周建英，駱曹飛，羅新林

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江嘉興314033；2.中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江寧波315040）

當(dāng)前海洋船舶通信的主要手段有3 種：中高頻（MF/HF）通信、甚高頻（VHF）通信和衛(wèi)星通信[1]。其中，中高頻通信利用電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，單次反射最大的傳輸距離可達(dá)4 000 km，適用于近中遠(yuǎn)距離通信，設(shè)備無通信費(fèi)用支出，且適應(yīng)于暴雨、遮擋等惡劣環(huán)境，環(huán)境適應(yīng)性高。但由于多徑干擾、信道時(shí)變、有限帶寬內(nèi)的用戶不斷增加等不利因素，中高頻電臺(tái)間快速有效的通信建立變得越發(fā)困難[2]，通信成功率最低，通信建立時(shí)間長(zhǎng)。

甚高頻通信通信距離一般不超過60 km，適用于近距離通信，設(shè)備無通信費(fèi)用支出，且通信成功率高，環(huán)境適應(yīng)性高，通信建立時(shí)間短。但海事甚高頻電臺(tái)的可用信道資源較少，經(jīng)常發(fā)生船員無法判斷哪一個(gè)信道是空閑信道，而長(zhǎng)時(shí)間占用安全信道資源的現(xiàn)象[3]。

衛(wèi)星通信是目前海上遠(yuǎn)距離通信最可靠的通信手段。衛(wèi)星通信適用于近、中、遠(yuǎn)距離通信，通信成功率最高，通信建立時(shí)間最短，但設(shè)備易受到暴雨、遮擋等惡劣環(huán)境影響，環(huán)境適應(yīng)性低，且設(shè)備通信資費(fèi)較高[4]。雖然中高頻電臺(tái)、甚高頻電臺(tái)和衛(wèi)星通信3種通信方式都有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，但在日常使用中很難給出明確的應(yīng)用邊界，用戶有通信業(yè)務(wù)需求時(shí)，如果能夠提供一種優(yōu)化策略，能夠優(yōu)選出一種最佳通信方式，對(duì)優(yōu)化設(shè)備用戶體驗(yàn)、提升設(shè)備使用效率都有積極意義。

1 船舶通信導(dǎo)航一體化技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，船舶一體化技術(shù)研究主要集中在船舶通導(dǎo)設(shè)備信息融合研究[5-8]、船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[9-10]、船舶一體化通信信息網(wǎng)絡(luò)研究[11-12]、船岸一體化通信系統(tǒng)研究[13-14]、船舶通導(dǎo)設(shè)備一體化顯控技術(shù)研究[15-16]等方面。

文獻(xiàn)[5-7]主要開展了AIS、雷達(dá)、衛(wèi)導(dǎo)、電子海圖等船舶導(dǎo)航設(shè)備間的功能集成與信息融合。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于設(shè)備工作頻段劃分的通導(dǎo)設(shè)備集成方案，但沒有一體化通信的詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[9-10]討論了船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)，目前船聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信技術(shù)研究主要基于3G/4G、衛(wèi)星通信、自組織網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)接入，還沒有開展一體化通信方面的研究。文獻(xiàn)[11-12]提出了基于IP 互聯(lián)、動(dòng)態(tài)路由等技術(shù)的多通信手段組成的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)的自動(dòng)路由、按需服務(wù)，但沒有對(duì)各通信手段的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，沒有對(duì)各通信手段間的優(yōu)化策略進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[13-14]開展了船岸一體化信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，在一體化通信方面提到了鏈路切換、路由技術(shù)等，但沒有給出具體方法。文獻(xiàn)[15]開展了船舶通導(dǎo)設(shè)備一體化顯控終端的研究，主要研究了綜合顯控技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方案。綜上所述，目前還沒有看到船舶一體化通信具體實(shí)施方案的相關(guān)研究報(bào)告。

2 船舶一體化通信設(shè)備自動(dòng)優(yōu)選方法

當(dāng)前船舶的主要通信設(shè)備各自構(gòu)建了一套獨(dú)立的通信體系：中高頻通信系統(tǒng)、甚高頻通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在常規(guī)的應(yīng)用中，通過一種通信系統(tǒng)無法正常建立通信連接時(shí)，需用戶手動(dòng)切換至其他通信系統(tǒng)嘗試建立通信，在不知道通信雙方間隔距離的前提下，無法確認(rèn)選擇哪一種通信系統(tǒng)最合理。

該文針對(duì)船舶常用的中高頻電臺(tái)、甚高頻電臺(tái)和衛(wèi)星通信終端3 種通信設(shè)備，根據(jù)3 種通信手段的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，首先基于通信成本、通信建立時(shí)間和通信距離3 個(gè)要素構(gòu)建了中高頻電臺(tái)、甚高頻電臺(tái)和衛(wèi)星通信終端3 種通信設(shè)備的性能評(píng)價(jià)量表，如表1所示。

