基于5G的船载测量设备通信系统设计

王布依祎 李一辰 于文彬 郑世宝

随着海洋应用的持续发展,船载测量系统作为海上信息获取的重要手段,在目标跟踪引导[1-2]、海洋地形扫描[3]、海空靶脱靶量测量[4-5]等民用或军用领域起到重要作用.在船载测量任务中,采集信息实时回传至岸站指控中心以及岸站指控命令及时下达至船站,是保证测量任务正常进行的基本条件.因此,建立稳定快速的数据传输系统是开发完整的海洋信息采集系统的关键[6].近年来,随着5G 通信[7]的飞速发展,以5G 技术为基础,实现稳定快速的海上数据传输成为船载通信系统的发展目标.

在实际任务中,船载测量设备配套通信系统一般分为船载数据传输和岸船数据传输两部分.船载数据传输主要通过无线自组织网络技术,实现船上各测量设备采集数据的汇聚以及控制指令的分发.自组网技术已经成熟运用在航空通信[8],无人机群通信[9]等多个领域,适合多节点的信息采集与传输,具有端到端传输时延低,节点重入网时间短等特点.随着5G 技术的深入发展,自组网技术将得到进一步提升[10].岸船数据传输负责船站与岸站间的远距离通信任务,主要依靠卫星通信、短波通信、超短波通信等[11-12]技术手段.然而,由于卫星通信有设备投入和使用成本高,通信时延长,数据传输容量有限等缺点,难满足大量数据回传的带宽要求和岸站遥控的实时性要求.短波与超短波通信由于传输带宽低、稳定性差、抗干扰能力弱等原因,也难以满足船载测量设备的数据传输要求.

根据船载测量设备的数据传输需求,本文以5G通信技术为基础,设计了配套的船载通信系统,具有高速率、大容量、低延迟等特性.同时,在系统设计中,5G 技术良好的抗干扰性[13]和安全性[14]为海上数据传输提供了可靠保障.在船载数据传输方面,各测量设备使用有线或无线方式将测量数据汇集至船载计算机.有线传输[15]具有时延低,速度快,供电方便等优点,而无线传输[16]多采用5G 自组织网络技术[17],具备布放方便、成本低廉、拓扑灵活等优势.本文中船载数据使用有线与无线相结合的方式传输,可根据实际需求合理选择[18-19].岸船数据传输选用微波通信技术与岸站指控中心进行远距离交互.微波通信[20-22]因其频带宽,吞吐量大,传输损耗小,以及优越的加密和抗干扰性能,是点对点近岸通信或地海通信的较好选择.

1 通信系统设计需求分析

在不同类型的测量设备中,通信系统都占据重要地位,作为整个设备的信息交换中心,承担着测量数据回传、控制数据下发等重要功能.如图1所示,以飞行器跟踪测量设备为例,通信系统作为飞行器跟踪测量的“心脏”将前置测量设备与后置指控系统连通.

根据船载测量任务的数据传输需求,各测量设备应先将测量数据等信息在船站汇集后统一传输至岸站;而岸站下发的遥控指令也应按相反方向,由岸站发送至船站,再依次分发至各测量设备.因此,通信系统主要功能应分为两部分,即船载数据传输和岸船间数据传输,故船载测量设备配套通信系统主要由船载通信网络子系统和岸船通信子系统组成.

通信系统以船载通信网络和岸船通信两个子系统为基础,为保证测量设备数据传输需求,应实现以下基本功能:

1)具备测量数据、图像、设备状态、遥控指令等实时传输能力,具备适应海上多路径、复杂电磁环境的能力.

2)具备全双工通信能力,支持上下行业务非平衡传输.

3)具备多种信道和系统状态监测能力,岸站、船站具备数据汇集和分发功能.

4)船载通信网具备有线/无线、直接/多跳的通信能力,单个通信设备失效不影响网络运行.

5)具备自适应通信能力,支持远距离设备参数配置.

