基于北斗/4G水下傳感器網絡的通信協調器設計

姚 钘，孫山林，李 云，譚智誠，辛以利

（桂林航天工業學院電子信息與自動化學院，桂林 541004）

1 引言

海洋產業作為廣西重點培養的十大戰略性新興產業之一，在廣西國民經濟中的戰略地位日益重要[1]。根據廣西壯族自治區海洋局發布的《2014年廣西海洋經濟統計公報》，廣西海洋經濟生產總值926 億元，比上年增長9.1%，占廣西地區生產總值的比重為5.9%，約占廣西北部灣經濟區4城市（南寧、北海、欽州、防城港）生產總值的比重為17%，海洋經濟在新常態下保持平穩發展態勢[2]，有效開發和保護海洋資源、維護海洋安全對于廣西具有很高的經濟價值和戰略意義。

在眾多新興的海洋科技領域中，水下傳感器網絡利用水面、水下布放的傳感器，同時采集三維的海洋地理數據，這類技術對沿海地區水文氣象數據采集、災害災難預報方面有著重要意義，而在采集數據傳輸上因遠海海面缺乏無線通信運營商的信號覆蓋造成遠洋海域迫切需要有效的海面通信手段。目前海洋通信一般使用VHF電臺，由于其帶寬較低，基本上用于話音通信和少量緊急告警應用，少有用于數據傳輸，且其存在最大的問題是通信距離有限，通常小于30km，因此急需解決通信距離限制問題以滿足遠海海面數據通信的需要。

2 國內外研究現狀分析

國內外同類產品基本處于起步階段，如法國國家空間研究中心與美國宇航局和海洋大氣局合作開發的Argos系統是第一個具備全球定位和數據采集的系統[3]，該系統通過海事衛星實現數據采集和傳輸，但并未完成水下無線傳感器網絡數據采集、數據交換與轉發。又如國內基于北斗的船舶監控系統，該系統主要采用短報文傳輸機制完成數據采集和傳輸，并未考慮數據壓縮，可靠性不高，且水下無線傳感器網絡與北斗一號傳輸網絡的數據交換與壓縮功能沒有考慮。目前國內外未見有研發本文中整合水下無線傳感器網絡、北斗一號與4G移動通信網的數據交換功能的設備。

圖1 系統網絡結構圖

3 通信協調器的關鍵技術設計

3.1 通信協調器架構的設計

通信協調器（Coordinator）主要由核心控制模塊、協議棧轉換模塊、網絡控制與接入模塊、外部存儲模塊以及基礎服務與管理模塊組成。通信協調器作為水聲通信系統、4G數傳模塊、北斗短報文通信模塊以及CTD模塊的中心節點，負責控制和監測各模塊網絡路由節點，負責監測功能的每一個路由節點攜帶一個CTD模塊（負責把CTD模塊數據采集傳感器采集的數據發送給Coordinator）。核心控制模塊與協議棧轉換模塊作為協議轉換的樞紐，用于解析北斗衛星通信模塊與CTD模塊產生的數據并與Coordinator內部通用的數據傳輸格式相互轉換。通信協調器的外圍模塊上，能量供應模塊主要是為網關運行提供能量保障。水聲通信模塊的主要任務是接收來自CTD模塊節點的感知數據，同時接收到的指令、業務要求等也經過水聲通信模塊發到區域內各監測節點，實現數據的交互與控制。北斗衛星通信模塊是將經通信協調器協議轉換后的長報文數據利用長報文處理模塊封裝成北斗衛星短報文數據幀，4G數傳模塊則是將需要傳輸的數據利用4G移動通信網發送到陸上服務器端，通過4G數傳模塊與北斗短報文通信模塊的雙模可靠傳輸將數據發送至陸地基站，從而實現雙模網關的轉換，通信協調器（Coordinator）系統結構及相關外圍圖如圖2所示，實現通信協調器的硬件實物圖如圖3所示。

圖2 通信協調器系統結構及相關外圍

圖3 通信協調器的硬件實物圖

通信協調器系統的組成模塊及模塊功能如下：

網絡控制和接入模塊：通信協調器通過本模塊實現與北斗衛星通信系統中的短報文通信模塊、4G 數傳模塊的互聯互通。此模塊同時也為與其他類型網絡（例如VHF網絡）接入預留了相應的設備接口，便于后續進一步的開發維護。網絡協議轉換模塊：本模塊是通信協調器實現接入功能的核心之一，重點實現與北斗、CTD模塊、VHF等網絡協議棧的對接與融合。本模塊根據北斗網絡模型，對來自北斗衛星通信模塊、水聲通信模塊及CTD模塊傳輸的數據，實現逐層數據格式轉換、業務數據區分、數據封裝與解析等操作，最終實現利用北斗衛星通信模塊進行CTD模塊與水聲通信模塊網絡業務數據的上傳以及系統控制指令的下行。

核心控制模塊：是通信協調器的調度中心，主要實現通信協調器任務的全局處理、數據融合和信息提取，完成北斗衛星通信模塊、CTD模塊與水聲通信模塊資源管理、連接管理及自適應切換等功能。

外部存儲模塊：主要負責對感知數據、定位信息、指令信息進行存儲，通過緩存降低CTD模塊組成的水下無線傳感器網絡與北斗、VHF網絡等不同網絡之間載波頻率、數據量、傳輸速率、網絡帶寬等差異，能為網絡管理與控制提供保障。

基礎服務與管理模塊：主要任務是通過與協議轉換模塊、網絡控制接入模塊的協調，完成CTD模塊組成的水下無線傳感器網絡與北斗、VHF等不同網絡的數據接入與互聯。

3.2 長報文的北斗通信協議開發

北斗衛星系統中的短報文模塊發送的報文長度有一定的限制，當單次發送數據大小超過系統規定的最大報文長度時，必須要進行分包發送。市面現有北斗衛星導航產品，均是基于此規則進行設計開發的，實際使用時有諸多不便。因此，本項目基于北斗衛星系統的硬件系統架構，對這種發送方式進行改進并設計了支持長報文數據傳輸的數據通信協議方案。該方案主要通過長報文分包執行子模塊對水聲通信系統接收的信息處理后產生的長報文數據按單包報文最大發送字節長度進行自主切包，在接收端長報文合包執行子模塊再根據各子包及子包內的標記重新恢復出長報文數據，從而完成長報文數據的傳輸，因此長報文分包執行子模塊以及合包執行子模塊是長報文的北斗通信協議開發的核心，長報文通信協議的處理流程如圖4所示，各子包數據幀格式如圖5所示。其中，分包編號用于指示當前幀的包數，總分包數量用于判斷當前發送位置以便于內部邏輯確認是否已發送完成，起始包標記與結束包標記分別用來指示子包的第一包數據以及最后一數據，便于恢復出長報文數據。

圖4 長報文通信處理流程圖

圖5 長報文經切包后的子包數據幀格式

圖6 北斗衛星通信模塊實物圖

4 結束語

本文研究的基于北斗/4G和水下傳感器網絡的通信協調器對于高效海洋通信、廣域海洋監測，特別是提供了遠海環境資源監測的手段，并在資源監測的準確性、效率性、自動化程度等方面都有重要的技術突破，同時對于其他類型海洋資源監測以及海洋災害預警、綜合海洋通信系統建設等也起到了參考作用，對該技術進一步開發和完善，可形成方便易用的技術手段，在國內外市場進行進一步推廣，為監測海洋資源，維護海洋權益起到重要作用。后期進行市場化、行業化，將取得較為明顯的經濟與社會效益。■