船载卫星通信物联网技术研究

摘要:物联网技术在海洋工程、航运、海洋环境监测等领域发挥着重要的作用。当前船载物联网的数据通信和传输技术通常采用802．11协议，其通信距离较短，限制了船载物联网技术在广阔海域中的应用。多波束自动切换卫星技术是当前新兴的一种宽带卫星通信技术，其具有通信带宽大、覆盖范围广、适用场景多等特点，非常适合海洋运输、监测等应用环境。因此，本文提出一种结合多波束切换卫星通信的船载物联网方案，该方案利用多波束卫星提供的大范围和高带宽传输能力，能够部署在较大的范围内，为航道安全监控、船舶状态监测等重要应用提供了新的实现方式。

关键词:多波束切换;卫星通信;物联网

引言

船载物联网技术是一种应用于船舶内部的物联网技术，其作用在于实时监控船舶的位置、航行状态、航向以及各种设备和器械的工作状态等。能够为船舶驾驶员以及岸基控制中心提供丰富的监控信息和决策依据，是当前广泛应用且不可或缺的重要助航设备之一［1－3］。然而，对于当前的大多数航运企业来说，迫切需要一种技术实时地了解多艘船舶物联网传输的数据，从而获取船舶的实时动态。这些船舶往往分布在较广的海域内，当前采用的物联网通信和数据传输协议，无法进行如此长距离的交互，因此，船载物联网的信息仅能局限于单个船舶内部使用，而难以进行联网或交互。多波束切换卫星是当前一种新兴的卫星通信技术，一颗多波束卫星能够采用多个波束和多个频段进行通信，一方面相比于传统卫星，能够覆盖更大的通信范围;另一方面能够提供更大的通信带宽和更好的通信质量。当前船载物联网主要采用802.11协议进行数据传输，传输范围和带宽均较为不足。为解决这一问题，本文提出一种结合多波束卫星与船载物联网的方案［4－5］，利用卫星信道作为物联网数据传输的方式，满足船载物联网大范围、长距离、高带宽的传输需求。通过实践验证，本文提出的方法具有一定的可行性，为我国的船载物联网发展提供了一定的借鉴作用，具有一定的实用价值。

1船载物联网技术

船载物联网是一种应用于船舶环境的物联网技术，其主要功能是实时监测船舶的位置、航行状态、航向、航速;船舶内部的各种仪器、设备运转情况;电子与计算机系统的工作情况与安全态势;以及船舶周边海域或目标的状态等。通过利用多种无线或有线传感器节点，采集多种数据供船载控制中心或岸基控制中心，有效掌握当前的船舶航行状态，并进行合理的指导和决策。其主要包含以下3个组成部分:1)船载传感器节点。由于海洋应用环境较为严苛，需要船载传感器节点具有耐腐蚀性、高可靠性、耐潮湿高温等环境的能力等，对传感器节点的能耗等没有较高要求，因此，相比于传统的地面应用环境，采用的传感器类型和型号具有较大的不同。同时，传感器节点的传输方式，通常采用有线和无线传输相混合的方式，一方面能够有效利用船舶内部的传输线缆，另一方面能够充分考虑传感器网络部署的灵活性。2)数据分析与控制中心。该中心是整个船载物联网的核心，其主要有3个主要功能，首先，其负责监控各个传感器节点的工作状态，及时发现各种异常和故障，并自动报告或处理;其次，其负责对传感器网络接收到的消息进行分析和处理，并利用功能更加强大和丰富的工具进行可视化、数据分类、数据挖掘等附加功能;最后，其负责对收集到的数据进行存储，以供其他应用的处理。3)通信网络。通信网络分为2个部分:一是物联网内部网络，主要负责传感器节点与控制中心的消息传输，由于船载物联网的节点与控制节点一般在一艘船舶以内，因此，其采用的通信网络较为简单;二是物联网与外部控制中心的互联网络，通常采用WiMax或卫星信道传输，其中前者的通信带宽较大但覆盖范围较小，后者覆盖范围较大但难以提供足够的带宽，因此，至今仍然缺少一种有效地通信方式。

