（交通信息工程及控制专业论文）长江智能航运系统网络及通信协议的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 “长江数字航道与智能航运建设示范工程 在我国内河航运建设领域第一个 提出了数字化和智能化概念。该项工程建设包括5 大子系统、7 个局域网( 南京航 道局局域网、系统支撑平台局域网( 在南京航道局) 、南京航道局下属四个航道处 局域网、南京通信管理局局域网( 船舶动态监控中心) ) 以及3 艘航道测量船、1 5 艘航标工作船、4 个a i s 基站、航标、水位站、通航船舶等。工程项目巨大，覆盖 范围广，根据实际业务需求和网络技术特点建设智能航运系统的通信传输网络、 提出优化的通信传输方案是整个工程面临的重要问题之一。本文研究工作就是为 了解决项目中的实际应用需求。主要包括以下几个方面t ( 1 ) 对长江干线江苏河段智能航运系统网络环境现状及建设条件、项目需求、 数据业务流程进行分析，综合考虑工程实施和技术的前瞻性，完成了通信网络体 系结构的设计，包括逻辑网络方案、网络技术方案、网络管理、网络安全技术设 计等。 ( 2 ) 对通信协议设计相关技术进行研究，根据系统实际运行情况，参考电信 协议s m p p 和工业控制领域成熟的国际标准m o d b u s 及i e c8 7 0 5 1 等，完成了船 岸无线通信协议( v b p p ) 及航标遥测遥控系统通信协议的设计。 ( 3 ) 基于v b p p 协议，利用v c + + 6 0 开发工具及网络编程技术，进行了船 岸通信软件开发，以开发包动态库提供给用户。对g p s 动态信息接收和提取、服 务器端数据库建立和操作进行了相应的研究。构建了基于g p r sv p n 的网络，对 船岸无线通信系统进行仿真，验证了协议的基本功能，以及数据传递过程中的有 效性和可靠性。 关键词：组网工程；通信协议t 遥测遥控；船岸通信软件 英文摘要 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rn e t w o r k sa n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li ny a n g t z er i v e ri n t e l l i g e n ts h i p p i n gs y s t e m a b s t r a c t t h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c to f y a n g t z er i v e rd i g i t a lc h a n n e la n di n t e l l i g e n ts h i p p i n g c o n s t r u c t i o np u t sf o r w a r dt h ed i g i t i z a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z e dc o n c e p tf i r s t l yi nt h ef i e l d o fi n l a n dn a v i g a t i o nc o n s t r u c t i o nf i e l di no u rc o u n t r y t h ep r o j e c ti n c l u d e s5s u b s y s t e m s ， 7l o c a la r e an e t w o r k sa n d3c h a n n e ls u r v e yv e s s e l s ，1 4b e a c o nv e s s e l s ，4b a s es t a t i o n so f a i s ，b e a c o n s ，g a u g i n gs t a t i o n s ，n a v i g a b l es h i p se t c b e c a u s eo ft h eh u g es c a l ea n dt h e b r o a dc o v e r a g er a n g e ，c o n s t r u c tt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o rt h ei n t e l l i g e n ts h i p p i n g s y s t e ma n dp u tf o r w a r dap e r f e c tp a no f c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o na c c o r d i n ga c t u a l s e r v i c en e e di sv e r yi m p o r t a n t s ot h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os o l v et h e s ep r a c