统的解决方案．

1.1 海洋应急指挥机动组网通信系统概述

海洋无人浮标平台、母船、无人艇、无人机、通信卫星、遥感卫星、地面端数据中心及水下运动载体等能组成一个完整的海洋应急指挥机动通信组网系统．系统组成如图1所示．

图1 完整的海洋应急指挥机动通信组网系统

机动部署海洋无人平台作为连接空中、水面与水下的关键信息节点,为了将水下载体与岸基数据中心的通信链路可靠贯通,在海洋无人平台上安装天通卫星通信组件、北斗短报文通信组件、无线网络网格、远距离无线电、超短波通信组件、WiFi通信组件、水声通信组件、光通信及电磁耦合通信组件等．

上述海洋应急指挥机动通信组网系统的上行通信链路是:预警信息、水文特征信息和水声原始数据等通过水声通信、光通信和电磁耦合通信链路,传输到海洋无人平台,海上无人平台再通过三种不同的通信链路发送给不同的水上及陆空目标,第一种是通过无人平台上的MESH、LORA、超短波通信链路把信息发送到母船,再由母船上的卫星通信链路发送到岸基数据中心;第二种是通过MESH、LORA、超短波、WiFi通信链路把信息发送到空中无人机和无人艇,再由母船回收无人机无人艇后,通过母船卫星通信链路发送到岸基数据中心;第三种是直接通过天通卫星通信、北斗短报文通信链路发送到岸基数据中心．完成数据的上行(水下载体→无人平台→岸站)传输．其中光通信、MESH和WiFi通信链路可以传输较大量信息,其他链路传输少量关键信息．岸基数据中心到水下载体的下行通信链路与上述链路相反．

上述各种通信方式的传输性能如表1所示.

表1 多种通信方式传输性能对比表

海洋无人平台选择上述通信方式,就是综合考虑了每种通信方式在带宽、传输距离、经济成本等方面的互补性．

水上部分,天通卫星通信链路适用于水面上远距离传输,可传输较大量的数据信息和语音信息;北斗短报文链路适用于水面上远距离传输,可传输小量的预警信息和控制指令;MESH通信链路可在水面上几千米到几十千米范围内传输图像、语音等信息;超短波、LORA通信链路可在水面上几千米范围内传输中等量的数据信息;WiFi天线链路可在水面上短距离内传输大量的图像、语音、水文气象等信息．

水下部分,水声通信、光通信和电磁耦合通信用于水下通信,水下载体的位置信息、状态信息等可通过水声通信链路在数千米范围内传输到海洋.无人平台完成出水链路;水下移动载体采集的大量海洋环境信息可在短距离范围内通过光通信、电磁耦合通信链路传输到海洋无人平台完成出水链路．

无人平台的通信系统包括天通卫星通信组件、北斗短报文组件、LORA组件、MESH组件、光通信组件、电磁耦合通信组件、超短波通信组件、WiFi通信组件及水声通信组件等,这些通信链路统一由智能通信网关进行管理和操控,实现向岸基数据中心发送水文信息和预警信息、接收来自卫星的遥控指令、接收北斗短消息和定位授时信息[1]、水下载体进行水声、光和电磁耦合通信等功能,如图2 所示．

图2 无人平台通信系统组成

1.2 网络体系结构

海洋应急指挥机动通信组网系统采用主动网络,又称为可编程网,是一种新的网络体系结构,和传统网络有着很大的不同,传统网络仅负责在终端和系统之间转发数据,并不改变其内容,而主动网络则加入了网络内部的计算和处理功能,智能网关设备通过定制化的程序可以对通过它的用户数据进行分析计算,而不仅仅是被动地转发,从而提高了网络的交互能力．

海洋机动通信组网需采用主动网络以具备可编程定制的能力,同时还必须根据组网决策的不同确定基本网络结构图,一般情况下海洋机动通信组网通信网采用分层分布式组网[2],这种网络是分多层结构的,在同一层结构中所有节点的地位都相同．分层节点之间采用完全分布式的方式,其结构如图3所示．