2多波束卫星通信技术

多波束卫星是一种装备了多波束天线的卫星系统，单颗卫星能够采用X、Ku或Ka等频段天线，形成多个波束，不同频段的信号能够组成蜂窝小区，从而在较大的范围内实现卫星信号的覆盖。同时，该类卫星还能够以多种频带的信号覆盖同一蜂窝小区，并根据信号质量、带宽需求等自动切换用户使用的波束，从而提供更大的带宽或更高的服务质量，多波束自动切换卫星的工作示意图如图1所示。图1多波具有多波束自动切换功能的卫星通信系统，相比于传统的卫星通信机制，具有通信带宽更大、服务质量更好等优势，同时采用时分复用和正交时分复用技术，能够有效提高能够容纳的用户数量，同时可以有效简化星载通信设备的复杂度，并能够与Internet协议实现互通，从而实现全IP通信。当前采用的多波束卫星，能够提供高达100～200Mbps的下行链路带宽，同时能够提供超过100个波束，并能够有效提高每个波束的性能，使得用户在移动中使用的体验获得了较大提高。

3基于多波束卫星通信的船载物联网

本文提出的多波束卫星通信船载物联网，与传统的船载物联网相比，主要有2点不同:1)船载物联网的信号接收装置需要能够处理多个不同卫星通信波束的信号，并正确解码出需要的信息;2)船载物联网的信号接收装置要能够与无线通信装置有机结合，实现海面船载无线通信节点的互相通信，也就是利用卫星通信信道，组成不同船舶和控制中心的通信网络，而每个通信节点为单个船载物联网或控制中心。由图2可知，采用多波束，其最大通信距离和最大通信区域均明显大于单个固定波束的效果，具有较大的优势。在这种体制下，岸基控制中心或其他船舶的控制中心，可以利用卫星信道实时获取船载物联网的数据，而不需要自身船舶控制中心的控制和管理，减少了通信开销。本文设计的信号接收装置基本结构如图3所示。由图3可知，通过不同的正交下变频解出不同的卫星波束信号，然后通过分路器和时分多址分解，形成数据帧，然后根据路由表和程控交换的基本原理，进行无线通信网络中的数据传输。当单个通信蜂窝中，存在多个可用的卫星波束时，通信可以采用多波束传输的方式，采用多个波束提供的信号，进行并行传输数据。同时，由于海上气候变化较为剧烈，可能导致在某些海域或某个时段，某个卫星波束提供的信号质量较差，衰减较大，此时，根据自动波束切换算法，根据信号质量、传输数据需求、信号衰减程度等进行自动化的波束切换。该切换过程需要船载物联网端和卫星端进行同步，首先确定通信需求和信令体制，然后采用3次握手协议实现卫星通信信道的建立;当需要进行波束切换时，则直接进行3次握手协议，在新的频段上建立新的卫星通信信道，同时拆除原先旧的信道。通过以上介绍可知，本文提出的方案相比于传统的船载物联网方案，具有通信带宽大、覆盖范围广、通信可靠性强、传输方式灵活等优势。通过在我国某远洋航运企业中的实践验证，初步实现了特种运输船舶的全球化实时监控。利用本文提出的方案，该企业能够实现对所属150余艘特种运输船舶的监控，确保了货物运输、人员配备、船舶航行安全等多个方面信息的实时监控和显示，大大提高了企业运作的自动化和信息化水平，有效减少了人员和成本的开销，提高了远洋运输的安全性，提升了企业运作的效能，显示出了良好的使用效果。

4结语

船载物联网是物联网技术在船舶制造和海洋运输中的重要应用，本文根据当前船载物联网存在的通信瓶颈问题，提出了一种基于多波束卫星通信的船载物联网信息传输方案。相比于传统的方法，本文提出的方法具有通信带宽大、通信覆盖范围广、通信可靠性高等特点。本文给出了方案的基本设计和原理解释，并通过实践证明了该方案具有一定的可用性和有效性，在下一步研究中，将致力于减少该方案的使用成本，进一步提高该方法的实用性，为我国船载物联网技术的发展提供有益的借鉴。

作者：苏红艳 单位：淮安信息职业技术学院 计算机与通信工程学院