t i c a l p r o b l e m si nt h ep r o j e c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fn e t w o r kc i r c u m s t a n c e ，c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n ，p r o j e e t n e e d ，d a t aa n do p e r a t i o nf l o wo fy a n g t s er i v e ri n t e l l i g e n ts h i p p i n gs y s t e m ，t h i sp a p e r c o m p l e t et h ed e s i g no fn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，i n c l u d i n gt h el o g i cp l a no fn e t w o r k , t h e p l a no ft e c h n o l o g i e s ，a d m i n i s t r a t i o no fn e t w o r k s ，n e t w o r ks e c u r i t ye t c ，w h i c ht a k et h e p r o j e c ta c t u a l i z a t i o na n dp r o s p e c to ft e c h n o l o g yi n t oa c c o u n t s o m et e c h n o l o g i e so ft h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si sr e s e a r c h e di nt h i s p a p e r , v e s s e l b a n k w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sp e e rt op e e rp r o t o c a la n dt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fn a v i g a t i o na i d st e l e m e t e r i n ga n dt e l e c o n t r o ls y s t e ma r e d e s i g n e da c c o r d i n go p e r a t i o n a la s p e c t so ft h es y s t e m ，r e f e r e n c e dt h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d si nt h ef i e l d so ft e l e c o ma n di n d u s t r i a lc o n t r a l a c c o r d i n gv b p p , v e s s e l b a n kw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e dw i t h v c + + a n dn e t w o r kp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y g p sd a t ac o l l e c t i n ga n da n a l y s i s ， e s t a b l i s h m e n ta n do p e r a t i o no ft h ed a t a b a s ea r ea l s or e s e a r c h e di nt h i sp a p e r g p r s v p nn e t w o r ki sc o n s t r u c t e d ，t h eb a s i cf u n c t i o n so ft h ep r o t o c o la r ev e r i f i e db yt h e e m u l a t o no fv e s s e l b a n kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e t r a n s m i s s i o nd a t aa r ec r e d i b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：n e t w o r kp r o j e c t ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ；r e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l ；v e s s