基于北斗短报文与4G的内河船载智能终端船岸通信技术.docx

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基于北斗短报文与4G的内河船载智能终端船岸通信技术

基于北斗短报文与4G的内河船载智能终端船岸通信技术

摘要：

针对我国部分内河流域存在4G信号覆盖盲区，尤其位于山区航道的4G信号覆盖盲区，导致内河船舶通信应用受到限制、关键时刻可能没有信号等问题，在4G信号覆盖区内以4G通信为主，通过4G通信与岸基进行信息的双向传输；在4G信号盲区内，切换成北斗短报文通信，以保证内河船舶航行过程中通信的连续性。

经过多次测试验证，该技术可实现内河船舶在航行过程中与岸基的无间断通信。

关键词：

船岸通信；4G通信技术；北斗短报文

随着船岸一体化的逐步发展，船岸通信成为船舶现代化管理的重要内容[1-2]。

目前，船岸数据传输方法主要有甚高频（VHF）Telenor系统、船舶自动识别系统（AIS）、移动网络通信和卫星通信[3]等方法。

已有的研究对船岸通信方式进行了极大的改善[4-7]，但实际中仍有部分内河流域存在4G信号覆盖盲区，尤其位于山区航道的4G信号覆盖盲区，导致内河船舶通信应用受到限制、关键时刻可能没有信号。

为改善这些实际情况，同时积极实施国家的北斗卫星导航发展战略，考虑利用4G通信稳定、覆盖范围广泛的优势与北斗短报文可在无4G信号覆盖情况下发送重要信息[8]的功能特点，实现内河船舶航行过程中通信的连续性，保障航行的安全。

在内河船舶发生危险时，使岸基能够迅速定位、组织施救，提高救援效率。

1总体方案设计

方案以降低我国部分内河流域中4G信号覆盖盲区对内河船舶通信的影响为中心，主要服务于内河船舶、内河航运企业，以及内河航运监管部门，构建以4G通信为主，北斗短报文通信为辅的综合信息服务系统，实现内河船舶的连续性通信。

内河船载智能终端具备识别船只、简化信息交流、获取航行数据等船载终端基本的功能外，还具备4G信号强度检测、通信方式选择切换等功能。

设备硬件主要包括4G信号检测模块、4G通信模块、北斗短报文模块、语音模块、主控模块、北斗天线、4G天线，以及供电电源模块等。

总体方案设计见图1。

图1总体方案设计

通过对4G通信模块软件流程、北斗短报文通信模块软件流程以及通信切换程序流程的设计，内河船载终端可根据4G信号的强度，对通信方式进行切换选择。

目前，大多数切换判决算法是基于RSRP或参考信号接收质量RSRQ[9]。

4G信号检测模块以LTE网络中可以代表无线信号强度的关键参数RSRP作为参考标准。

设定RSRP=-100dBm作为4G信号强度的阈值，判断在内河船舶航行区域内的4G信号强度。

内河船舶处于4G信号覆盖区时，通过4G网络与岸基管理平台进行信息交互；内河船舶处于4G信号盲区时，通过北斗短报文通信对岸基进行信息的传输、接收来自岸基的信息。

岸基管理平台在解析传输的数据后可通过电脑等终端进行远程的实时监控。

24G通信模块选型及软件设计

2.14G通信模块选型及设计

4G通信技术已趋于成熟、稳定，应用更加广泛，与传统的AIS系统通信相比传输速度更快，兼容性更好，且可实现无缝连接、存储容量更大，保证数据通信的实时性、可靠性。

4G通信模块以单片机STM32F407VET6作为主控模块的核心，以EC20R2.1MiniPCIe为通信渠道，通过4G网络对数据进行传输。

4G通信模块设计见图2。

图24G通信模块设计

EC20R2.1MiniPCIe作为一款支持PCIExpressMiniCard标准接口的LTE模块，采用LTE3GPPRel.11技术，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率50Mbps，具有传输速率快的特点，在通信信号正常情况下，能够快速的将信息发送出去。

EC20R2.1MiniPCIe还具备支持多路输入输出技术（MIMO）的特点，在接收端可以使用多个接收天线，使信号通过接收端的多个天线进行接收，从而降低误码率，改善通信质量。

