Design of Communication Coordinator Based on Beidou/4g and Underwater Sensor Network

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Yao Xing, Sun Shanlin, Li Yun, Tan Zhicheng, Xin Yili

(Guilin Aerospace Industry University, Guilin, 541004)

Abstract: In this paper, a communication coordinator module based on the first generation of the Beidou satellite communication system and the 4G mobile communication network having both satellite communication capabilities and underwater acoustic communication capabilities has been developed. Through this module, the underwater network data and shore-based information data can be realized. It is used to complete the effective deployment of sensor network in the ocean at a long distance and in a wide range.

Keywords: Beidou; 4G; Underwater Sensor Network; Communication Coordinator

1 引言

海洋产业作为广西重点培养的十大战略性新兴

产业之一,在广西国民经济中的战略地位日益重要[1]。

根据广西壮族自治区海洋局发布的《2014年广西

海洋经济统计公报》,广西海洋经济生产总值926亿元,比上年增长9.1%,占广西地区生产总值的比重为5.9%,约占广西北部湾经济区4城市(南宁、北

海、钦州、防城港)生产总值的比重为17%,海洋经

济在新常态下保持平稳发展态势[2],有效开发和保护海洋资源、维护海洋安全对于广西具有很高的经济价值和战略意义。

在众多新兴的海洋科技领域中,水下传感器网络利用水面、水下布放的传感器,同时采集三维的 海洋地理数据,这类技术对沿海地区水文气象数据采集、灾害灾难预报方面有着重要意义,而在采集数据传输上因远海海面缺乏无线通信运营商的信号覆盖造成远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电台,由于其带宽

较低,基本上用于话音通信和少量紧急告警应用,少有用于数据传输,且其存在最大的问题是通信距

离有限,通常小于30km,因此急需解决通信距离限

制问题以满足远海海面数据通信的需要。

2 国内外研究现状分析

国内外同类产品基本处于起步阶段,如法国国家空间研究中心与美国宇航局和海洋大气局合作开发的Argos系统是第一个具备全球定位和数据采集

项目基金:广西科技创新驱动项目:基于北斗卫星导航系统和水下无线传感器网络的数据交换网关,项目编号:2016AC01003;广西科技重大专项:北斗卫星导航的无人机海洋生态采集系统,项目编号:桂科AA17204086。

作者简介:姚 钘,男,1991年生,安徽桐城人,工程师,研究方向为数字信号处理,水声通信。孙山林,男,1973年生,教授,博士,广西无人机技术应用院士工作站站长,广西无人机遥测重点实验室主任。李 云,女,1978年生,教授,博士,从事水下无人系统及水下组网研究。

的系统[3],该系统通过海事卫星实现数据采集和

传输,但并未完成水下无线传感器网络数据采集、数据交换与转发。又如国内基于北斗的船舶监控系统,该系统主要采用短报文传输机制完成数据采集和传输,并未考虑数据压缩,可靠性不高,且水下无线传感器网络与北斗一号传输网络的数据交换与压缩功能没有考虑。目前国内外未见有研发本文中整合水下无线传感器网络、北斗一号与4G移动通信

网的数据交换功能的设备。

3 通信协调器的关键技术设计

3.1 通信协调器架构的设计

通信协调器(Coordinator)主要由核心控制模

块、协议栈转换模块、网络控制与接入模块、外部存储模块以及基础服务与管理模块组成。通信协调

器作为水声通信系统、4G数传模块、北斗短报文通信模块以及CTD模块的中心节点,负责控制和监测

各模块网络路由节点,负责监测功能的每一个路由节点携带一个CTD模块(负责把CTD模块数据采集传感器采集的数据发送给Coordinator)。核心

控制模块与协议栈转换模块作为协议转换的枢纽,

用于解析北斗卫星通信模块与CTD模块产生的数据并与Coordinator内部通用的数据传输格式相互

转换。通信协调器的外围模块上,能量供应模块主要是为网关运行提供能量保障。水声通信模块的主

要任务是接收来自CTD模块节点的感知数据,同时

接收到的指令、业务要求等也经过水声通信模块发到区域内各监测节点,实现数据的交互与控制。北斗卫星通信模块是将经通信协调器协议转换后的长报文数据利用长报文处理模块封装成北斗卫星