2 系统结构设计

根据船载测量任务的数据传输需求,以通信稳定性为基本设计原则,以船载通信网络和岸船通信两个子系统为基本架构,本文设计了船载测量设备通信系统.该系统的结构示意图如图2所示.

由图2 可知,船载通信网络以有线/无线相结合的组成方式来保证不同情况下的通信质量.岸船通信主要由微波网桥链路和数传电台链路组成,二者优势互补且互为备份.在系统结构设计中,设置船站和岸站中心基站.船站中心基站作为通信系统的数据汇集中心连接船载通信网络和岸船通信子系统.船站中心基站主要包含设备有船载通信网络的中心设备、船载计算机、网络交换机、岸船通信设备.岸站中心基站仅包含岸船通信设备,并通过有线方式连接到岸站数据处理与指控系统.

图1 测量设备组成示意图Fig.1 The composition of measuring equipment

2.1 系统组成

根据系统结构示意图,船载测量设备通信系统组成与连接框图如图3所示.

由图3 可知,船载测量设备通信系统主要由船载通信网络设备和岸船通信设备组成,配以船载计算机、网络交换机、监控终端等设备组成完整系统.通信系统中设置多个船载通信子网,在实际使用中,不同船载通信子网服务于不同类型的测量设备.以飞行器跟踪测量为例,雷达、光学摄像设备均具备跟踪测量能力且各具优势,但所需的通信及数据处理能力却不相同.在船载通信子网设计中,应根据每种测量设备的数据传输需求组建配套的通信网络,并单独为该类设备配备船载数据处理计算机.

图2 船载测量设备通信系统结构图Fig.2 Structure of communication system for shipborne measuring equipment

2.1.1 船载通信网络子系统

在5G 新型组网技术的支持下,船载通信设备接入灵活、工作稳定,为各个船载测量设备提供良好的数据传输能力.5G 通信同样在安全性和抗干扰性上具有优势.相比以往的通信网络,5G 在认证措施、数据防护、隐私保护等方面进一步加强,同时[23],5G 技术可提升系统的抗干扰与抗截获能力[24].

在船载通信网络设计中,采用“无线为主,有线为辅,多种通信方式相结合,按需配置”的设计原则.设计思路以5G 无线通信为主,主要考虑无线网络传输相比于有线通信具有布放简单、快速的优点.由于船体相比陆地更不平稳,布放简单在船载测量任务中尤为重要.同时,使用无线通信在高海况等恶劣条件下无需考虑电缆、网线的固定等安全问题,无线链路相比于有线线路损坏概率更低.然而,尽管无线传输有如上述优点,但在特定情况下,有线传输优势明显,例如在电磁环境差、传输带宽大、无线传输干扰强的场景,有线传输更具优势.在图3 通信系统组成图中,有线通信分为网线和光纤通信两种,二者的使用需根据实际情况选择,通常,通信距离较近时应选用网线传输.

在船载通信网络设计中,提供无线、网线和光纤3 种通信方式.有线通信作为无线通信的备份方案保证了通信系统的稳定性;同时,不同通信方式的灵活选择贯彻了“按需配置”的设计原则,提供适用多种场景的解决方案.网线和光纤等有线通信方式为点对点传输,可直接接入相应的船载通信子网的船载计算机.无线通信设备采用“一对多”方式建立5G无线网络,即在带宽允许的情况下,使用一个中心节点与多个设备端节点同时建立连接,并在中心基站布放中心节点簇,与所有设备端节点进行通信.无线网络的构建可参照3.1 节.

2.1.2 岸船通信子系统

岸船通信子系统主要负责船站与岸站间的信息传输,其中上行传输采集的数据、图像以及各测量设备的工作状态,下行传输岸站对船站的遥控指令.