e l - b a n kc o m m u n i c a t i o n s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = 蓬江蟹能航运丕统圈终拯通信坯这趁遮让量塞现：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：门v 屯、刀够年弓月卅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密叭请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：仲唬、 日期： 导师签名：摹这鲤k 聊年弓月) 1 日 长江智能航运系统网络及通信协议的设计与实现 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 长江是我国内河水运最重要、运输规模最大的通航河流。长江航运对于我国 经济发展的战略意义非常重要，受到国家特别重视，国民经济和社会发展第十个 五年计划纲要中明确提出加强建设长江、珠江及京杭运河等水运主通道，积极 发展内河航运【l 】。国家决定在2 0 2 0 年前，投资近1 6 0 亿元整治长江航道，全面改 善航道硬件、软件通航环境。要实现长江航运跨越式发展，科技是关键，我国已 将利用先进技术改造传统产业列入国家“十一五 发展规划。2 0 0 5 年交通部公 路水路交通科技发展战略将“智能航运”列入交通科技六大发展战略重点之一 “智能化数字交通管理技术的研究中【2 1 。 沿江经济和社会的快速发展，直接带来对水运交通运输需求的不断增加，迫 切需要航道和航运管理部门改善航运通航环境、提高航运服务水平，长江航道、 航务管理部门已认识到目前的管理模式和服务水平已经越来越不能满足现代化水 运交通的发展需要，认识到必须借助先进的数字化和智能化技术手段解决这一矛 盾。长江航道局e 1 2 0 0 3 年起，先后组织科研单位就实现航标遥测遥控、建设长江 电子航道图系统进行了专题研究，随着研究逐步深入，初步勾画出建设长江数字 航道系统的构想。长江航道局编制了长江数字航道与智能航运建设示范工程( 南 京至浏河口河段) 可行性研究报告已于2 0 0 5 年1 1 月通过交通部批复( 批复文号 为交规划发 2 0 0 5 1 5 3 2 号) ，批复同意工程的总体方案和建设内容，工程总投资4 3 2 1 万元。 “长江数字航道与智能航运建设示范工程 是在我国内河航运建设领域第一 个提出数字化和智能化概念的工程。该项工程建设包括电子航道图系统、航标遥 测遥控系统、系统支撑平台、船舶助航系统和船舶动态监控系统等5 大子系统及 相应的配套设施，整个系统的网络节点包括南京航道局局域网、系统支撑平台局 域网( 在南京航道局) 、南京航道局下属四个航道处局域网、南京通信管理局局域 网( 船舶动态监控中心) 共计7 个局域网以及3 艘航道测量船、1 4 艘航标工作船、 4 个a i s 基站，以及航标、水位站、通航船舶等。 该工程项目巨大，覆盖范围广，如何将系统中这些地理位置分散的节点建造 第1 章绪论 合理的网络系统、实现信息共享，有效地利用现有资源、方便快捷地管理日益庞 大的网络，是整个工程面临的重要问题之一。因此，根据实际业务需求和网络技 术特点建设智能航运系统的通信传输网络、提出优化的通信传输方案对整个系统 运行效率、整合与航运相关的其他已建( 或待建) 应用系统具有十分重要的意义。 1 2 国内外内河信息通信网络建设 欧美国家高度重视内河航运的智能化建设，在密西西比河、莱茵河等投入大 量技术研发，为内河航运提供良好的信息平台。美国在1 9 7 8 年以前把内河航道作 为国家交通基础设施建设的一部分，从上世纪7 0 年代末到8 0 年代初，由美国政 府投资逾百亿美元，基本建成世界上最发达、先进的内河航道网络【3 1 。美国密西西 比河日前已形成了较为系统、完整、科学、快速的航道保障应急反应网络，航道 测量结果每天通过g p s 与陆军工程兵团各分部和总部相连，决策人员能及时了解 航道的变化情况，即时制定出疏浚、整治力案【4 】。欧盟各国纷纷运用先进的信息通 信技术建立本国的内河航运综合信息服务系统( r s ) 【5 1 ，代表了当今内河航运科 技发展的最新趋势。 我国内河信息通信网络建设发展相对滞后，与铁路、电力、高速公路等专网 存在差距，是制约长江航运实现信息化的瓶颈。作为长江航运四大支持保障体系 之一的长江通信受到日益重视。长江通信导航局根据交通部和长航局的规划，本 着长江航运通信发展的总体思路：在已建长江航运通信网络的基础上，建成以光 缆数字传输系统为主体、数字节点交换设备为核心的长江干线航运数字传输网。 在“十五期内，建成了重庆至上海光传输系统工程f 6 】，并配套完善了长江船岸 v i - i f 遇险安全通信网，建成长江会议电视和数据传输网，逐步建成技术先进、互 联互通、可靠便捷的长江航运宽带综合业务数字网，实现电话、数据、图像传输 三网的融合，完成了以数字微波传输为主向光纤传输为主、以话音业务为主向数 据通信业务为主、电路交换为主向分组交换为主的结构性调整，以适应长江航运 现代化对信息通信的需求。 