基于北斗短報文與4G的內河船載智能終端船岸通信技術

金華標，肖驍

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

隨著船岸一體化的逐步發展，船岸通信成為船舶現代化管理的重要內容[1-2]。目前，船岸數據傳輸方法主要有甚高頻(VHF)Telenor系統、船舶自動識別系統(AIS)、移動網絡通信和衛星通信[3]等方法。已有的研究對船岸通信方式進行了極大的改善[4-7]，但實際中仍有部分內河流域存在4G信號覆蓋盲區，尤其位于山區航道的4G信號覆蓋盲區，導致內河船舶通信應用受到限制、關鍵時刻可能沒有信號。為改善這些實際情況，同時積極實施國家的北斗衛星導航發展戰略，考慮利用4G通信穩定、覆蓋范圍廣泛的優勢與北斗短報文可在無4G信號覆蓋情況下發送重要信息[8]的功能特點，實現內河船舶航行過程中通信的連續性，保障航行的安全。在內河船舶發生危險時，使岸基能夠迅速定位、組織施救，提高救援效率。

1 總體方案設計

方案以降低我國部分內河流域中4G信號覆蓋盲區對內河船舶通信的影響為中心，主要服務于內河船舶、內河航運企業，以及內河航運監管部門，構建以4G通信為主，北斗短報文通信為輔的綜合信息服務系統，實現內河船舶的連續性通信。

內河船載智能終端具備識別船只、簡化信息交流、獲取航行數據等船載終端基本的功能外，還具備4G信號強度檢測、通信方式選擇切換等功能。設備硬件主要包括4G信號檢測模塊、4G通信模塊、北斗短報文模塊、語音模塊、主控模塊、北斗天線、4G天線，以及供電電源模塊等。總體方案設計見圖1。

圖1 總體方案設計

通過對4G通信模塊軟件流程、北斗短報文通信模塊軟件流程以及通信切換程序流程的設計，內河船載終端可根據4G信號的強度，對通信方式進行切換選擇。目前，大多數切換判決算法是基于RSRP或參考信號接收質量RSRQ[9]。4G信號檢測模塊以LTE網絡中可以代表無線信號強度的關鍵參數RSRP作為參考標準。設定RSRP=-100 dBm作為4G信號強度的閾值，判斷在內河船舶航行區域內的4G信號強度。內河船舶處于4G信號覆蓋區時，通過4G網絡與岸基管理平臺進行信息交互；內河船舶處于4G信號盲區時，通過北斗短報文通信對岸基進行信息的傳輸、接收來自岸基的信息。岸基管理平臺在解析傳輸的數據后可通過電腦等終端進行遠程的實時監控。

2 4G通信模塊選型及軟件設計

2.1 4G通信模塊選型及設計

4G通信技術已趨于成熟、穩定，應用更加廣泛，與傳統的AIS系統通信相比傳輸速度更快，兼容性更好，且可實現無縫連接、存儲容量更大，保證數據通信的實時性、可靠性。4G通信模塊以單片機STM32F407VET6作為主控模塊的核心，以EC20 R2.1 Mini PCIe為通信渠道，通過4G網絡對數據進行傳輸。4G通信模塊設計見圖2。

圖2 4G通信模塊設計

EC20 R2.1 Mini PCIe作為一款支持 PCI Express Mini Card 標準接口的LTE模塊，采用LTE 3GPP Rel.11技術，支持最大下行速率150 Mbps和最大上行速率50 Mbps，具有傳輸速率快的特點，在通信信號正常情況下，能夠快速的將信息發送出去。EC20 R2.1 Mini PCIe還具備支持多路輸入輸出技術(MIMO)的特點，在接收端可以使用多個接收天線，使信號通過接收端的多個天線進行接收，從而降低誤碼率，改善通信質量。SD卡具備在內河船舶處于4G信號盲區或者4G信號通信受阻的情況下，將數據進行暫時性儲存的功能。