SD卡具备在内河船舶处于4G信号盲区或者4G信号通信受阻的情况下，将数据进行暂时性储存的功能。

2.24G通信模块软件流程设计

当由4G信号检测装置检测得到的RSRP≥-100dBm时，内河船舶处于4G信号覆盖区。

内河船舶航行的经纬度、航速、载客量等的各种数据信息，通过EC20串口传递到EC20R2.1MiniPCIe，由4G网络发送至岸基管理平台，岸基管理平台通过电脑等终端进行观测，实现远程的实时监控；当RSRP<-100dBm时，EC20串口无法对信息进行传递，SD卡将数据进行暂时性储存，通信方式由4G通信切换为北斗短报文通信。

4G通信模块软件流程见图3。

图34G通信模块软件流程

34G信号强度检测模块与通信方式切换

3.14G信号强度检测模块以及算法处理

4G信号强度检测模块以DSP芯片作为数字信号处理运算的微处理器，来快速的实现各种数字信号处理算法。

在接收4G信号后，DSP芯片对数据进行RSRP测量算法处理[10]，使船载终端实时检测内河船舶航行过程中流域内的4G信号强度，保证4G信号检测的实时性与准确性。

在下行传输方式的时频资源图中，横坐标为时域，每个小格代表1个正交频分复用OFDM符号长度；纵坐标为频域，每个小格代表1个子载波的宽度，每个小方格代表1个无线资源的最小元素RE的时频资源[11]。

每12个子载波有1个时隙资源，1个时隙对应7个OFDM符号。

根据在LTE移动通信中，发送端和接收端的资源粒子的对应关系为Y=HX+N[12]，可列出：

Yn（k）=Hn（k）×Xn（k）+Nn（k）

（1）

式中：

n为每频域OFDM符号个数序号；k为1～K的整数序号；K为频域上导频时频资源个数；Yn（k）为接收信号；Hn（k）为在时频资源位置上信道响应系数；Xn（k）为发射信息；Nn（k）为接收端接受到的噪声与干扰。

对Yn（k）乘以发射信息

共轭得：

（2）

计算信号与噪声的平均功率：

（3）

式中：

a为一个时隙资源中OFDM符号个数。

计算噪声功率：

（4）

（5）

计算对应RSRP值：

RSRP=PT-PN

（6）

3.2通信方式切换程序流程设计

EC20串口的电平为1.8V，不能直接与单片机3.3V的串口通讯，如果不加入电平转换电路，容易出现信号无法匹配、信息数据无法传输等问题。

采取通过对电平转换电路实施控制的方法来实现对通信方式切换的控制。

当检测到RSRP<-100dBm时，控制器断开串口和电平转换电路之间的连接，使信息无法通过4G通信模块进行传输，并伴随语音提醒。

在确认后切换为北斗短报文模块，保证内河船舶航行过程中信息的无间断。

具体流程见图4。

图4通信方式切换程序流程设计

4北斗短报文模块通信选型及软件设计

4.1北斗短报文模块选型

选用ATK-S1216F8-BD模块作为北斗短报文通信模块。

ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模块是一款高性能GPS/北斗双模定位模块，该模块采用S1216F8-BD模组，体积小巧、性能优异，可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部FLASH，使用方便。

根据《北斗卫星导航系统交通运输行业应用专项规划（公开版）》等国家政策要求，北斗短报文模块仅连接北斗天线，通过北斗卫星进行定位通信。

ATK-S1216F8-BD北斗模块默认采用NMEA-0183协议输出北斗定位数据，并可以通过SkyTraq协议对模块进行配置。

4.2北斗短报文通信模块软件流程设计

RSRP<-100dBm时，内河船舶处于4G信号盲区。

需要传输的其他数据信息以及由ATK-S1216F8-BD模块通过北斗天线收集的北斗信息（包括精度、纬度、高度、速度、用于定位的卫星数、可见卫星数、UTC时间等信息）均在显示屏中显示出来。

