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Scientific Journal of Control Engineering June 2013, Volume 3, Issue 3, PP.218-223

The Mobile Internet of Things on the Ocean Based on Digital Shortwave Communication Yichi Zhang# , Lei Yang School of Information Science & Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China #

Email: 213102405@seu.edu.cn

Abstract The mobile Internet of things on the ocean is significant for the development of marine economy. Meanwhile, the existing systems, such as AIS and LRIT, can’t meet the requirement of the mobile Internet of things. After analyzing weaknesses of them, it is found that the poor capacity of ocean communication is the stick point to build the Internet of things on the ocean. Then, the proposal based on the COFDM technology for improving it is put forward. By upgrading the analog shortwave radios into highspeed digital radios with the audio modem, a fundamental architecture for the Internet of things on the ocean can be built. At last, a way based on software-defined radio to realize the proposal is introduced, and the technical characteristics together with prospect of the technology are revealed. Keywords: the Internet of Things; Audio Modem; COFDM; AIS; Shortwave Communication

基于短波数据通信的海上移动物联网 张逸驰,杨雷 东南大学 信息科学与工程学院,江苏 南京 211189 摘 要:从发展海洋经济的角度出发,分析了物联网从陆地拓展到海洋的意义。针对现有海上物联网系统 AIS 和 LRIT, 指明了其缺点和改进的必要性,得出构建海上物联网关键在于提升海洋通信能力的结论。在对目前船舶通信状况分析的 基础上,提出利用基于 COFDM 技术的话带调制解调器将模拟的船用短波电台扩充为较高速的船用数据电台的方案,为 构建高速、稳定、经济的“海上物联网”建立远洋短波数字通信的基本架构。论证了该方案的可行性,展示了它的技术 特色和应用前景。 关键词:海上物联网;短波通信;无线话带;COFDM;AIS

引言 1999 年,美国麻省理工学院(MIT)Auto-ID 中心首次提出“The Internet of Things”即“物联网” 一词,来描述把计算机通过网络连接到真实传感器网络的世界 [1]。2005 年,国际电信联盟(ITU)发布了题 为《The Internet of Things》的年度报告,对物联网的概念进行了扩展,提出物联网是通过 RFID 和智能 计算等技术实现全世界设备互连的网络 [2] 。然而,这样的定义在信息技术等领域仍稍欠准确。为此,东 南大学吴乐南把物联网定义为支撑采集型通信的网络和互联业务 [3] ,较为准确地概括了物联网在各个领 域的发展。 目前我国物联网在安防、电力、交通、物流、医疗、环保等领域应用模式正日趋成熟。“在安防领 域,视频监控、周界防入侵等应用已取得良好效果;在电力行业,远程抄表、输变电监测等应用正在逐步 拓展;在交通领域,路网监测、车辆管理和调度等应用正在发挥积极作用;在物流领域,物品仓储、运 输、监测应用广泛推广;在医疗领域,个人健康监护、远程医疗等应用日趋成熟。除此之外,物联网在环 -218http://www.sj-ce.org/


境监测、市政设施监控、楼宇节能、食品药品溯源等方面也开展了广泛的应用”[4]。 同时,我国海洋权益日益扩张。十八大报告指出:提高海洋资源开发能力,发展海洋经济,保护海洋 生态环境,维护国家海洋权益,建设海洋强国 [5]。因此,将传统的陆地物联网扩展到海洋,建立海上移动 物联网,不仅能够维护西沙、南沙群岛以及南海的领土、领海以及海洋经济专属区主权的完整,还能弥补 渔船因位置和气象信息服务的不及时造成的安全保障能力和信息缺失,甚至可以区分外籍或不明国籍的船 只,防范和打击海上走私行为。 然而,建立海上物联网缺少现有网络支持,工程浩大,斥资巨大。如何在现有条件下比较经济、方便 地建立起海上物联网将极具挑战性。 本文后面几节将从海上物联网的现状得出:建立海上物联网的关键在于提升海洋通信能力,并结合目 前海洋通信的现状提出一种升级方案,以进而构建高速、稳定、经济的“海上物联网”。