2.2 4G通信模塊軟件流程設計

當由4G信號檢測裝置檢測得到的RSRP≥-100 dBm時，內河船舶處于4G信號覆蓋區。內河船舶航行的經緯度、航速、載客量等的各種數據信息，通過EC20串口傳遞到EC20 R2.1 Mini PCIe，由4G網絡發送至岸基管理平臺，岸基管理平臺通過電腦等終端進行觀測，實現遠程的實時監控；當RSRP<-100 dBm時，EC20串口無法對信息進行傳遞，SD卡將數據進行暫時性儲存，通信方式由4G通信切換為北斗短報文通信。4G通信模塊軟件流程見圖3。

圖3 4G通信模塊軟件流程

3 4G信號強度檢測模塊與通信方式切換

3.1 4G信號強度檢測模塊以及算法處理

4G信號強度檢測模塊以DSP芯片作為數字信號處理運算的微處理器，來快速的實現各種數字信號處理算法。在接收4G信號后，DSP芯片對數據進行RSRP測量算法處理[10]，使船載終端實時檢測內河船舶航行過程中流域內的4G信號強度，保證4G信號檢測的實時性與準確性。

在下行傳輸方式的時頻資源圖中，橫坐標為時域，每個小格代表1個正交頻分復用OFDM符號長度；縱坐標為頻域，每個小格代表1個子載波的寬度，每個小方格代表1個無線資源的最小元素RE的時頻資源[11]。每12個子載波有1個時隙資源，1個時隙對應7個OFDM符號。根據在LTE移動通信中，發送端和接收端的資源粒子的對應關系為Y=HX+N[12]，可列出：

Yn(k)=Hn(k)×Xn(k)+Nn(k)

(1)

式中：n為每頻域OFDM符號個數序號；k為1～K的整數序號；K為頻域上導頻時頻資源個數；Yn(k)為接收信號；Hn(k)為在時頻資源位置上信道響應系數；Xn(k)為發射信息；Nn(k)為接收端接受到的噪聲與干擾。

(2)

計算信號與噪聲的平均功率：

(3)

式中：a為一個時隙資源中OFDM符號個數。

計算噪聲功率：

總之，在冬小麥全生長發育期內，當出現上述災害時，都會造成冬小麥由于品質下降而減產；嚴重的春夏連旱、冬春夏三季連旱、乳熟期出現的冰雹、暴雨洪澇災害等，使冬小麥成災8成以上或者絕收，導致嚴重減產。

(4)

(5)

計算對應RSRP值：

RSRP=PT-PN

(6)

3.2 通信方式切換程序流程設計

EC20串口的電平為1.8 V，不能直接與單片機3.3 V的串口通訊，如果不加入電平轉換電路，容易出現信號無法匹配、信息數據無法傳輸等問題。采取通過對電平轉換電路實施控制的方法來實現對通信方式切換的控制。當檢測到RSRP<-100 dBm時，控制器斷開串口和電平轉換電路之間的連接，使信息無法通過4G通信模塊進行傳輸，并伴隨語音提醒。在確認后切換為北斗短報文模塊，保證內河船舶航行過程中信息的無間斷。具體流程見圖4。

圖4 通信方式切換程序流程設計

4 北斗短報文模塊通信選型及軟件設計

4.1 北斗短報文模塊選型

選用ATK-S1216F8-BD模塊作為北斗短報文通信模塊。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊是一款高性能GPS/北斗雙模定位模塊，該模塊采用S1216F8-BD模組，體積小巧、性能優異，可通過串口進行各種參數設置，并可保存在內部FLASH，使用方便。根據《北斗衛星導航系統交通運輸行業應用專項規劃(公開版)》等國家政策要求，北斗短報文模塊僅連接北斗天線，通過北斗衛星進行定位通信。ATK-S1216F8-BD 北斗模塊默認采用 NMEA-0183 協議輸出北斗定位數據，并可以通過SkyTraq協議對模塊進行配置。

4.2 北斗短報文通信模塊軟件流程設計

RSRP<-100 dBm時，內河船舶處于4G信號盲區。需要傳輸的其他數據信息以及由ATK-S1216F8-BD模塊通過北斗天線收集的北斗信息(包括精度、緯度、高度、速度、用于定位的衛星數、可見衛星數、UTC 時間等信息)均在顯示屏中顯示出來。但由于北斗短報文有傳輸120個字符限制[9]，根據不同情況，手動篩選出在該狀況下需要發送的重要信息，通過北斗短報文與岸基通信。北斗短報文通信模塊軟件流程設計見圖5。