根据图3 通信系统组成图可知,岸船通信子系统主要包含微波网桥链路和UHF 数传链路.其中微波网桥链路为主干通信链路,具备非平衡全双工通信能力,上行传输测量数据和设备工作状态,下行传输遥控指令.为提高微波通信的抗干扰性能,避免与海杂波等低频干扰发生频谱混叠,可采用较高频段,实现频带隔离以减少干扰.在岸船通信子系统设计中,出于无线通信系统稳定性的考虑,在主干通信链路的基础上增加UHF 数传链路作为补充.UHF数传链路通信速率较低,作为整个船载测量任务的控制链路始终保持联通,可用于任务开始时船载设备的远程唤醒.由于UHF 数传链路的存在,船载测量任务操作流程可如图4所示.

图3 通信系统组成与连接框图Fig.3 Communication system composition and connection

除设备远程唤醒外,UHF 数传链路可用于主干链路出现故障时的应急通信链路,其传输能力可与主干网络的下行链路互为备份.同时,在带宽允许情况下,UHF 数传链路也可为测量设备传输必要信息,如雷达设备的RTK 数据.

以通信稳定性为设计原则,包含微波网桥主干链路和UHF 数传补充链路的岸船通信方案的主要优点如下:

1)UHF 数传链路作为补充链路,主要用于应急通信、初始唤醒等功能,与主干链路任务功能不同,一条链路的损坏不影响另一条链路的正常工作,提升系统的可靠性.

2)在岸船数据传输中,船站设备工作状态和岸站遥控指令均为保证系统正常运行的重要数据,UHF 数传链路可作为此类数据传输的备份链路,提升系统的可靠性.

3)主干通信链路与UHF 数传电台工作于不同的频段,降低了特定频段干扰对系统可靠性的影响.

4)UHF 数传电台相比于主干通信链路,工作频率较低,可以传输的距离更远.

图4 船载测量任务操作流程Fig.4 Operation process of shipborne measuring tasks

2.1.3 船载计算机

在通信系统结构设计中,由于每个船载通信子网负责不同种类测量设备的数据传输,数据所需的处理方法和能力也不相同,应为每个船载通信子网单独配备船载计算机.

同时,船载计算机与船站中心基站网络交换机组成船站两层网络交换架构,船载计算机通过通信设备与各测量设备连接,起到了数据汇集、分发作用.

2.1.4 网络交换机

通信系统中在船站、岸站均设置网络交换机作为信息交换中心.各船载计算机之间可通过网络交换机进行数据交换,也可把需要回传至岸站的数据传递给岸船通信子系统并接收来自岸站的遥控指令.

在通信系统设计中,由于船载通信网络又细分为多个子网,会提供多路输入输出信号,而岸靶通信设备数量有限,故网络交换机可起到重要的分/复用器作用,可为岸船通信设备提供多路输入输出接口.测量数据回传岸站时,各船载计算机输出多路数据,经过网络交换机复用为一路输入给岸船通信子系统;岸站下达遥控指令时,到达船站的指令信息通过网络交换机分用为多路输出给相应船载通信子网,最终到达各测量设备.

2.1.5 监控终端

设备监控主要用于保障岸船通信子系统的正常平稳运行.如图3所示,监控终端直接与微波网桥和UHF 数传电台连接,用于设备工作状态监控.监控终端也接入船站/岸站中心基站网络交换机,用于接收指控中心的遥控指令和回传岸船通信设备的工作状态.

监控终端作为岸船通信稳定性的重要保证,其主要作用如下:

1)使系统具备岸船通信设备工作参数的远程配置能力,可调整如通信带宽、发射功率、工作模式等内容.

2)使系统具备实时获取岸船通信设备工作状态并回传至岸站指控中心的能力.

3)UHF 数传电台与微波网桥设备在下行通信链路互为备份,监控终端使系统具备备份切换能力.

4)使系统具备岸船通信设备的故障诊断与恢复等能力.

5)可作为系统调试终端使用.

3 系统设计要点分析

3.1 船载无线通信网络分组、多机复用

在船载通信网络中,有线通信均为点对点传输,应主要考虑设备布放的合理性和安全性,而无线通信采用“一对多”工作模式,在实际使用中根据实际情况应考虑网络分组、多机复用等使用模式.