1 技术手段分析 1.1 海上物联网现状 近年来海上物联网技术飞速发展,新技术不断涌现,其中最具代表性的技术有船舶自动识别系统 (Automatic Identification System,AIS)。AIS 由岸基(基站)设施和船载设备共同组成,是一种新型的集网 络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备[6]。 AIS 由舰船飞机的敌我识别器发展而成,配合全球定位系统(GPS),将船位、船速、改变航向率及航向 等动态信息,结合船名、呼号、吃水及危险货物等静态信息,由甚高频(VHF)频道向附近水域船舶及岸台广 播,使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶动静态信息,立刻互相通话协调,采取必要的避让, 对船舶航行安全有很大帮助[7]。 虽然 AIS 十分有效,但缺点也是显而易见的。由于 AIS 工作在 VHF 频段上,这就决定了它的覆盖范围 局限在 20-30 海里之间。对于远海单独航行的船只,AIS 并不能帮助其与外界通信从而实现“物联”,因此 从某种意义上说 AIS 只能算是“水上物联网”,并不能满足人们对超出普通 VHF 覆盖区域远离陆地航行的 船舶进行探测和跟踪,以便更好地处理危险船舶、增强航行的安全性并监视记录危险操作的迫切需求。 目前对于远洋船舶跟踪定位的主要手段是 LRIT(Long Range Identification and Tracking of Ships)[8]。在 LRIT 系统中,航行的船舶通过覆盖全球的卫星通信系统把船位报告信息发送到陆地地球站,陆地地球站再 把船位报告通过 LRIT 应用服务提供商和 LRIT 分配网络发送到经国际海事组织(IMO)授权的用户终端 [9][10]

。LRIT 也存在明显弊端: 1.提供的信息相对有限,仅限于船舶识别号,船位和提供船位时的日期和时间。 2.只是点对点通信,仅能用于获取少量监控信息。 针对 AIS 与 LRIT 的不足,美国、挪威等国家已经开展对卫星探测 AIS 技术的研究[11]。这些国家近几

年不断在 ITU 和 IMO 相关分委会框架下提出了使用卫星探测船载 AIS 信息的议案,即在近地轨道上使用 1 颗或者多颗卫星,来接收并解码 AIS 信息并通过卫星转发给相应的地球站,以便路上管理机构获取这些船 舶信息,从而实现对远海海域航行船舶的监控[12][13]。然而,卫星探测 AIS 仍满足不了海上物联的要求,主 要表现在: 1.卫星 AIS 属于非实时通信系统,系统对船舶位置的覆盖不能一直持续。卫星 AIS 不能保证在任何环 境下都能立刻获取数据,因为卫星星座设置和目标船舶环境会延迟信息收集至少半个小时。 2.卫星 AIS 的安全性较差,用户可以自由获取并使用接收到的 AIS 信号,包括潜在的商业用途,这可 能会对船舶安保带来一定的负面影响。 综上所述,现有技术存在覆盖范围有限、实时性不足、信息有限、安全性差等弊端,并不能满足我国海 洋权益的需求,海上物联网的建设还有很长的路要走。而海上物联网建设的关键就是提升海上通信能力。 -219http://www.sj-ce.org/


1.2 海洋通信现状 目前我国船舶通信的主要方式有超短波通信、海事卫星通信、短波通信(单边带)及最近几年发展的 北斗卫星通信。 超短波对电离层的穿透力强,主要以直线方式传播,考虑到地球曲率的影响,其直线传播距离等于视 距。同时,在天线高度受限的条件下,地面、水面对 VHF/UHF 吸收力较强,以接力方式传输时,中继距 离受限。因此,超短波只适用于近岸通信,无法进行远洋通信。上述 AIS 系统就是这种通讯方式。 海事卫星虽然可以进行大范围的通信,且不易受恶劣自然环境的影响。但是,海事卫星不仅通信资费 标准是常用的微波通信的几倍到几十倍,且在我国南海大范围内并没有信号覆盖,通话过程中存在时延, 连续不畅等问题,现阶段并不适用于大范围推广。 北斗用户机近几年可以民用了,但只能发短信,虽比海事卫星便宜,却不方便,特别是在情况紧急且难于概括时。 短波单边带电台几乎是远海船舶的标配。其所发射的电磁波依靠电离层反射传播,可以实现几百公里 到几千公里的通信。被反射的电波还可再次被反射到电离层,形成二次反射。如此,经过水面和电离层之 间的多次反射,无需基站和中继站即可实现“全球通”。因此,远海船只利用短波电台通信联络,成本 低,自主性强,而且在收听状态不会暴露自己的信息。尽管短波电台频带窄、速率低、信道差,却是不可 替代的建立海上物联网的重要基础设施。