短报文数据帧,4G数传模块则是将需要传输的数 据利用4G移动通信网发送到陆上服务器端,通过4G数传模块与北斗短报文通信模块的双模可靠传输将数据发送至陆地基站,从而实现双模网关的转换,通信协调器(Coordinator)系统结构及相关外围图如图2所示,实现通信协调器的硬件实物图如图3所示。 通信协调器系统的组成模块及模块功能如下:网络控制和接入模块:通信协调器通过本模块

实现与北斗卫星通信系统中的短报文通信模块、4G

数传模块的互联互通。此模块同时也为与其他类

型网络(例如VHF网络)接入预留了相应的设备接

口,便于后续进一步的开发维护。网络协议转换模块:本模块是通信协调器实现接入功能的核心之一,

重点实现与北斗、CTD模块、VHF等网络协议栈的

对接与融合。本模块根据北斗网络模型,对来自北斗卫星通信模块、水声通信模块及CTD模块传输

的数据,实现逐层数据格式转换、业务数据区分、数据封装与解析等操作,最终实现利用北斗卫星通

信模块进行CTD模块与水声通信模块网络业务数

据的上传以及系统控制指令的下行。

核心控制模块:是通信协调器的调度中心,主要实现通信协调器任务的全局处理、数据融合和信息

提取,完成北斗卫星通信模块、CTD模块与水声通

信模块资源管理、连接管理及自适应切换等功能。

外部存储模块:主要负责对感知数据、定位信

息、指令信息进行存储,通过缓存降低CTD模块组成的水下无线传感器网络与北斗、VHF网络等不同

网络之间载波频率、数据量、传输速率、网络带宽等差异,能为网络管理与控制提供保障。

基础服务与管理模块:主要任务是通过与协议

转换模块、网络控制接入模块的协调,完成CTD模块组成的水下无线传感器网络与北斗、VHF等不同

网络的数据接入与互联。

3.2 长报文的北斗通信协议开发

北斗卫星系统中的短报文模块发送的报文长度有一定的限制,当单次发送数据大小超过系统规定的最大报文长度时,必须要进行分包发送。市面现有北斗卫星导航产品,均是基于此规则进行设计开发的,实际使用时有诸多不便。因此,本项目基于北斗卫星系统的硬件系统架构,对这种发送方式进行改进并设计了支持长报文数据传输的数据通信协议方案。该方案主要通过长报文分包执行子模块对水声通信系统接收的信息处理后产生的长报文数据按单包报文最大发送字节长度进行自主切包,在接收端长报文合包执行子模块再根据各子包及子包内的标记重新恢复出长报文数据,从而完成长报文数据的传输,因此长报文分包执行子模块以及 合包执行子模块是长报文的北斗通信协议开发的核心,长报文通信协议的处理流程如图4所示,各子包数据帧格式如图5所示。其中,分包编号用于指示当前帧的包数,总分包数量用于判断当前发送位置以便于内部逻辑确认是否已发送完成,起始包标记与结束包标记分别用来指示子包的第一包数据以及最后一数据,便于恢复出长报文数据。

4 结束语

本文研究的基于北斗/4G和水下传感器网络的通信协调器对于高效海洋通信、广域海洋监测,特别是提供了远海环境资源监测的手段,并在资源监测的准确性、效率性、自动化程度等方面都有重要的技术突破,同时对于其他类型海洋资源监测以及海洋灾害预警、综合海洋通信系统建设等也起到了参考作用,对该技术进一步开发和完善,可形成方便易用的技术手段,在国内外市场进行进一步推广,为监测海洋资源,维护海洋权益起到重要作用。后期进行市场化、行业化,将取得较为明显的经济与社会效益。■

参考文献

[1] 庞子健.广西海洋产业结构调整的经济效益研究[D].广西师范大学,

2013.

[2] 中国海洋.广西海洋经济保持平稳发展态势[Eb/ol].http://epaper.

oceanol.com/shtml/zghyb/20150630/10316.shtml,2015.06.

[3] 崔仑,王国忠.Argos系统简介[j].国际太空,1980(3):31-32.

图1系统网络结构图

图2通信协调器系统结构及相关外围

图3通信协调器的硬件实物图

图6北斗卫星通信模块实物图

图5长报文经切包后的子包数据帧格式

图4长报文通信处理流程图

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