1 3 长江航运通信网络现状及建设条件 “长江数字航道与智能航运建设示范工程”涉及的组织机构包括南京航道局 及下属的南京、镇江、扬中、上海4 个航道处，长江南京通信管理局及下属南京、 2 长江智能航运系统网络及通信协议的没计与实现 镇江、江阴和南通4 个通信处。 长江航道信息工程一期工程已经完成了长江航道局机关网络平台及信息平 台，完成了局机关内部办公自动化系统，实现了局机关大楼计算机联网：f 在积 极进行的信息工程二期工程【7 】也将主要完成长江航道局与二级管理单位之间的广 域网建设和二级单位内部局域网建设。南京航道局及其下属四个航道处近几年初 步配置了一些计算机及网络设备，但有些设备购置时间较长，机型落后。根据长 江航道局信息工作规划，将采用内外网分建模式，同时根据国家关于计算机信息 安全规定，网络应考虑物理隔离方式，而目前南京局及其下属各单位在网络布线 中都未实现物理隔离，配套的网络环境尚不能满足本系统的要求。 目前，长江通信管理局已经将光纤或双绞线物理链路连接至南京航道局及其 下属4 个航道处( 见图1 1 ) ，连接长江沿江各港航单位的数据传输专用网络已经 运行，是本系统网络节点间实现网络互连的主要媒介。因特网接入大多通过汇集 到通信管理局再由通信管理局统一接入电信运营商的方式实现，目自仃大多采用直 接接入通信管理局交换机的过渡方式。各局域网之间的数据传输、远程数据库操 作已经实现。本系统的实施已具备了陆上系统快速网络通信的条件。 图1 1 数据通信网络连接图 f i g 1 1d a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o n n e c t i o n s 第1 章绪论 长江通信中，有线语音通信己全部实现程控化，且逐步与电信或铁通实行全 自动联网，船岸语音通信网络己投入试动，长江沿岸数据网初级平台正在建设之 中，而船岸数据通信网仍为空白。长江南京至浏河口河段中国电信的g s m 网络和 中国联通的c d m a 网络基本上实现全覆盖【8 ，9 1 。 1 4 本文所做的工作 ( 1 ) 长江干线江苏河段智能航运系统复杂多协议通信网络体系结构的设计 对网络环境现状及建设条件进行调研、对项目需求、数据业务流程进行分析， 综合考虑工程实施和技术的前瞻性，提出整个系统通信网络解决方案，包括逻辑网 络方案、网络技术方案和网络安全技术设计。 ( 2 ) 船岸无线通信协议v b p p 及航标遥测遥控系统通信协议的设计 对通信协议设计相关技术进行研究，根据项目实际，完成航道工作船和航标 遥测遥控平台与航道处监控中心消息交互的协议格式、信息内容的定义；对传输 模式、传输规则等进行了研究。 ( 3 ) 基于v b p p 协议的船岸通信软件开发 基于v b p p 协议，通过网络编程进行g p r s 通信模块开发，以开发包动态库 提供给用户。本文对简单的通信功能进行了仿真实验。 本文的具体章节安排如下： 第1 章：课题提出的背景，现状及建设条件。本文的主要工作和论文的结构。 第2 章：根据组网工程的步骤，完成长江智能航运系统通信网络方案设计。 第3 章：船岸无线通信协议相关技术研究及定义。 第4 章：航标遥测遥控系统通信规约相关技术研究及定义。 第5 章：船岸通信系统的仿真。对g p s 串口数据接收及信息提取、服务器端 数据库建立和操作进行研究，对船岸通信软件接口a p i 进行定义，按v b p p 协议 封装信息，w i n s o c k e t 和w i n d o w s 多线程技术编程实现。仿真环境搭建，分析试验 结果，验证协议功能。 第6 章：总结本文所作的工作，并对下一步所要做工作进行展望。 4 长江智能航运系统网络及通信协议的设计与实现 第2 章长江智能航运系统通信网络组网方案设计 2 1 网络需求及业务数据流程分析 2 1 1 网络建设需求 ( 1 ) 总体需求 “长江数字航道与智能航运建设示范工程”建设内容是长江干线江苏河段( 慈 湖河口至浏河口) 数字航道及智能航运建设，包括航标遥测遥控系统、电子航道 图系统、系统支撑平台和船舶动态监控系统、船舶导航系统两个外部应用系统共5 个子系统及相应的配套设施。所有各系统之间通过网络连接，整体构成智能化的 长江航运系统。 整个系统的网络结点包括南京航道局局域网、系统支撑平台局域网( 在南京 航道局) 、南京航道局下属四个航道处局域网、南京通信管理局局域网( 船舶动态 监控中心) 共计7 个局域网以及3 艘航道测量船、1 5 艘航标工作船、4 个a i s 基 站、6 0 7 座航标、6 个骨干潮位站、1 7 个征稽站【l o 】。将系统中这些地理位置分散的 节点建造合理的网络系统、实现自动传输、信息共享。建设智能航运系统的计算 机及通信传输网络，并为整合与航运相关的其他已建( 或待建) 应用系统的网络 预留接口。 ( 2 ) 网络安全需求 网络安全主要是考虑系统数据的访问操作安全和航道数据的保密性，所以要 保证数据库的安全、进入系统的访问操作安全和对外服务发布数据的安全。数字 航道信息属于国家机密，并不能完全对外公开，对电子航道图的应用性质( 公益 性、经营性等) 和不同的信息内容需求也应区别对待。 