1.3 升级海洋通信 短波通信电离层是一种典型的时变传输媒介,存在瑞利衰落、多径效应、多普勒频移等复杂时变因 素,接收码元在时间上展宽,包络发生畸变,因而数据传输产生码间干扰和误码。 短波信道是带宽受限的 信道,射频频谱非常拥挤,信道间互相干扰严重。为适应信息时代数 据信息量飞速增长、电磁环境进一步 恶化的情况,短波通信必须提高数据传输速率和抗干扰能力。 目前,短波通信数字化已成大趋势。为了能进一步优化海洋通信,在 SSB 模拟电台被新一代数字电台 替代之前,必须引入无线 MODEM 把短波传输信道数字化,这样就可以直接利用现有的船舶通信装备,传 输用于远程指挥、调度、联络和监控的各种数字信息,并与各种船舶电子设备相连,实现海上船舶远程指 挥、调度、监控系统,以及对海上船舶提供各种信息的服务系统。 为了利用短波 SSB 电台窄带的信道提供更多、更快的信息传输,势必对短波通信提出了更高的要求。 一是自适应编码调制技术。通过信道质量评估,保证收发两端同时变速,改变编码和调制的方法,以达到 速率和误码率的折中。二是高速调制解调器的研制。随着人们对通信质量要求的提高,迫切要求增加短波 信道的通信容量。编码的正交频分复用(COFDM)技术的兴起给高速调制解调器的研制提供了契机。 将基于 COFDM 技术的话带调制解调器把模拟的(或低速的)船用短波电台扩充为较高速的船用数据 电台,为构建“海上移动物联网”建立远洋短波数字通信的基本架构。

2 系统解决方案 2.1 解决方案 随着 PC 机的高速发展,其处理能力已经达到了以往高端 DSP 的能力。因此,基于软件无线电思想, 采用先进可靠的信道编码(删除卷积码和低密度奇偶校验即 LDPC 码)与高效的多载波调制(OFDM+ QAM) ,利用通用 PC 机的声卡输入输出口与普通电台的电话接口直接相连接,按照虚拟无线电的方式实现 数据的高速传输。东南大学多媒体技术研究所曾开发一款这样的短波话带调制解调器 [14][15],为本文基于短 波数据通信的海上移动物联网的建立,提供了可行的物理层传输手段。

2.2 关键技术 COFDM:信道编码以及时域和频域上的交织,使得传输时各子信道上的单位码元统计独立,从而消除 -220http://www.sj-ce.org/


较窄带宽上的平坦衰落、脉冲噪声等信道干扰对系统性能的影响。同时,采用逼近香农极限的现代信道编 码,如 LDPC [16]、Turbo 码[17]等,也可以大大改善 OFDM 系统在各种信道条件下的适应性和性能。 信源编码:采用 Speex 语音编码器。这是一个自由开源的有损压缩的语音编码器,基于激励线性预测 编码,支持多种采样率,可提供多种传输质量。 信道编码:采用多码率兼容的删余卷积码(Rate Compatible Punctured Convolutional, RCPC),既可以提 高对带宽和多种信源编码速率的抗差错效果,又可以加大重要信息的冗余度,对系统中不同类型的信息提 供等级差错保护措施。低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC)的运用,大大加快了信息 传输速率。

2.3 模块设计 根据张倞硕士等人的研究[15],系统可采用如下架构: 调制器:发射机产生的基带信号主要流程主要由信源编码、能量分散、信道编码、QAM 星座图映射、 OFDM 组帧、OFDM 信号生成(IFFT)、声卡处理这几个环节构成。 解调器:接收机首先进行频偏捕获,获得接收信号的整数倍频偏,然后进行采样率纠正,接着进入 时间捕获过程,然后通过 FFT 来实现 OFDM 解调。系统在完成捕获过程之后进入跟踪过程,即完成频率 细同步和时间细同步。对于 OFDM 系统中的同步问题,系统采用先同步后跟踪的方法:首先进行频率和 时间的粗同步并确定传输模式,接着进行频率和时间的跟踪过程,在完成跟踪过程后对 OFDM 信号进行 解调。

3 系统特色与应用前景 本方案的短波高速调制解调器基于虚拟无线电技术,采用并行单音体制,通过先进信道编码与高效调 制相结合,对现有模拟短波电台进行兼容性改造,成功实现了数据流的高速传输,既延长了现有设备的使 用寿命,又节约了开支。