图3 分层分布式分群网络结构图

随着海洋应急指挥机动通信组网系统中节点的不断移动和变化,建立的通信路径也会不断变化,如果网络中的源节点和目的节点之间存在着多条可用的通信路径,就会存在路径选择的问题．主动网络可以选择适当的路由来获得较好的网络特性,图2中的虚线箭头表示的是网络在原来的通信路径破坏后再选择建立的通信路径．采用基于多维度信息交互算法[3]的智能网关技术实现主动网络的路由选择．

1.3 智能通信网关技术

1.3.1 概述

智能通信网关是海洋无人平台中的核心组件,它可以在各种网络协议间做报文转换,能够完整地解析出报文的内容,并且智能地将它转换为另一种协议,智能通信网关起到了核心的信息处理与桥接、链路管控和功耗管理的作用．

通过系统提供的组态配置参数,可以设定不同物理通道上运行的通信协议进行数据采集,对要采集的数据设备的物理地址、通道地址或者参数名称等,能够自主设定． 对于已采集到设备中的数据,网关运行程序能够以各种方式进行操作,包括:数据变换、数据过滤、运算处理、历史数据存储、统计处理、报警处理、服务请求等． 对于已处理好的数据,网关运行程序能够按照已组态配置好的方式,包括物理连接方式、数据转发协议类型、站物理地址、转发数据通道地址或者参数名称等,将数据转发至岸基数据中心．

平台上电后,智能通信网关自动对水声通信组件、北斗短报文组件、LORA组件、MESH组件、光通信组件、电磁耦合通信组件、超短波通信组件、WiFi通信组件及天通卫星通信组件等进行自检,识别各个组件的工作状态,通过对各个通信链路的信号状态和信号强度的监测,采用通信信道智能控制技术,自动选择最佳通信链路,确保局域及远程通信的畅通．同时,采用数据压缩加密算法对传输数据进行处理,确保数据安全、高效地传输,采用通信带宽动态控制技术,确保通信的连续可靠．电源模块提供输入电源转换后的二次电源,供给各个模块,确保平台正常工作．

1.3.2 智能通信网关的技术原理

智能通信网关的技术原理如图4所示.

图4 智能通信网关技术原理控制方法

智能通信网关实时监测天通卫星通信组件、北斗短报文组件、LORA组件、MESH组件、光通信组件、电磁耦合通信组件、超短波通信组件、WiFi通信组件及水声通信组件通信链路的信号质量,自动选择最佳路由进行双向通信传输,当传输质量下降时,智能通信网关从监测的通信链路中选择最好的链路和通道,自动将数据流切换到更好的通信信道．对于重要的信息,依据数据压缩加密算法进行处理,确保信息的安全．

1.3.3 无人平台智能通信网关的工作流程

网关控制主程序随设备上电后开始运行,完成控制逻辑类的创建和初始化．配置完成后,随即进入设备管理类的循环,开始对各个通信链路的信号状态和信号强度进行检查,对消息队列进行查询并处理、分发．结合硬件设计方案和逻辑控制类的划分,主程序会不断循环对消息队列进行查询,当消息队列有消息时,对消息进行分发,包括对消息类型的判定,完成对消息的转发、或对命令的执行．

1.3.4 智能通信网关基于融合通信智能算法的通信信道智能控制策略

智能通信网关负责无线通信自组织建立网络,实现有序通信．采用基于RTS/CTS握手机制的冲突避免型(MACAW)协议[4],MACAW类协议以最小化数据碰撞为目标,通过RTS/CTS交互来避免隐藏终端和暴露终端,适合小规模的多跳式网络．

图5为协议行为示意图．当节点有数据需要发送时,首先进入“退避”状态,监听信道中是否有其他节点正在通信,如果没有监听到其他节点的通信,则发送RTS帧,目地节点接收到RTS帧后,发送CTS帧,源节点收到CTS帧后,开始发送数据帧DATA,目的节点收到正确的DATA帧后,就返回确认帧ACK．共享同一个信道的其他节点接收到RTS/CTS后进入一定时长的“静默”状态,在静默状态下,为了不干扰其他节点的通信,节点不能发送信息．