从网络安全技术的层面上，必须采取多种行之有效的安全技术如加密技术、 网络安全隔离技术、身份鉴别与认证以及灾难恢复与备份等保障系统内部各单位 之间的业务应用安全。 2 1 2 业务数据流程分析 各子系统间的数据流程关系见图2 1 。 第2 章长江智能航运系统通信网络组网方案设计 图2 1 系统数据流程关系图 f i g 2 1f l o wd i a g r a mo fs y s t e md a t a 系统业务与数据关系及各部分的职能如下： “电子航道图系统”( 以南京航道局、局属航道处及其航道站船构成三级管理系 统) 是本系统数字航道信息的主要来源。负责进行航道测量业务管理、航道测 量数据处理、电子航道图制作和改正。 “航标遥测遥控系统”( 以南京航道局、局属航道处及其航道站船构成三级管理 系统) 作为本系统中航标信息的主要来源。负责进行航标维护管理和航标动态 监控。航标基本信息将提供给“电子航道图系统 用于航道图制作和改正；并 汇集到“系统支撑平台”，对外提供服务。 系统支撑平台是本系统的数据中枢和对j b j j 及务窗口，汇集了本系统所有相关信 息并为所有应用系统提供数据支撑。它同时具有航运相关信息采集、管理与发 布职能。 内河船舶导航系统是本系统最主要的管理与服务对象。 船舶动态监控系统作为本智能航运的重要组成部分，基于数字航道信息和船舶 动态信息实现对船舶的动态监视、危险预测、交通现状评估；可将船舶动态信 息随时传输到“系统支撑平台”，为通航船舶及相关部门提供服务。 长江智能航运系统网络及通信协议的设计与实现 各相关部门及其它应用系统既作为本系统的服务对象，同时也是本系统航运相 关信息的辅助来源。 各应用系统( 内河船舶导航系统、船舶动态监控系统和其它应用系统) 除了接 受本系统提供的数字航道及航运相关信息服务外，也能够向本系统提供通航船 舶的动态信息及其它相关信息，从而使本系统不仅能够提供航道航标等静态 信息服务，也能够提供航道中的船舶动态信息及其它相关信息，大大扩展了本 系统的功能。 2 - 1 3 网络流量分析 整个网络上传输的信息流量需求如下： 电子航道图系统( 处) ( 见表2 1 ) 表2 1 电子航道图系统( 处) 信息流量 t a b 2 1i n f o r m a t i o nf l o wo fe l e c t r o n i cc h a n n e lc h a r ts y s t e m ( d e p a r t m e n t ) 序号数据类别信息量 l 测量数据 2 0 0m 年 2 航道图物标数据5 0 m 矩 3 水深数据1 0 0m 年 4 管理数据 5 0m 年 5 临时( 备份) 数据 3 0 0m 年 总计7 0 0 m 年 航标遥测系统( 处) ( 见表2 2 ) 表2 2 航标遥测系统( 处) 信息流量 t a b 2 2i n f o r m a t i o nf l o wo f a t nt e l e m e t e r i n gs y s t e m ( d e p a r t m e n t ) 序号数据类别信息量 1 航标状态报告数据2 5 0m 年( 1 0 0 k 3 6 5 天：i ：2 4 小时 2 小时次 木6 0 7 座) 2 航标报警数据 5 0m 年( 状态报告的2 0 0 5 ) 3 航标管理数据 5 0m 年 4 管理数据 5 0m 年 5 临时( 备份) 数据 3 0 0m 年 总计7 0 0 m 年 航道处系统 信息量是处电子航道图系统与处航标遥测遥控系统之和，即：1 4 0 0 m 年。 第2 章长江智能航运系统通信网络组网方案设计 航道局系统 信息量是各处之和，即：5 6 0 0 m 年= 4 1 4 0 0 m 年。 系统支撑平台( 见表2 3 ) 表2 3 系统支撑平台信息流量 t a b 2 3i n f o r m a t i o nf l o wo fs y s t e ms u p p o r tp l a t f o r m 序号数据类别信息量 l 电子航道图 4 0m 年 2 航道综合信息 1 0 0 0m 年 3 船舶动态信息 4 5 0 0 0m 年( 1 0 0 k 3 6 5 天* 2 4 小时 1 小时次 * 5 0 0 0 0 艘) 4 a i s 、v t s 数据4 0 0 0 m 年千艘 5 航标信息 5 0m 年 6 临时( 备份) 数据 5 0 0 0 0m 年 总计1 0 0 6 经 船舶动态监控系统( 见表2 4 ) 表2 4 船舶动态监控系统信息流量 t a b 2 4i n f o r m a t i o nf l o wo fs h i pm o n i t o r i n gs y s t e m 序号数据类别信息量 l 电子航道图4 0 m 年 2 ， 报警信息2 0 0 u 年 3 船舶动态信息5 0 0 0 0 m 年5 万艘 4 v t s 数据 2 0 0 0 m 年千艘 5 m s 数据2 0 0 0 m 年千艘 6 临时( 备份) 数据 1 0 0 0 0 0m 年 总计2 0 0 g 年 2 2 逻辑网络方案设计 2 2 1 网络总体布局 一 整个系统运行的硬件平台见图2 2 。