3.1 技术特色 1)编码的正交频分复用体制 正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方式,将其与高阶正交调幅(M-QAM)结合,频谱 利用率高,能有效抑制和消除符号间干扰,具有良好的频率分集效果,能抗严重多径衰落和强窄带干扰, 与先进的信道编码方案相结合构成 COFDM 体制,可进一步提高系统的短波传输性能。 2)高性能的信道编码方案 采用 RCPC 码和 LDPC 码。RCPC 编码方式可根据业务不同灵活地改变编码率,在恶劣信道环境下可 保证低传码率无差错传输,在良好信道环境中可以用高传码率传输数据。LDPC 码被公认为是一种最接近 香农极限的信道编码技术,具有比 Turbo 码更快的译码速度和更低的复杂度,经过改进后的 LDPC 信道编 码方案更适合短波通信。 3)可有针对性的分级保护技术 本系统可对数据采用了不等差错保护(UEP),对不同的业务类型、不同重要级别的数据进行力度不等 的差错保护。在保证数据可靠性的前提下,充分提高了数据传输码率。 4)灵活的虚拟无线电实现 采用软件无线电思想,通过软件编程完成信息采样、量化、语音编/解码、数据复用/分接、调制/解调 等全部处理过程,使得系统的参数设置、体制升级、业务更新等更加方便。具体实现则基于虚拟无线电技 术,海船只需利用普通电脑即可与现有 SSB 电台的音频口对接,无需任何改动。全部软件化的处理也使得 电台的私密性更高、操作性更灵活,也有利于信息安全。 -221http://www.sj-ce.org/


3.2 应用前景 1)随着电子技术、通信信号处理、特别是超大规模集成电路(VLSI)工艺的进步,使得数字信号处理器 (DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)与芯片系统(SoC)的发展异常迅猛。本方案的基带信号处理算法模块已相 对成熟稳定,可以作为核心模块移植到 DSP 或 FPGA 上,做成硬件 MODEM,应用更加方便。 2)随着嵌入式应用的发展,先进的精简指令集处理器(ARM)因其高性能、低功耗、低成本而成为移动 通信、便携设备、消费与图像应用等嵌入式产品的首选,占据了 90%手机处理器的市场份额,完全可以满 足短波 MODEM 和话音 CODEC(编解码器)的运算要求。由于 Qt 具有强大的跨平台特性,只要对项目稍 作改动,进行再编译,就可以移植到嵌入式操作系统中。如果将本项目软件移植到手持设备中,将极大提 高系统的移动性和便携性。 3)出海船舶现有的民用短波电台可直接传输用于远程指挥、调度、联络和监控的各种数字信息,并与 各种船舶电子设备相连,实现“海上船舶远程指挥/调度/监控系统”,以及对海上船舶提供各种信息服务 系统,产品附加值较高。因为是基于 PC 平台实现的远程数据传输,故进而还可与各种船舶电子设备相 连,即通过扩充硬件和软件接口,逐步与 GPS、船用速度计程仪、测深仪、航行数据记录仪、船用液位 计、船用温度计/压力计、鱼群探测仪、导航雷达等设备相连直至有机集成,实现从远程数据采集/渔船监测 系统,直到各种功能、级别和区域范围的海上船舶远程指挥/调度/监控系统。

4 结束语 本文阐述了物联网从陆地拓展到海洋的意义,分析了现有海上物联网系统的缺点以及改进的必要性。在 对现有远洋船舶通信状况分析的基础上,提出利用基于 COFDM 技术的话带调制解调器将模拟的船用短波电 台扩充为较高速的船用数据电台,为构建“海上物联网”建立远洋短波数字通信的基本架构,介绍了该系统 的解决方案和技术特色,以及可带来的经济效益和应用前景。本文只解决了海上物联网基本的物理层架构, 仍需补充对适用于短波单向点对多点广播接收和双向点对点通信的物联网协议的研究。由于 AIS 系统的广泛 应用,将本文所介绍的 HF 系统接入 VHF 频段的 AIS 系统,弥补 AIS 的不足也值得进一步研究。

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【作者简介】 1

张逸驰(1992-),男,汉族,学士

2

杨雷(1990-),男,汉族,学士学

学位,本科生,智能信息处理,东南

位,本科生,通信信号处理,东南大

大学信息科学与工程学院学习。

学信息科学与工程学院学习。

Email: 213102405@seu.edu.cn

Email: 213101758@seu.edu.cn

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Yichi Zhang, Lei Yang

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