無(wú)線局域網(wǎng)在船舶網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用研究

尹曉丹

（中船電子科技（三亞）有限公司，北京 100070）

0 引言

船舶網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)承擔(dān)著內(nèi)部數(shù)據(jù)與控制信號(hào)傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，船用設(shè)備信息化、網(wǎng)絡(luò)化水平的提升，使得傳統(tǒng)船用網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)的適應(yīng)性不斷降低[1-3]。同時(shí)，受有線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)接入方式的影響，對(duì)各系統(tǒng)的升級(jí)改造產(chǎn)生了不同程度的影響，無(wú)線局域網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在此得到發(fā)揮[4]。

1 無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)概述

人們根據(jù)局域網(wǎng)接入方式的不同將其分為有線局域網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)兩種類型，所謂無(wú)線局域網(wǎng)，是指網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)固定頻率的電磁波信號(hào)完成，而不需要實(shí)體物理介質(zhì)進(jìn)行傳遞[5]?；谶@一特征，無(wú)線局域網(wǎng)具有可移動(dòng)、可編輯、便于升級(jí)等優(yōu)勢(shì)。

然而，作為開(kāi)放空間的電磁波傳遞，無(wú)線局域網(wǎng)所使用的發(fā)射裝置功率較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，因此，無(wú)線局域網(wǎng)的信號(hào)有效輻射范圍R≤10m，當(dāng)接收端超出該范圍后，則無(wú)法穩(wěn)定鏈接。

2 無(wú)線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)與協(xié)議

基于接入方式的不同，無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信協(xié)議與有線網(wǎng)絡(luò)也存在著些許差異，具體如下：

2.1 無(wú)線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際需要，可選擇的無(wú)線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要有兩種，分別是AP結(jié)構(gòu)和無(wú)線網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)。首先，AP結(jié)構(gòu)是使用范圍最廣的一種簡(jiǎn)單二端口網(wǎng)橋，通過(guò)有線連接的方式，該網(wǎng)橋能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)中的相互轉(zhuǎn)換；其次，無(wú)線網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中繼，數(shù)據(jù)在終端之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，由于無(wú)線網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)的使用不需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行更改，因此，無(wú)線網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)僅僅是對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，不參與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠渌我画h(huán)節(jié)[6]。

2.2 無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議

目前，使用作為廣泛的無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議有IEEE802.11b、IEEE802.11a與 IEEE802.11g， 以 上三種協(xié)議同屬于IEEE802.11系列[7]。作為最早出現(xiàn)的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其規(guī)范了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)，然而，根據(jù)實(shí)際需求的不同，IEEE802.11延伸出來(lái)的三個(gè)協(xié)議在內(nèi)容上有著明顯差異。

2.2.1 IEEE802.11b協(xié)議

該協(xié)議是目前主流無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其工作頻率為2.4GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可兼容1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s和11Mbit/s，由于IEEE802.11b的安全性較高，且技術(shù)難度較低，可滿足不同環(huán)境下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求[8]。

2.2.2 IEEE802.11a協(xié)議

作為IEEE802.11b協(xié)議的重要補(bǔ)充，IEEE802.11a協(xié)議的工作頻率更高，可滿足大數(shù)據(jù)量的瞬時(shí)吞吐需求，最高速度可達(dá)54Mbit/s。因此，IEEE802.11a協(xié)議適用于需要快速傳輸音頻、圖像等數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，如新聞直播等。

2.2.3 IEEE802.11g協(xié)議

雖然，IEEE802.11b與IEEE802.11a同屬于IEEE802.11協(xié)議體系，但是，由于兩者通信頻率等存在差異，以至于對(duì)應(yīng)終端設(shè)備無(wú)法互聯(lián)，這導(dǎo)致基于IEEE802.11協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)推廣存在困難[9]。為解決這一問(wèn)題，IEEE802.11g協(xié)議通過(guò)兼容IEEE802.11b與IEEE802.11a，并將工作頻率設(shè)定為2.4GHz，且對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)54Mbit/s。