其中网络结点包括南京航道局局域网、系 统支撑平台局域网( 在南京航道局) 、南京航道局下属四个航道处局域网、南京通 信管理局局域网( 船舶动态监控中心) 共计7 个局域网以及3 艘航道测量船、1 5 艘航标工作船、4 个a i s 基站、6 0 7 座航标、6 个骨干潮位站、1 7 个征稽站。 一”n ! = - 日薯曩o h ，口2 j 习l i 三妊二二l 卜鼍i鬈尹； 茗薹j ： ，一一墨妄二j 签互= 5 ! 三= ，幽竺： 伊鞘学邓盼鸯兰巨1 i 鏖搿阉蓐 雨 ! 囹衡。薪十! 照黛ii 毳，f：屠 皇墅皇望童塑基篁囊望| | ：登；!l 兰：二j ! r 曼i 奎羔塑坐旱孚兰璧兰! 一一一r 一一上乓一一r 一一 ；一；：兰 回|圆f圈圈l 网 悸吐嗣i - 憎哑一。j 蓊憎咀 一鍪划l 磷，酬一j 竣_ ! ! j 量憾事銎：1 望l 星l l 暑望曩墅，曩塑謇塑童鎏l 卜i 三o 鏖塑 l 崧瓣一 西鹜楸； 第2 章长江智能航运系统通信网络组网方案设计 2 3 网络技术方案 设计工作的指导原则是满足整个系统在网络性能、安全性、容量和可缩放性 方面要求的前提下，综合考虑通信网络新技术的发展方向和技术对网络的适应程 度，在运行成本和可靠性之间进行分析和折衷。 2 3 1 有线接入技术比较及方案选择 南京航道局、南京航道处、镇江航道处、扬中航道处、上海航道处、船舶动 态监控中心( 南京通信管理局) 局域网，以及南京、镇江、江阴和南通各通信站 需要通过有线方式分别接入数传专网和因特网。 2 3 1 1 长江数据传输专用网介绍 长江专用数据网下游网络结构分为二级【7 】一级网络连接武汉、上海、南京、 芜湖4 个一级节点，其余为二级节点。2 0 0 6 年下半年，长江下游光纤传输系统建 成。长江专用数据网下游网络采用s d h 光纤传输系统，2 0 0 7 年，长江专用数据网 提高了传输电路的带宽，一级节点的连接速率提高至2 5 g b i t s ，二级节点至一级 节点的连接速率提高至1 5 5 m b i t s ，用户端可提供1 0 m 1 0 0 m 以太网的接入速率， 网络性能将获得极大的提高。 考虑到今后数传专网升级和扩展要求，在本设计方案中，数传专网接入路由 器均配置了百兆以上的光接口和电接口，在数传专网升级改造完成后，对本系统 网络没有任何影响，完全可以正常运行。 2 3 1 2 有线接入方案选择 目前，有线接入i n t e r n e t 的方式有：电话拨号( m o d e m ) 、i s d n 接入、x d s l 技术、h o m e p n a 技术、c a b l em o d e m ( 线缆调制解调器) 、光纤接入技术等。这些 技术基于的硬件环境不同，各自的性能特点也有较大差异。 通过对上述各种技术的比较【l l 】可知：x d s l 和h o m e p n a 技术都是通过现有电 话线高速接入因特网，但x d s l 覆盖面积有限( 只能在短距离内提供高速数据传 输) ，并且一般高速传输数据是非对称的。适用于企事业单位、小公司、家庭、校 园等。h o m e p n a 其传输速度、传输距离决定了它的应用范围也比较有限，是家庭 宽带接入较好的选择，适用于住宅小区、旅馆等的i n t e m e t 访问或网络互联。c a b l e m o d e m 技术是基于c a t v 网络，我国目前对广电部门利用有线电视网络提供 长江智能航运系统网络及通信协议的设计与实现 i n t e r a c t 访问等宽带服务还有一定的限制。而光纤接入技术与其他接入技术相比， 带宽大、传输质量好、传输距离长、抗干扰能力强、网络可靠性高、节约管道资 源等特点。另外，s d h 和a p o n 设备的标准化程度都比较高，有利于降低生产和 运行维护成本，是本工程有线接入的最佳解决方案。 各单位网络接入方案见表2 5 。 表2 5 网络接入设备配置 t a b 2 5c o n f i g u r a t i o no f n e t w o r ke q u i r i m e n t 数传专网接入因特网接入 单位名称 设备带宽设备带宽 南京航道局( 含支撑平台) 数传专网接入设备 1 0 0 m 路由器加网关1 0 m 南京航道处数传专网接入设备 1 0 0 m 路由器加网关 2 m 镇江航道处数传专网接入设备 1 0 0 m路由器加网关2 m 扬中航道处数传专网接入设备 2 m 路由器加网关 2 m 上海航道处数传专网接入设备 1 0 0 m 路由器加网关 2 m 船舶动态监控中心数传专网接入设备 1 0 0 m 路由器加网关 2 m 通信站数传专网接入设备 1 0 0 m 2 3 2 无线接入技术及方案选择 无线接入的方式有很多，如蜂窝移动通信技术( t d m a 、f d m a 、c d m a 、 s - c d m a 等) 、卫星通信技术、微波传输技术、无线局域n ( w l a n ) 等【1 2 】。无线接 入可分为移动接入与固定接入两种。移动接入又可分为高速和低速两种。