图5 协议行为示意图

智能通信网关负责支持无线通信网络动态路由,保障网络通信链路的抗毁性．在路由协议上采用固定式路由和泛洪-按需式路由相结合的方式,岸基指挥控制中心通过浮标无线通信链路——水声通信下行链路,可以人工设置和修改无线通信链路之间的路由关系;当移动节点需要通过水下网络将数据发送至岸基数据中心时,可以发送路由请求消息,自动寻找去往出水面浮标的路由．图6是泛洪-按需式[5]路由处理流程图．

图6 按需式路由处理流程图

智能通信网关无线通信传输协议规范采用标准SLIP协议[6]．在每个设备信息帧的首尾各加一个特殊的标志字节END,封装成SLIP帧．

2 试验验证

2019年9月我们以湖上联调实验的方式对无人平台多模融合通信系统予以验证．通过岸基数据平台遥控无人平台,实现对无人平台的各个通信链路的测试和控制．

2.1 测试方法

1)完成布放所有无人平台节点;

2)通过指控软件,获取无人平台的定位信息,能够显示无人平台综合态势;

3)通过无人平台监控软件,修改无人平台中无线通信设备的工作模式(例如路由路径、休眠模式等),能够以指定路由或自动路由的方式进行数据传输;

4)测试无人机和无人艇依次达到1#无人平台、2#无人平台完成测试．如图7所示.

图7 测试路径示意图

无人机和无人艇分别从岸边出发,分别经过离岸2 km远的1#无人平台和离岸50 km远的2#无人平台．1#和2#无人平台正常情况下分别通过LORA和MESH通信链路与岸基数据中心进行数据交互,当无人机和无人艇经过时,1#和2#无人平台分别与无人机和无人艇的LORA、WiFi、超短波通信链路建立链接,然后将信息发送给无人机和无人艇,通过无人机和无人艇的超短波、MESH和天通通信链路将信息传送到岸基信息中心．1#和2#无人平台通过无人机和无人艇的通信链路,与岸基数据中心之间实现自动路由信息传输．

2.2 测试结果

测试无人机和无人艇路过1#、2#无人平台时,二个无人平台的水下采集信息,能够以指定路由或自动路由的方式将数据传输到岸基中心指控软件,满足通信组网功能的指标要求．

1) 1#测试点结果

在1#无人平台,发射的数据如图8所示.

图8 1#无人平台发射的数据内容

岸基中心指控软件以自动路由形式接收到的数据内容如图9所示,可见与1#无人平台发射的数据完全相同．

图9 岸基中心指控软件以自动路由形式接收的数据

图10 1#测试点路由重构和信息传输过程

在1#无人平台,通过自动路由、路由重构功能,将信息准确传送到了岸基中心，如图10所示．

2) 2#无人平台测试点结果

在2#无人平台,数据源发射数据如图11～13所示.

图11 2#无人平台发射的数据内容

图12 岸基中心指控软件接收到的数据内容

图13 2#无人平台自动路由信息传输过程

在2#无人平台,通过自动路由、路由重构和MACAW协议功能,将信息准确传送到了岸基中心．

2.3 测试小结

试验结果表明,海洋无人平台多模融合通信系统能在不同测试区、不同通信条件下将水下无人航行器(UUV)的各种水文信息、预警信息、水声原始信息等经过多模融合无线通信链路自动路由选择发送到岸基数据中心,同时,数据中心可实时对无人平台的各个通信链路进行实时检测和控制．

3 结 语

本文针对海洋应急指挥机动通信组网在复杂海洋环境下的通信链路问题,提出了基于智能通信网关控制的海洋无人平台多模融合无线通信技术．经过实际测试,证明基于该技术,复杂海洋环境下海洋应急指挥机动组网系统中的无人平台能将采集的相关信息通过多模融合无线通信链路,自动选择路由将信息传输到岸基数据中心,同时接收岸基数据中心的各项控制指令,实现双向可靠信息交互．该技术的实现在海洋通信领域应用具有重大的意义,为近海、中海、远海全空间机动通信组网各信息节点的互联互通提供了有力的技术支撑．下一步,将进一步开发基于人工智能技术的智能通信网关软件控制技术,使得海洋无人平台能实现自我诊断、自我评估、自动修复、自动远程报警等多项功能,从而增强其在恶劣海洋环境下的可靠工作能力,更好地服务于海洋应急指挥机动组网系统网络．