圖5 北斗短報文通信模塊軟件流程設計

5 通信測試

5.1 4G信號正常情況下的通信測試

5.1.1 實驗室模擬測試

在實驗室中，通過對EC20模塊的測試來模擬內河船舶的4G通信信息傳輸的情況。圖6為模擬的內河船載智能終端的4G通信模塊。以定位數據傳輸為例，內河船載智能終端通過指令輸入將定位信息進行傳輸。

圖6 EC20模塊組裝

選取不同地點對定位信息進行收發測試，每個地點收發總次數均為50次，統計各地點的收發成功次數以及收發失敗次數。經過整理后測試結果見圖7。

圖7 4G信號正常情況下的定位信息收發數據

5.1.2 船舶航行過程中的測試

將設備安裝在長江流域的內河船舶上進行航行中數據收發測試，連續4 d以每秒收發一次的速率獲取10萬多組數據。在收發測試中進行收發數據包括內河船舶航行的經緯度、發動機轉速、發動機轉矩、燃油消耗率、燃油進、排油溫度、機油壓力等一些船舶數據。截取部分數據進行分析，在船舶航行過程中發動機轉速數據發送情況見圖8。內河船載終端可以將收集的機艙數據進行傳輸至岸基，實現船舶和岸基共同實時監控船舶運行的動態狀況。

圖8 發動機轉速的收發部分數據

5.2 4G信號盲區內北斗短報文通信測試

5.2.1 實驗室模擬測試

通過對內河船載智能終端中的北斗軟件進行功能測試模擬4G信號盲區內北斗短報文通信。打開北斗軟件后會自動讀取北斗卡號和短報文發送時間間隔(頻度)及波束強度，北斗軟件面板見圖9，收發接收測試界面見圖10。選取不同地點對北斗短報文進行收發測試。在測試中每個地點收發總次數均為50次，統計各地的收發成功次數、至少2格波束強度在“3”及其以上的次數以及收發失敗次數。通過多次相關測試獲取測試結果見圖11。

圖9 北斗軟件面板

圖10 北斗短報文接收測試界面

圖11 北斗短報文通信測試數據

根據圖11各組數據結果顯示，至少2格波束強度在“3”及其以上的次數是收發成功的基礎，在波束強度沒有滿足的條件下，收發成功概率低。因為北斗短報文通信與4G通信類似，都需要滿足一定的信號強度才能進行數據的傳輸。所以在測試和通信的時候，至少需要2格波束強度在“3”及其以上，否則很容易發送失敗。在北斗信號不穩定、收發次數頻繁的情況下，也容易造成北斗短報文收發失敗。由于北斗短報文有傳輸120個字符限制，只能將重要信息進行發送，并且在測試中每發送一次信息后，需要等待一段時間才能進行下一次信息發送，可能導致與岸基溝通上存在一定的不方便性。

5.2.2 船舶航行過程中的測試

將設備安裝在長江中上游流域中航行的內河船舶上進行北斗短報文的功能測試，該地區位于東經105°左右山區航道的4G信號覆蓋盲區，同時使用北斗短報文和4G網絡進行通信，對岸基接收到的數據進行統計比較。以截取部分時間段經度的收發數據為例，統計整理后見圖12。岸基基本上可以連續性的接收來自北斗短報文發送的緯度數據，但是也存在一定的數據丟失情況，即圖12白色區域；而4G網絡基本上無法進行數據的傳輸。

圖12 岸基接收經度數據情況

6 結論

基于北斗短報文與4G的內河船載智能終端船岸通信技術研究，以4G通信傳輸為主，北斗短報文通信傳輸為輔，經過多次測試，可基本上實現在4G信號盲區內通過北斗短報文與岸基保持無間斷的通信，一定程度上改善因4G信號覆蓋盲區導致內河船舶通信應用受到限制的情況。

系統存在不足：測試中4G信號強度檢測的精度上有待提高，對4G信號盲區邊界的確定不太精準；在局部船舶量比較大或者信號不穩定等情況下，北斗短報文存在比較明顯的丟包現象，不能確保信息完整傳輸。但總體來說，實際中測試的結果表現良好，具有實用價值。