高速移 动接入一般可用蜂窝系统、卫星移动通信系统、集群系统等；低速接入系统可用 p g n 的微小区和毫微小区，如c d m a 的w i l l 、p a c s 、p h s 等。固定无线接入 实际上是p s t n i s d n 网的无线延伸，目标是为用户提供透明的p s t n i s d n 业务， 其终端不含或仅含有限的移动性。固定无线接入方式有l v i m d s ( 多路多点分配业 务) 、l l v i d s ( 本地多点分配业务) 、d b s ( 卫星直播系统) 、f s o ( 无线光通信) 、 微波一点多址、无线用户环路及卫星v s a t 网等。 另外，船舶与岸台的信息交换可以采用a i s 系统，将船舶的全球定位系统 ( g p s ) 信息用甚高频( 积) 数字通信传输实现无线接入。 2 3 2 1 无线数据通信 水位站、航道测量船、航标、航标工作船、通航船舶等离岸目标需要通过无 线接入因特网，在接入因特网的基础上通过v p n 技术实现与系统岸上网络的互 第2 章长江智能航运系统通信网络组网方案设计 联。下面对c d m a l x 、g p r s 、w l a n 三种主流无线数据通信方式在实际应用中 的成熟、经济、适用性进行比较分析，得出方案： 当前，中国移动拥有“随e 行”g p r s 无线上网业务，中国联通推出了“掌中宽 带”c d m a l x 无线上网业务，通过无线上网卡为用户提供无线接入方式【1 3 , 1 4 】。在固 网运营商方面，基于w l a n ，中国电信力推“天翼通”宽带业务，中国网通亮出“无 线伴旅”。g p r s 和c d m a l x 无线上网业务都是基于移动通信网络，而w l a n 是 属于宽带无线接入，通常把它视为有线宽带接入的延伸。 网络覆盖： 由于c d m a 升级到c d m a l x 网络的成本低廉，并且是平滑过渡，因此中国 联通的c d m a 网络正在全网升级为c d m a l x 网络，在全国范围内，c d m a l x 使 用的范围与话音信号的覆盖范围基本一致。与c d m a l x 相比，虽然中国移动的 g p r s 网络比中国联通c d m a l x 网络早推出近一年，但由于成本以及业务发展状 况限制，目前g p r s 网络覆盖的扩张速度不及联通的c d m a l x 。 而w l a n 网络的运行比较复杂，除了用户手上必须有一台支持无线上网的移 动终端外，运营商还必须在“热点”地区布防接入点a p ，该接入点的作用就是将用 户的电脑与互联网连接起来。只有布防足够多的接入点，才能形成一个从客户端 到服务端完整连接的无线局域网w l a n ，因此主要是有线网络的补充手段。w l a n 覆盖范围小、穿透率较差i 在一个热点地区往往需要布防多个接入点，而热点地 区多为高档休闲区、宾馆、写字楼等，对网络设置要求非常严格。截至今年上半 年，中国电信在全国几大主要城市铺设1 0 0 0 多个热点；中国网通现已在全国2 0 个城市铺设3 0 0 多个w l a n 热点，每个热点有3 0 个覆盖区。 速度和稳定性： c d m a 无线上网最高速率可达1 5 3 6 k b i t s ，稳定状态下的速率可在7 0 8 0 k b 左 右，是普通拨号上网的3 倍以上【1 4 】。g p r s 上网的峰值速率为1 1 5 2 k b i t $ ，但平均 上网速率在2 0 3 0 k b 1 3 】。这是由于c d m a l x 网络与g p r s 网络提供数据业务的方 ，式截然不同，c d m a l x 是通过专用载频和信道，通过p d s n 网络与互联网连接， 与话音路由分道提供，c d m a l x 传输速率依赖无线环境程度不大；但g p r s 的数 据业务与话音业务共用同一信道，如果网络用户数量增加到一定程度，导致频率 资源的问题更加突出，那么每个g p r s 用户可以使用的带宽将进一步的降低。由 长江智能航运系统网络及通信协议的设计与实现 此可见基于c d m a i x 网络的无线上网业务在速度和稳定性等方面明显优于 g p r s 。 w l a n 作为宽带无线接入方式，i e e e 8 0 2 1 l b 高速率“w i f i ”标准具1 1 m b p s 的最大无线数据速度，而有效的w l a n 速度约为5 5 m b p s ，而实际上中国电信的“天 翼通”主要有5 1 2 k 和1 m 的几个档次。 可见，在热点内jw l a n 最具优势，而在广泛的服务范围内，联通的“掌中宽 带”基本得到用户的认可，移动的“随e 行”则得到用户的很多抱怨。 性价比： 中国移动还有“g p r s + m a n 无线数据业务捆绑方案，其初衷希望用户的笔 记本电脑可以在g p r s 和w l a n 网络中自由切换，在w l a n 的环境下实现高速 互联网接入；在w l a n 覆盖不到的地区则可以通过g p r s 上网。但由于目前中国 移动仅在全国近7 0 0 个热点地区提供了网络覆盖，一出w l a n 覆盖，用户往往无 法忍受g p r s 的低速、易掉线，因此用户普遍反映不佳，因此“g p r s + w l a n 的“随 e 行”推广也不尽如人意。