表1 3種通信設(shè)備性能評(píng)價(jià)量表

然后基于中高頻電臺(tái)、甚高頻電臺(tái)和衛(wèi)星通信終端3 種通信設(shè)備的性能評(píng)價(jià)量表，從通信資費(fèi)最少、通信建立時(shí)間最短、通信資費(fèi)與建立時(shí)間同時(shí)兼顧3 個(gè)方向，構(gòu)建了3 種通信設(shè)備優(yōu)選模型：成本優(yōu)化模型、時(shí)間優(yōu)化模型和成本與時(shí)間平衡優(yōu)化模型。

其中，成本優(yōu)化模型的建立準(zhǔn)則是通信成本最低。具體的優(yōu)選原則如下：1）優(yōu)選通信成本最低的設(shè)備；2）當(dāng)設(shè)備的通信成本相同時(shí)，優(yōu)選通信建立時(shí)間最短的設(shè)備；3）當(dāng)設(shè)備的通信成本和通信建立時(shí)間都相同時(shí)，優(yōu)選通信距離最遠(yuǎn)的設(shè)備。

時(shí)間優(yōu)化模型的建立準(zhǔn)則是通信建立時(shí)間最短。具體的優(yōu)選原則如下：1）優(yōu)選通信建立時(shí)間最短的設(shè)備；2）當(dāng)設(shè)備的通信建立時(shí)間相同時(shí)，優(yōu)選通信成本最低的設(shè)備；3）當(dāng)設(shè)備的通信建立時(shí)間和通信成本都相同時(shí)，優(yōu)選通信距離最遠(yuǎn)的設(shè)備。

成本和時(shí)間平衡優(yōu)化模型的建立準(zhǔn)則是在付出少量通信成本的基礎(chǔ)上，最大限度地縮短通信建立時(shí)間。具體的優(yōu)選原則如下：1）基于衛(wèi)星通信終端獲取參與通信的雙方船舶間的距離，并根據(jù)雙方船舶間的距離在設(shè)備性能評(píng)估量表中選擇滿足通信距離指標(biāo)的設(shè)備；2）當(dāng)設(shè)備的通信距離指標(biāo)都滿足雙方船舶間的距離要求時(shí)，優(yōu)選通信成本最低的設(shè)備；3）當(dāng)設(shè)備的通信距離指標(biāo)都滿足雙方船舶間的距離要求，且設(shè)備的通信成本相同時(shí)，優(yōu)選通信建立時(shí)間最短的設(shè)備。

接著基于北斗授時(shí)同步的中高頻電臺(tái)自動(dòng)選頻方法[16]，實(shí)現(xiàn)了中高頻電臺(tái)的通信頻率自動(dòng)選擇。

由于海事甚高頻電臺(tái)的可用信道資源較少，僅88 個(gè)信道，其中，CH70 為DSC 通信專用信道（即值守信道），CH29～CH59、CH75～CH76 為不可用信道，即實(shí)際可用信道資源僅54 個(gè)。鑒于甚高頻通信信道資源緊張，最后基于對(duì)全部54 個(gè)甚高頻工作信道的信道質(zhì)量評(píng)估，建立信道質(zhì)量排序列表，利用甚高頻電臺(tái)的DSC 值守信道，引導(dǎo)通信雙方的甚高頻電臺(tái)跳轉(zhuǎn)至指定的最優(yōu)信道，實(shí)現(xiàn)甚高頻電臺(tái)的通信信道自適應(yīng)選擇。

3 船舶一體化通信設(shè)備自動(dòng)優(yōu)選方法實(shí)現(xiàn)

船舶一體化通信設(shè)備自動(dòng)優(yōu)選過程中，基于3 種通信設(shè)備優(yōu)選模型，分別對(duì)應(yīng)了最少資費(fèi)、最快時(shí)間和常規(guī)路徑3 種通信設(shè)備優(yōu)選方案，其工作流程如圖1所示。一體化通信設(shè)備發(fā)起通信設(shè)備優(yōu)選后，首先，用戶要輸入對(duì)方船舶的海上移動(dòng)業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼（MMSI 碼）；然后，根據(jù)需求選擇一種通信設(shè)備優(yōu)選方案：最少資費(fèi)、最快時(shí)間和平衡優(yōu)化；接著根據(jù)選擇的通信設(shè)備優(yōu)選方案，開啟相應(yīng)的通信設(shè)備優(yōu)選流程；最后，給出優(yōu)選的最佳通信設(shè)備。

圖1 通信設(shè)備自動(dòng)優(yōu)選流程示意圖

1）用戶輸入對(duì)方船舶的海上移動(dòng)業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼（MMSI 碼）。

2）用戶選擇一種通信設(shè)備優(yōu)選模型：成本優(yōu)化模型、時(shí)間優(yōu)化模型、成本與時(shí)間平衡優(yōu)化模型。

3）根據(jù)選擇的通信設(shè)備優(yōu)選模型，開啟通信設(shè)備優(yōu)選流程。若選擇成本優(yōu)化模型（最少資費(fèi)方案），則轉(zhuǎn)入最少資費(fèi)通信設(shè)備優(yōu)選流程[17]；若選擇時(shí)間優(yōu)化模型（最快時(shí)間方案），則轉(zhuǎn)入最快時(shí)間通信設(shè)備優(yōu)選流程；若選擇成本與時(shí)間平衡優(yōu)化模型（常規(guī)路徑方案），則轉(zhuǎn)入常規(guī)路徑通信設(shè)備優(yōu)選流程。