3.1.1 网络分组

在实际测量任务中,为保证系统测量精度高、覆盖范围广,通常使用设备数量较多.此时在船载通信网络的无线通信部分(简称:船载无线网络),设备端节点数量增加,采用“一对多”的工作模式,会导致中心节点带宽压力较大,影响数据传输质量,特别是在单个测量设备所需通信带宽较大的情况下.

为此,船载无线网络设计中,采用多个中心节点组成中心节点簇代替单一中心节点,并将设备端节点分组,每组节点对应一个中心节点.船载无线网络分组示意图如图5所示.

图5所示的船载无线网络分组策略与图3所示的多个船载通信子网契合.在实际使用中,按照“无线为主,有线为辅” 的原则,相同种类的测量设备使用同组无线网络进行通信,形成一个船载通信子网,并在需要时在相应子网中加入有线传输.

3.1.2 多机复用

在测量设备较多时,为降低节点个数,可考虑在通信带宽允许的情况下,多个测量设备复用同一通信节点.

多机复用方案可以减少网络中的节点数量,降低布放复杂度.但同时也降低网络的可靠性,即当被复用的节点失效时,会导致多台测量设备无法传输测量数据.故在通信稳定性要求较高的任务中,推荐每台测量设备单独配备通信节点.若选择多机复用,应至少满足如下条件:

1)复用同一节点的测量设备临近布放,多机复用不会额外增加布线复杂度.

2)测量设备使用存在冗余,单台设备通信失效对测量结果影响有限.

图5 无线网路分组示意图Fig.5 Wireless network grouping

3.2 船载天线随动补偿

3.2.1 岸船通信天线对准问题

在岸船通信子系统中,远距离数据传输应使用定向天线.定向天线的方向性好,具有增益高、传输距离远、抗干扰能力强等诸多优点,但因其主瓣较窄,天线对准难度较大.特别在岸船通信中,随着海况、船体漂移等因素的影响,天线对准难度逐渐增大.

3.2.2 解决方案

针对岸船通信天线对准问题,可设计船载天线随动补偿伺服稳定平台以保证天线实时对准.

在稳定平台中,惯性测量单元和天线场强测量单元为主要测量模块,其中惯性测量单元提供船体实时姿态数据.稳定平台采用卡尔曼滤波[25-26]为核心算法,经过预测、校正等计算过程,输出平台补偿角度,引导云台转动并对外界干扰进行补偿.

在稳定平台随动补偿过程中,首先使用惯性测量数据得到船体随海浪等外部干扰摆动的幅度、速率等,进而预测出稳定平台的补偿角度.稳定平台根据补偿角度转动,并测量转动后的天线场强,再通过天线场强理论与测量的差值对平台转动角度进行矫正.

上述随动补偿方案中,由于惯性测量单元存在累计误差,设备在长时间使用时无法保证预测角度的准确.可使用如下两种方法解决此问题:

1)稳定平台可根据惯性测量设备误差发散相关参数以及历史解算结果对误差进行建模,以补偿惯性测量单元误差.

2)由于海浪等主要干扰因素具有周期性特点,且在相关部门均有大量可查数据,可根据已有数据对船体倾斜姿态进行估计,以补偿惯性测量单元的误差发散.

根据上述随动补偿技术设计,基于稳定平台的船用天线对准流程如图6所示.

图6 天线对准过程Fig.6 Antenna alignment process

4 应用案例分析

4.1 掠海型无人靶机跟踪测量

随着近海防御技术的发展,超低空掠海飞行因其良好的隐蔽性,成为现代战争中飞机、导弹等打击目标的主流突防方式.因此,在近海防御装备研制过程中,掠海型无人靶机是重要的保障性器材[27].在掠海型无人靶机研制、试验、打靶过程中,靶机实时跟踪测量系统必不可少.

本文研究的船载测量设备通信系统可为无人靶机实时跟踪测量数据回传提供可靠的数据传输保证.