3 無(wú)線局網(wǎng)在船舶網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用

相比較傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)來(lái)說(shuō)，無(wú)線局域網(wǎng)在船舶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅降低了網(wǎng)絡(luò)輻射成本，也在一定程度上弱化了船舶設(shè)計(jì)難度，在減少網(wǎng)絡(luò)線纜連接的情況下，艙室內(nèi)部更加美觀，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)等都已經(jīng)接入船舶無(wú)線局域網(wǎng)[10]。

3.1 基于無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)視船舶內(nèi)外情況的重要系統(tǒng)，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以有線為主，這不僅增加了布線成本，也給后期維護(hù)工作帶來(lái)了巨大的工作量。在此情況下，可利用無(wú)線局域網(wǎng)解決該問(wèn)題，無(wú)線局域網(wǎng)與有線局域網(wǎng)互為備份，在原有視頻監(jiān)視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，大大提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。不僅如此，該視頻監(jiān)控系統(tǒng)還使用了無(wú)線多跳技術(shù)，即某一無(wú)線節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的情況下，無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸將從故障節(jié)點(diǎn)跳躍至正常節(jié)點(diǎn)，除非所有無(wú)線節(jié)點(diǎn)均發(fā)生故障。

3.2 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線控制功能實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的自動(dòng)化水平顯著提升，為保證船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)分析來(lái)自羅經(jīng)、計(jì)程儀、GPS、導(dǎo)航雷達(dá)、AIS等設(shè)備的航向、速度、位置及周邊環(huán)境信息，同時(shí)，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，向智能艦橋系統(tǒng)發(fā)送控制指令，在保證航行安全的情況下，控制船舶航向、航速，并通過(guò)AIS向目標(biāo)船舶發(fā)出危險(xiǎn)告警。

由于綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源較多，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)需要預(yù)留較多的接口，這使得硬件開(kāi)發(fā)成本與后期維護(hù)成本相對(duì)較高，為此，研究人員在保留羅經(jīng)、計(jì)程儀、導(dǎo)航雷達(dá)三個(gè)有線接口的情況下，增加無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，并接入船舶無(wú)線局域網(wǎng)。之所以預(yù)留有線接口，是因?yàn)榱_經(jīng)、計(jì)程儀信號(hào)對(duì)電磁干擾較為敏感，有線傳輸可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，其次，導(dǎo)航雷達(dá)傳輸?shù)臑橐曨l信號(hào)，有線傳輸可保證視頻傳輸過(guò)程中足夠的帶寬配給。

為兼容船舶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議選用IEEE802.11g，該協(xié)議適用于當(dāng)前主流GPS設(shè)備、AIS設(shè)備等船舶設(shè)備無(wú)線信號(hào)傳輸協(xié)議。同時(shí)，采用高頻率、大帶寬的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可支持后期系統(tǒng)升級(jí)改造。

4 船舶網(wǎng)絡(luò)通信中無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用注意事項(xiàng)

盡管，從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本與使用維護(hù)成本的角度來(lái)看，無(wú)線局域網(wǎng)在傳播網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，但也同樣存在著不足，主要表現(xiàn)在無(wú)線協(xié)議的適應(yīng)性、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信安全兩個(gè)方面。

首先，為確保船舶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的上下兼容，建議選擇滿足IEEE802.11g協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；其次，在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)部署的過(guò)程中選擇合適的空間節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)嚴(yán)格的通信網(wǎng)絡(luò)可靠性檢測(cè)，保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量；最后，在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要增加安全保密模塊，嚴(yán)格執(zhí)行權(quán)限訪問(wèn)制度與非法訪問(wèn)溯源機(jī)制，加強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信安全。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)儀器便捷、高效、低廉等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，在船舶設(shè)備大量加載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的情況下，組建船舶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)也就成為可能。然而，無(wú)線局域網(wǎng)并不能完全取代有線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，兩者可互為冗余，提高船舶網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的可靠性。隨著無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)日益成熟，船舶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)規(guī)模將不斷擴(kuò)大，為船舶系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展提供支持。