0 引　言

远程通信对于船舶之间信息的交互的航行任务的发布与管理以及发生船舶碰撞事故时的遇险救援等都起着十分重要作用。受到水域环境的限制，无法使用有线布设的方式实现船舶通信，因此在多个水域都建立了无线通信基站，海域内的营运船舶可以通过无线网络实现移动通信^[1]。由于海上船舶数量及其通信业务的迅速增长，卫星通信网络的负载随之增加。同时受到其他卫星信号以及船舶航行信号的干扰，导致当前船舶通信系统存在严重的通信延迟问题，且在数据传输过程中出现大量的信号丢失。为此有必要对传统的无线网络进行升级优化，并在此基础上优化船舶远程快速通信系统的功能和性能。

1 船舶远程快速通信硬件系统

根据无线网络的布设方案，调整通信系统中硬件设备的连接方式。图1为船舶远程快速通信硬件系统的组成框图。除无线网络外，还需要对硬件系统中的其他设备进行优化，保证系统中的所有硬件设备之间的适配程度。

1.1 无线远程网络模块

无线远程网络设计的目的是实现船舶实时通信数据的远程传输，无线网络的设计和优化是通过7层的传输设备、交换设备和路由设备来实现的^[2]。无线网络的优化设计结果如图2所示。其中，路由器具有可靠性高、稳定性好的优点，但由于无线网络协议复杂、网络组态不够灵活，因此必须使用DHCP中继或DHCP服务器等辅助功能实体。无线网络为多个船舶终端节点汇聚、通信协议转换、地址映射等功能的实现提供硬件支持。汇聚网主要完成对入层流的汇聚、流量监控、终端设备的识别和认证以及不同主IED的网络连接^[3]。无线网络中船舶终端的位置会根据船舶的实际航行状态而发生变化，因此，无线网络信道会不断改变，从而使其拓扑结构呈现出动态特性。无线网络中的节点不但会改变空间位置，而且还会改变节点数目，因此，在组网时，必须要具备特定的路由和连接模式。

1.2 船舶通信数据无线收发器

在考虑功耗、工作效率的前提下，选择CC2430芯片代替传统无线收发器芯片，该设备适用于多种无线网络节点，包含调谐器，路由器和终端装置。该芯片有一个强有力的整合开发环境，并提供了一个基于行业规范的内部线路的交互调试^[4]。

1.3 通信数据处理器

优化设计的通信系统选择LM3S9B90型号的处理器来替换传统系统中的处理器设备。通信数据处理器安装的目的是管理无线网络的通信程序、逻辑控制以及数据的收集和处理，而处理器的接口则是控制设备和外部设备之间的信号传输的重要途径^[5]。电源电路为 CPU提供稳定的输入电压，JTAG电路可以为CPU的调试提供一个接口，用户可以通过 JTAG的方式来获取内部的数据，并可以对系统的运行进行升级^[6]。CAN和网络接口是为了实现设备的扩充和联机更新。

1.4 系统抗干扰设计

为了有效地消除由于电磁辐射和导电引起的传输干扰，采用 CBB电容器件，实现耦合、滤波、调谐等功能。在进行抗干扰设计时，通过对单片机和信号接收机之间的光耦合来实现对无线网络的抗干扰。

2 船舶远程快速通信系统软件功能设计 2.1 设置无线网络通信协议

路由协议的首要任务就是提供一个可靠的、最小的路径选择。为适应船舶实时运动的特点，采用动态源路由协议DSR作为通信协议，仅当数据传送请求发生时，DSR协议不需要存储路由信息。DSR通信协议可以迅速响应网络的变动，而当节点的移动或其他改变时，DSR通信协议可以确保更高的报文传输速率。DSR通信协议在建立正向路由时，首先启动路由请求消息RREQ，报文RREQ所承载的信息域包含路由请求、目的节点IP地址、源节点IP地址等^[7]。报文RREQ数据请求被发送之后，该广播ID将会被自动地增加1，将RREQ包广播给相邻的节点。在船用无线自组网中，船舶的ID是唯一的，所以可以用船舶ID来替代请求资料RREQ中的源、目标地址。

2.2 选择船舶远程快速通信信道

根据当前无线通信网络的工作状态以及待传输数据的大小，选择合适的通信信道，从而保证通信数据能够以最快的速度到达接收端。一般来讲，通信信道的工作状态可以分为空闲状态、工作状态以及异常状态3种^[8]。空闲状态指的是当前信道中未执行任何传输任务，此时需要比较传输数据与信道之间的大小关系，若传输数据不大于信道带宽，可以直接选择该信道进行通信，否则需要进行下一个信道的空间比较。信道带宽的计算公式如下：