另一方面，从价格上讲，c d m a i x 无线上网的大多是 2 0 0 元包月；g p r s 的商务套餐也是2 0 0 元包月，而如果开通了g p r s + w l a n ， 还要外加w l a n 0 2 0 元分钟的收费。中国电信天翼通资费标准根据速率有所区 别，速率为上行5 1 2 k 下行5 1 2 k ，1 5 0 元( 每增加一个a p 每月增加2 0 元网络使用 费) 包月，而上行1 2 8 k 下行5 1 2 k ，4 0 0 元包1 2 0 小时，超过部分按o 1 0 元分钟 计，而更高速率的则价格更贵。由此，从性价比上看，c d m a l x 无线上网卡更加 实惠。 表2 6c d m a l x 、g p r s 、1 l a n 性能对比 t a b 2 6p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f c d m a l x 、g p r s 、w l a n 通信方式网络覆盖速度和稳定性性价比 c d m a l x g p r s g p r s + ，a n 、 ，i ，a n 从对l t d e ( 如表2 6 所示) 不难发现，这三类产品中，c d m a l x 无线上网是使用 最方便、覆盖范围最广、速度相对较快、性价比最高、相对成熟的无线上网方式。 据了解，c d m a l x 上网卡是用户体验最好、反映最好的产品。w l a n 虽然在速度 第2 章长江智能航运系统通信网络组网方案设计 上占先，但热点过少的致命弱点以及价格昂贵等是制约其发展的最大因素。而 g p r s 无线上网速度慢、稳定性差，价格也没有优势，就决定在这三者中必然处于 下风。 通过上述分析，离岸目标均采用通过移动数据通信服务接入因特网的方案， g p r s 和c d m a l x 两种技术均可满足系统无线组网需求，社会船舶可以根据需要 选择自己的通信运营商，推荐使用中国联通的c d m a l x 服务。 2 3 2 2 航标遥测终端及水位遥测终端的无线通信方案 遥测终端无线数据通信的特点是通信的实时性要求不高，且每次传输的数据 量也不大。可供选择的无线通信方式有多种，包括：短波通信、v h f 通信、卫星 通信、基于公众移动通信网的g s m c d m a 通信等【l 5 1 。 其中的卫星通信因其设备价格和通信费用很高，不适用于本工程；短波通信 由于其频率较低+ 、易受干扰、误码率高，同样不适用于本工程。v h f 数据通信质 量较高，数据传输速度也很快，可以较好地满足遥测终端与岸基系统的通信要求。 但由于v h f 信号传输距离短，许多航标的数据不能直接传输到岸基系统，需要配 备具有中继转发能力的v i - i f 设备。这不仅使遥测终端的造价提高，也使本系统 的运行和维护复杂度提高，从而导致系统的可靠性下降。 公共移动通信网具有覆盖面广、不用用户维护网络、业务服务多样等优点， 且随着竞争资费不断下降。公众移动通信网提供的短消息s m s 和移动数据通信服 务( 中国移动的g p r s 和中国联通的c d m a l x ) ，完全可以满足遥测终端的无线 数据通信特点。根据实地调研，中国移动通信的g s m 和中国联通的c d m a 网络 基本都实现了对本工程河段有很好的覆盖，基本不存在盲区。因此技术上可行。 本设计建议以中国移动提供的g p r s 或中国联通提供的c d m a l x 无线数据通 信服务为主，在少部分没有g p r s 和c d m a l x 覆盖或g p r s 和c d m a l x 暂时失 效的情况下采用短信方式作为补充，原因是： ( 1 ) 首先考虑的是性能，这两种数据通信方式具有实时在线、通信速率高的 特点，数据通讯量是短消息无法比拟的，并且是按流量收费。 ( 2 ) 另外考虑了经济性的原则，g p r s 和c d m a l x 服务资费的大幅下调，。 以江苏省g p r s 每月2 0 元的包月5 0 m 数据流量服务，每天可以传送1 6 0 0 k 字节 的数据，每条短信目前规定最多发1 4 0 个字节，我们按照每条短信2 0 0 个字节计 长江智能航运系统网络及通信协议的设计与实现 算，每天g p r s 的通信量理论上等于发8 0 0 0 条短信，c d m a l x 资费类似。以中国 移动的优惠短信资费每3 0 元包月5 0 0 条短信计算，每天才能发1 6 条，不能满足 实际管理需要。因此从费用上考虑，g p r s c d m a l x 要更经济。 ( 3 ) 在数据安全方面，虽然是通过g p r s 或c d m a l x 方式接入公网，但是由 于岸基系统采用了虚拟专用网( v p n ) 的解决方案，可以保证网络和数据的安全。 航标无线通信解决方案参见图2 3 。 g s m c d m a 接收机 v p n 网关 图2 3 航标遥测遥控终端无线通信方案 f i g 2 - 3w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np l a no f a t nt e l e m e t e r i n ga n dt e l