但由于北斗短报文有传输120个字符限制[9]，根据不同情况，手动筛选出在该状况下需要发送的重要信息，通过北斗短报文与岸基通信。

北斗短报文通信模块软件流程设计见图5。

图5北斗短报文通信模块软件流程设计

5通信测试

5.14G信号正常情况下的通信测试

5.1.1实验室模拟测试

在实验室中，通过对EC20模块的测试来模拟内河船舶的4G通信信息传输的情况。

图6为模拟的内河船载智能终端的4G通信模块。

以定位数据传输为例，内河船载智能终端通过指令输入将定位信息进行传输。

图6EC20模块组装

选取不同地点对定位信息进行收发测试，每个地点收发总次数均为50次，统计各地点的收发成功次数以及收发失败次数。

经过整理后测试结果见图7。

图74G信号正常情况下的定位信息收发数据

根据图7收发总次数、收发成功次数以及收发失败次数的比较，测试的实际结果与理论结果有一定的偏差。

由于4G信号检测过程容易受到外界噪声信号的影响，导致RSRP值换算存在一定误差。

在检测4G信号时弱信号被检测为可进行数据传输的信号强度，但实际上数据无法通过4G网络传输，收发失败。

此外，试验设备硬件功能本身存有一定误差。

5.1.2船舶航行过程中的测试

将设备安装在长江流域的内河船舶上进行航行中数据收发测试，连续4d以每秒收发一次的速率获取10万多组数据。

在收发测试中进行收发数据包括内河船舶航行的经纬度、发动机转速、发动机转矩、燃油消耗率、燃油进、排油温度、机油压力等一些船舶数据。

截取部分数据进行分析，在船舶航行过程中发动机转速数据发送情况见图8。

内河船载终端可以将收集的机舱数据进行传输至岸基，实现船舶和岸基共同实时监控船舶运行的动态状况。

图8发动机转速的收发部分数据

5.24G信号盲区内北斗短报文通信测试

5.2.1实验室模拟测试

通过对内河船载智能终端中的北斗软件进行功能测试模拟4G信号盲区内北斗短报文通信。

打开北斗软件后会自动读取北斗卡号和短报文发送时间间隔（频度）及波束强度，北斗软件面板见图9，收发接收测试界面见图10。

选取不同地点对北斗短报文进行收发测试。

在测试中每个地点收发总次数均为50次，统计各地的收发成功次数、至少2格波束强度在“3”及其以上的次数以及收发失败次数。

通过多次相关测试获取测试结果见图11。

图9北斗软件面板

图10北斗短报文接收测试界面

图11北斗短报文通信测试数据

根据图11各组数据结果显示，至少2格波束强度在“3”及其以上的次数是收发成功的基础，在波束强度没有满足的条件下，收发成功概率低。

因为北斗短报文通信与4G通信类似，都需要满足一定的信号强度才能进行数据的传输。

所以在测试和通信的时候，至少需要2格波束强度在“3”及其以上，否则很容易发送失败。

在北斗信号不稳定、收发次数频繁的情况下，也容易造成北斗短报文收发失败。

由于北斗短报文有传输120个字符限制，只能将重要信息进行发送，并且在测试中每发送一次信息后，需要等待一段时间才能进行下一次信息发送，可能导致与岸基沟通上存在一定的不方便性。

5.2.2船舶航行过程中的测试

将设备安装在长江中上游流域中航行的内河船舶上进行北斗短报文的功能测试，该地区位于东经105°左右山区航道的4G信号覆盖盲区，同时使用北斗短报文和4G网络进行通信，对岸基接收到的数据进行统计比较。

以截取部分时间段经度的收发数据为例，统计整理后见图12。

岸基基本上可以连续性的接收来自北斗短报文发送的纬度数据，但是也存在一定的数据丢失情况，即图12白色区域；而4G网络基本上无法进行数据的传输。

图12岸基接收经度数据情况

6结论

基于北斗短报文与4G的内河船载智能终端船岸通信技术研究，以4G通信传输为主，北斗短报文通信传输为辅，经过多次测试，可基本上实现在4G信号盲区内通过北斗短报文与岸基保持无间断的通信，一定程度上改善因4G信号覆盖盲区导致内河船舶通信应用受到限制的情况。

系统存在不足：

测试中4G信号强度检测的精度上有待提高，对4G信号盲区边界的确定不太精准；在局部船舶量比较大或者信号不稳定等情况下，北斗短报文存在比较明显的丢包现象，不能确保信息完整传输。

但总体来说，实际中测试的结果表现良好，具有实用价值。