$ W = f \cdot \phi，$

(1)

式中，f和 $ \phi $ 分别为总线数据传输频率和数据总线位数。如果检测结果表示信道处于工作状态，则当前信道可占用量可以表示为：

$ {W_{{\text{allow}}}} = W - {W_{{\text{occupy}}}}。$

(2)

式中，W_occupy为信道占用量。

按照上述方式进行可用空间比较，确定当前信道是否能够完成对应的通信任务。此外，异常状态的通信信道指的是当前信道存在物理破坏或通信拥塞，此时无法选择该信道执行通信任务。

2.3 船舶远程通信拥塞控制

选择合适的信道可以在一定程度上避免系统出现通信拥塞的情况，但除了通信程序的缓存长度之外，数据的传输速度也会造成通信拥塞。假设通信数据的起始发送速率为v_start，则任意节点的通信速度可以表示为：

$ \nu = \frac{{{\nu _{{\text{start}}}} \times m}}{N} 。$

(3)

式中， $ m $ 和 $ N $ 分别对应的是无线网络中的信道数量和节点数量。

上述方式能够将各子信道中各子信道的通信带宽平均分配，并对各节点间的通信流量进行控制，以保证各子信道的传输率不高于节点的传输速率，从而避免系统出现网络拥挤。

2.4 实现船舶远程快速通信

在选择合适通信信道的基础上，传输距离的计算公式如下：

$ d = 3.57 \times \left( {\sqrt {{h_t}} + \sqrt {{h_r}} } \right)。$

(4)

式中，h_t和h_r为接收端和发送端的网络天线高度。

收集并整合待通信的船舶数据，并将选择信道以及传输距离输入到发送队列中，启动发送程序。经过信道的传输，达到接收端，并按照图3流程，完成通信数据的接收。

3 系统测试

测试优化设计的无线网络船舶远程快速通信系统的可行性，搭建系统开发与测试环境，针对系统的通信功能设计系统测试实验。

3.1 配置实验环境

按照硬件系统的优化设计结果，布设无线网络并安装相关的硬件设备，保证系统中使用的无线网络能够覆盖到船舶航行的所有路径。在实验环境中安装干扰装置，设置干扰强度为15 dB，并分别在无干扰和有干扰2个环境下，执行系统的远程通信任务。

3.2 准备船舶远程通信数据样本

为了保证系统测试结果的可信度，实验中设置200个通信数据样本，每条通信数据样本中的数据类型包括文本、图片、视频等，其中部分数据样本的准备情况如表1所示。

3.3 描述系统测试过程

利用编码技术将优化通信系统的软件部分转换为程序代码，代入到上位机中。将准备的通信数据样本逐一输入到船舶终端，确认通信目标后启动通信任务，并最终输出通信结果。

为了实现系统通信功能的量化测试，设置通信数据丢包量和通信时延作为实验的2个测试指标，其中通信数据丢失量的数值结果为：

$ {\delta _{loss}} = {\delta _{{\text{send}}}} - {\delta _{{\text{receive}}}}。$

(5)

式中， $ {\delta _{{\text{send}}}} $ 和 $ {\delta _{{\text{receive}}}} $ 分别为通信数据的发出量和接收量，计算得出数据的丢包量越大，证明相应系统的通信功能越差。另外通信时延指标即为通信数据发出到成功接收的时间，可以通过对后台数据的提取直接得出。为了体现出优化设计系统在通信功能方面的优势，实验中设置了传统的基于GPRS的船舶远程通信系统作为实验的对比系统，在测试过程中保证系统的运行环境以及通信任务均相同。

3.4 系统测试结果分析

经过相关数据的统计得出量化测试结果，其中数据丢失量的测试结果如表2所示。可以直观看出，当通信环境中存在干扰时，会给通信系统带来不同程度的影响，与传统通信系统相比，优化系统的干扰量更少。将表1和表2的数据代入到式(5)中，在无干扰环境下，得出传统通信系统和优化通信系统的平均丢失量分别为1.24 GB和0.05 GB，降低了1.19 GB。而在干扰环境下，2个通信系统的数据丢失量的平均值分别为4.27 GB和0.17 GB，由此可见优化设计通信网络的抗干扰能力更强。

通信时延的测试结果如图4所示。可以看出，与无干扰环境相比，由环境干扰情况下，2个系统均存在不同程度的通信延迟情况。综合2种实验条件，发现优化设计的船舶远程通信系统的通信时延始终低于对比系统，由此证明优化系统的通信速度更快，通信功能更优。

4 结　语

无线网络的船舶远程快速通信系统设计，针对传统通信系统的弊端，进行有效改进。系统测试结果表明，优化的通信系统对于船舶的安全航行是有更好的实用价值。