网络系统是船舶实现在航行时与地面站连接的基础，船舶网络系统是以无线网络为基础搭建的信息传输网络^[1]，其不仅可实现常规的通信业务，还是实现船舶导航、预警等功能的基础，因此网络系统是安全航行的基础^[2]。现在有很多学者设计船舶网络系统，冯建元^[3]设计了天基卫星网络系统，该网络系统将天基卫星网络加入到无线传感网络内，提升船舶通信网络的定位能力。但该系统在应用时，受卫星网络时延影响，需对卫星网络传输进行校正，运算步骤较为繁琐，因此应用范围不广。阳旺等^[4]设计无线传感网络系统，该系统以6 LoWPAN无线通信协议为基础，结合消息队列无线传输技术，构建船舶无线通信网络系统。但该系统在通信传输时指令接收不够稳定，导致其无线通信效果欠佳。我国5G网络技术建设逐渐完善，目前5G通信网络陆续投入使用。5G网络技术具备较好的兼容性和高效性，且其通信传输安全。本文以5G网络技术为基础，设计基于5G通信技术的船舶网络系统，提升船舶在航行过程中的通信能力。

B/S架构是浏览器和服务器相结合的系统架构方式，该种系统架构方式具备分布性较强、业务拓展便利和开发与维护简单的优点。本文以B/S架构为基础，设计基于5G通信技术的船舶网络系统总体结构，如图1所示。基于5G通信技术的船舶网络系统总体架构由地面站云数据中心层、控制传输层和通信终端组成。其在云数据中心层连接控制传输层内的5G核心网络，负责接收和管理船舶航行过程中产生的数据；控制传输层利用5G核心网络连接5G基站和MEC服务器后，再连接SDN控制器，利用SDN控制器，依据ZigBee通信协议，连接通信终端内的船载终端通信装置，控制该通信装置连接5G基站并将航行产生的数据传输到5G核心网络内，经过5G核心网络发送到云数据中心层内，实现船舶与地面控制站的之间的信息联通。

图 1 基于5G通信技术的船舶网络系统总体架构 Fig. 1 Overall architecture of ship network system based on 5G communication technology

系统通信终端层内的船载终端通信装置是实现船舶网络通信的基础，该装置连接船舶上不同硬件，负责采集不同硬件产生的数据^[5]，然后通过5G基站连接5G核心网络，将运行数据发送出去。设计终端通信装置，其结构如图2所示。终端通信装置将MCU微处理器作为核心控制芯片，利用电源模块为MCU微处理器供电。MCU微处理器连接船舶的船载监控装置、报警器、定位装置，接收船舶当前航行的监控数据、报警数据和航向定位、航向等数据后^[6]，利用状态监视器监视无线收发装置当前是否有来自控制传输层的SDN控制器的通信传输命令，若存在通信传输命令，则其通过信道切换装置向5G基站内发送船舶运行相关数据，实现船舶运行数据的采集和传输。

图 2 船舶终端通信装置结构示意图 Fig. 2 Structural diagram of ship terminal communication device

SDN控制器通过ZigBee协议连接系统的通信终端，其是连接舰船和5G核心网络的桥梁。因此以SDN控制器作为基础，架构5G核心网络云，其结构如图3所示。在5G核心网络内，存在n个接入点，各个接入点均连接本地疏导并连接交换机，通过交换机连接接入路由器和路由器，通过路由器连接本地疏导和本地SDN控制器，通过本地疏导和本地SDN控制器连接分布式移动管理实体^[7]、集中式移动管理实体、无线接入网络、本地服务器，实现信息的接收与传输。