4.2 船载靶机跟踪测量设备通信系统

4.2.1 通信需求分析

在无人靶机跟踪测量任务中,测量设备通常有雷达、光学相机等.其中雷达设备应配备全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收机,实现对雷达所在平台的姿态测量,两者几何中心保持一致,以便进行目标绝对位置的反演.光学相机应包含常速实况相机和高速跟踪相机,其中常速相机负责实况摄像,高速相机负责光学跟踪.

在测量任务执行过程中,雷达、高速相机采集到的测量数据、视频在船载计算机预处理后应通过岸船通信子系统回传至岸站,经岸站多源融合处理后得到靶机精确的飞行轨迹.同时实况相机应及时回传实况视频向岸站指控中心提供现场画面.

4.2.2 通信系统设计

根据无人靶机跟踪测量任务的通信需求,以本文提出的船载测量设备5G 通信系统架构为基础,设计了船载靶机跟踪测量设备通信系统,如图7所示.

在船载测量设备安装时,雷达设备和岸船通信设备均配备天线,需安装在较高位置,通常为船站的铁架或铁塔上.由于二者相近的安装需求,雷达设备和船站中心基站的安装通常距离较近,直接使用网线连接.故在图7所示的通信系统中,雷达、GNSS均使用网线接入雷达船载计算机.

光学常速相机用于实况拍摄,通常需要使用多台相机以保证画面清晰和拍摄范围全覆盖,且各台相机分布较为分散.此时常速相机最适合使用船载无线网络进行数据传输.在本通信系统中,为每台常速相机配备一台无线网络节点用于视频传输.由于视频传输所需通信带宽较大且常速相机数量较多,在中心基站处设置中心节点簇接收实况视频.

图7 船载靶机跟踪测量设备通信系统Fig.7 Communication system for shipborne target tracking equipment

光学高速相机用于无人靶机光学跟踪,其布放特性与雷达类似,故在与中心基站临近布放时可选择网线通信.若高速相机布放较为分散,在无线通信带宽允许时应优先使用无线传输.若传输所需带宽较大且分布距离中心基站较远,则应考虑光纤通信.

雷达测量数据到达船载计算机后进行数据预处理,得到的需要实时回传至岸站指控中心的数据仅为靶机运动轨迹等相关结果,所需通信带宽较少,对岸船通信子系统传输性能不构成较大带宽压力.

光学常速相机需实时回传实况视频,视频传输本身所需带宽较高,对岸船通信可用带宽提出较高要求,特别是在通信距离较远的情况下.因此,光学常速视频经H.265 视频编码方式,在保证视频质量的前提下尽量压缩视频传输所需带宽.同时,光学船载计算机接收到多路实况视频数据,应选择1 或2 路进行实时回传.

光学高速相机视频信息传输至光学船载计算机后应进行实时抽帧输出,以减少岸船通信子系统的传输压力.

雷达、光学测量数据经岸船通信传输至岸站中心基站网络交换机,并通过有线方式传输至数据处理与指控系统进行数据融合和综合显示.

5 结论

本文针对船载测量设备数据传输问题,分析和总结了船载测量任务配套通信系统应具备的基本功能,并以5G 技术为基础针对性设计了通信系统架构,实现了数据的高速率、低延时传输,网络结构的灵活变化,以及通信链路的安全可靠.该系统实现了船站测量数据回传以及岸站遥控指令下发的全双工非平衡传输.系统设计以通信稳定性为基本原则,分为船载通信网络子系统和岸船通信子系统.船载传输网络采用有线与无线相结合的搭建方式,保证了系统的环境适应性.在船载无线传输部分,使用中心节点簇代替单个中心节点的方式达到缓解数据汇聚处带宽压力的效果.为适应复杂海况,在岸船数据传输中设计微波网桥为主干通信链路配以UHF 数传链路,保证岸船通信的稳定性.同时,船载天线随动补偿技术解决了恶劣海况下的天线对准问题.本文基于5G设计的通信系统架构,可在海上复杂环境中保证数据稳定快速传输,为近海防御等应用场景提供了一种通信系统设计思路.以该通信架构为基础,深度结合5G 通信技术,进一步提升系统稳定性与数据传输速率将是今后的研究重点.