最少資費(fèi)方案的通信設(shè)備優(yōu)選流程如圖2所示，具體包括以下步驟：

圖2 最少資費(fèi)方案優(yōu)選流程

步驟1：開啟甚高頻電臺(tái)設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟5，否則轉(zhuǎn)入步驟2；

步驟2：開啟中高頻電臺(tái)設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟6，否則轉(zhuǎn)入步驟3；

步驟3：是否開啟衛(wèi)星設(shè)備通信，若開啟衛(wèi)星設(shè)備通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟4，否則轉(zhuǎn)入步驟9；

步驟4：開啟衛(wèi)星設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟7，否則轉(zhuǎn)入步驟9；

步驟5：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為甚高頻電臺(tái)，轉(zhuǎn)入步驟8；

步驟6：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為中高頻電臺(tái)，轉(zhuǎn)入步驟8；

步驟7：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為衛(wèi)星通信終端，轉(zhuǎn)入步驟8；

步驟8：給出優(yōu)選出的通信設(shè)備，轉(zhuǎn)入步驟9；

步驟9：設(shè)備優(yōu)選流程結(jié)束。

最快時(shí)間方案的通信設(shè)備優(yōu)選流程如圖3所示，具體包括以下步驟：

圖3 最快時(shí)間方案優(yōu)選流程

步驟1：開啟衛(wèi)星設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟4，否則轉(zhuǎn)入步驟2；

步驟2：開啟甚高頻電臺(tái)設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟5，否則轉(zhuǎn)入步驟3；

步驟3：開啟中高頻電臺(tái)設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟6，否則轉(zhuǎn)入步驟8；

步驟4：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為衛(wèi)星通信終端，轉(zhuǎn)入步驟7；

步驟5：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為甚高頻電臺(tái)，轉(zhuǎn)入步驟7；

步驟6：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為中高頻電臺(tái)，轉(zhuǎn)入步驟7；

步驟7：給出優(yōu)選出的通信設(shè)備，轉(zhuǎn)入步驟8；

步驟8：設(shè)備優(yōu)選流程結(jié)束。

常規(guī)路徑方案的通信設(shè)備優(yōu)選流程如圖4所示，具體包括以下步驟：

圖4 常規(guī)路徑方案優(yōu)選流程

步驟1：開啟衛(wèi)星通信終端設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟2，否則轉(zhuǎn)入步驟4；

步驟2：利用衛(wèi)星通信終端設(shè)備獲取對(duì)方船舶的位置信息，轉(zhuǎn)入步驟3；

步驟3：依據(jù)該船的位置信息及對(duì)方船舶的位置信息計(jì)算兩船之間的距離d，若d≤30 km，則轉(zhuǎn)入步驟4；否則轉(zhuǎn)入步驟5；

步驟4：開啟甚高頻電臺(tái)設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟7，否則轉(zhuǎn)入步驟5；

步驟5：開啟中高頻電臺(tái)設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟8，否則轉(zhuǎn)入步驟6；

步驟6：開啟衛(wèi)星通信終端設(shè)備通信，若成功與對(duì)方船舶建立通信連接，則轉(zhuǎn)入步驟9，否則轉(zhuǎn)入步驟11；

步驟7：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為甚高頻電臺(tái)，轉(zhuǎn)入步驟10；

步驟8：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為中高頻電臺(tái)，轉(zhuǎn)入步驟10；

步驟9：確認(rèn)優(yōu)選出的通信設(shè)備為衛(wèi)星通信終端，轉(zhuǎn)入步驟10；

步驟10：給出優(yōu)選出的通信設(shè)備，轉(zhuǎn)入步驟11；

步驟11：設(shè)備優(yōu)選流程結(jié)束。

4 結(jié) 論

船舶一體化通信設(shè)備自動(dòng)優(yōu)選過程中，在一體化通信設(shè)備發(fā)起通信設(shè)備優(yōu)選后，首先用戶要輸入對(duì)方船舶的海上移動(dòng)業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼（MMSI 碼），然后根據(jù)需求選擇一種通信設(shè)備優(yōu)選方案：最少資費(fèi)方案、最快時(shí)間方案和常規(guī)路徑方案，接著根據(jù)選擇的通信設(shè)備優(yōu)選方案，開啟相應(yīng)的通信設(shè)備優(yōu)選流程，最后給出優(yōu)選的最佳通信設(shè)備。該方法構(gòu)建了一套自適應(yīng)的船舶通信設(shè)備優(yōu)選系統(tǒng)，可以根據(jù)操作人員選定的通信設(shè)備優(yōu)選方案，自動(dòng)開啟通信設(shè)備選擇和通信連接建立工作，大幅度地降低了船舶通信設(shè)備的操作復(fù)雜度，并可有效提升通信成功率和可靠性。