图 3 5G核心网络云结构示意图 Fig. 3 Schematic diagram of 5G core network cloud structure

系统控制传输层与通信终端通过ZigBee协议互相连接，设计ZigBee协议，其结构如图4所示。ZigBee协议结构由应用支撑层、网络层、媒体介质访问层和物理层组成，其中利用公共接口连接船舶终端通信装置和ZigBee设备对象后，通过APSDE-SAP端点连接应用支撑层，将ZigBee设备对象和船舶终端通信装置的数据通信帧相连并输入到应用支撑层内，通过应用支撑层对每个协议层总线添加帧头，使各个层互相连接。应用支撑层通过NLDE-SAP端点连接网络层，网络层负责管理网络拓扑结构、控制数据路由等，保障通信传输的安全。网络层利用MLDE-SAP端点连接媒体介质访问层，该层负责共享无线通信信道，并识别网络节点地址，验证通信帧，协调普通设备和协调器之间的通信传输。媒体介质访问层通过PD-SAP端点连接物理层，该层负责规范船舶数据传输时的通信频率，将不同频率的数据规范到2.4 GHz范围内，以提升5G网络通信传输的速率和数据的吞吐率。

图 4 ZigBee协议结构示意图 Fig. 4 Schematic diagram of zigbee protocol structure

以某远洋船舶为实验对象，该船舶总长183.24 m，型深15.2 m，型宽28 m，载重量为44 962 t，吃水11.95 m，主要执行大宗货物远洋运输，其运输航线较长，航行时间较长。该船搭载2套WHF设备（其中1套备用）、高频设备1套、双向无线电话3台、卫通C站、GPS定位设备以及备用电源等若干硬件设备。使用本文系统为该船提供与地面控制站的网络通信服务，在服务过程中，分析本文系统的应用效果。

系统运行的稳定性是衡量该系统应用效果指标之一。以系统运行的中断概率作为衡量其运行稳定性指标，测试系统在长时间运行情况下的中断概率。同时设置其运行中断概率阈值为0.07%，测试结果如图5所示。分析可知，本文系统在运行时间为600 h时，其运行中断概率较小且增涨幅度较低。随着系统运行时长的增加，其运行中断概率也随之增加。在运行时间为1 400 h时，本文系统的运行中断概率数值仅为0.045%左右，该数值较所设置的运行中断概率阈值较低。上述结果说明，本文系统运行较为稳定，具备较好的应用效果。

图 5 系统运行中断概率测试结果 Fig. 5 Test results of system operation interruption probability

以系统传输该船运行数据时，网络接收功率损耗作为衡量指标，测试本文系统在传输航行数据量和数据类型不同时，其网络接收功率变化情况。测试结果如表1所示。分析表1可知，本文系统在传输航行数据时，数据量越多，则不同类型数据传输时的网络接收功率损耗数值也就越高。其中传输影像类数据时，其网络接收功率损耗数值略高于字符类，其原因在于影像类数据维度较高，在通信传输时较消耗网络节点。但在数据量为100 GB时，本文系统传输字符类和影像类的舰船航行数据时的网络接收功率损耗值分别为29.5 dBm和32.5d Bm，该数值相较于数据量总数来说微乎其微。上述结果表明，本文系统在传输不同类型舰船航行数据时网络接收功率损耗数值较低，具备较为强大的数据传输能力。

表 1(Tab. 1)

表 1 网络接收功率损耗（dBm） Tab. 1 Network receiving power loss (dBm) 数据量/GB 字符类 影像类 10 4.3 4.4 20 5.8 5.8 30 7.2 7.3 40 10.4 11.2 50 11.5 13.6 60 15.4 16.9 70 18.3 21.5 80 22.1 23.6 90 25.6 26.4 100 29.5 32.5

表 1 网络接收功率损耗（dBm） Tab.1 Network receiving power loss (dBm)

以实时监控数据为实验对象，使用本文系统将其传输到地面控制站内，并通过自回环读写程序方式描述该舰船实时监测数据通信传输时的参数，结果如图6所示。分析可知，本文系统在传输实时监控数据时，数据大小为6307138472 Bytes，传输速度可达到1056 MB/s，用时仅为11 s，说明本文系统传输航行数据较为迅速。

图 6 船舶实时监控数据通信传输速度 Fig. 6 Transmission speed of real time monitoring data communication of ships

本文设计基于5G通信技术的船舶网络系统，在该系统内搭建了基于SDN控制器的5G核心网络云，连接海上舰船和地面控制站，实现二者之间的网络连通。经过实验验证，本文系统具备运行稳定、通信传输速度较快和通信时网络接收损耗功率较低的特点，应用性能较好。