一种基于Mesh通信的全船无线网络系统

技术领域

本发明属于通信系统领域，涉及海上船只无线网络系统，具体是一种基于Mesh通信的全船无线网络系统。

背景技术

船舶检查关系到船只海运安全，但是由于船内的网络信号覆盖差，主要是金属船体屏蔽了机舱内的网络信号，造成无法对机舱内的关键设备，如主机、油水分离器、生活污水处理装置等进行实时检查，检查的及时性和有效性显著降低，存在极大的安全隐患。

海上通信的难点是缺少信号的覆盖，现有的网络系统如港口、海岸周边的公共网络通信系统覆盖率低，造成了网络通信的盲点。以天津海事局部分检查所为例，目前主要使用的海上通信系统为近岸的4G公共通信系统，由于船舱内属于金属密闭空间对无线电的屏蔽能力较强，导致信号覆盖盲区；手机和无线WIFI等常见的网络通信设备无法在这个环境内工作，而机舱又恰巧是PSC检查的重点，因此不解决船舱内的无线通信覆盖是无法解决远程PSC检查的。

Mesh通信技术源自于IEEE工程协会，基于AD HOC技术，是一种分布式的无线网络系统。由节点与节点间的动态链接所形成。这种网络系统是临时形成，它不需要依赖一个既存的网络架构，像是有线系统的路由器，或是无线系统的无线网络基地台。相反的，它每一个节点，都有能力转送网络数据包给其他节点(这称为路由)。Mesh网络是一个相对“稳定拓扑”的网络，除了偶尔出现的节点故障或增加新的节点。流量的路径是由大量的终端用户聚集而成的，不经常变化。实际上，基础设施网状网络中的所有流量都被转发到一个网关或从一个网关转发，而在无线特设网络或客户网状网络中，流量在任意的节点对之间流动。

经过检索，发现以下相近已公开专利技术。

一种基于平原开阔地貌的风电场站无线网络系统(申请号202010282212.9)，属于风电场站无线网络技术领域，其解决的技术问题是：如何构建一种稳定的、全覆盖且适用于平原开阔地貌的风电场站的无线网络系统，其包括至少一个设置在升压站上的Mesh路由器、至少一个设置在风机顶部的Mesh固定节点设备、至少一个搭载Mesh模块的无人机以及至少一个Mesh终端；其中，Mesh路由器、Mesh固定节点设备和无人机互连组成无线骨干网络，无线骨干网络通过Mesh路由器与风电场网络相连，Mesh终端通过Mesh固定节点设备或者无人机接入无线骨干网络。本发明可以实现稳定的无线网络通信。

一种可为海洋船舶上的移动用户提供无线通信支持的移动通信系统(201310016417.2)。该系统由蜂窝移动通信网、海上移动自组织网、和卫星移动通信网通过船上卫星网关、船上蜂窝网关、陆上网关组合而成。该系统为海上移动用户和岸上用户提供了多种通信方法。海上移动用户和岸上用户通过本发明公开的无线网络选择方法可以选择合适无线通信网络来建立通信连接。通过本发明的装置和方法，可以降低通信网络的部署费用和移动用户的通信费用、扩展所支持的移动终端类型、并且可以为海上移动用户提供更丰富的业务。

对比分析，已公开的现有发明申请在应用领域或具体的技术方案均与本申请存在很大不同，解决的技术问题不同，而且其能够产生技术效果也是不同的。本申请方案具备专利法规定的实用性、新颖性及创造性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于Mesh通信的全船无线网络系统，实现全船无线网络通信，提升海事执法信息化程度。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于Mesh通信的全船无线网络系统，其特征在于：包括以MESH通信基础、VSAT传输和第四代/第五代无线通信网络组成的网络基础层；

以无线电跳频管理、SD-WAN链路选择、系统安全认证组成的链路控制层；

以远程PSC作业系统、可视化海上搜救系统、应急链路管理系统组成的应用展示层。

而且，MESH通信基础包括适应性无线电模块以及无线通信模块。

而且，所述适应性无线电模块包括定向天线和全向天线，其中，定向天线在船上部署多个，全向天线倒置安装在吊舱上。

而且，所述无线通信模块采用MESH无线自组网系统。

而且，本系统的具体结构，包括一个控制指挥子系统以及多个Mesh-PCS船端系统，其中，每个Mesh-PCS船端系统均包括操作子系统、Mesh通信子系统，操作子系统、Mesh通信子系统与控制指挥子系统共同组成Mesh搜救指挥系统；Mesh-PCS船端系统还包括支援传输子系统。

而且，所述控制指挥子系统包括视存储模块、交互控制模块以及适应性无线电控制模块。

而且，所述操作子系统包括视频采集模块和交互模块，Mesh通信子系统包括适应性无线电模块和无线通信模块，支援传输子系统包括消杀投递箱以及专网传输模块。

本发明的优点和积极效果是：

1、本系统基于覆盖全船的无线网络，通过测试全船实时远程港口国监督检查，进一步提升船舶安全检查、海上搜寻救助、海事调查等业务在网络环境中的应用可行性，提升海事执法信息化程度。

2、本系统实现全船无线网络通信，实现船内无死角，全船可通信。

3、本系统将视频语音通信，高速网络整合。

4、本系统整合成一套设备，便于维护，且系统适配能力强，具有可靠的使用速度和网络，能够快速部署，快速使用；单兵，搜救船舶都可用，保证应用集中后的工作效率。

附图说明

图1是基于MESH通信的全船无线网络系统框图。

图2是基于Mesh通信的全船无线网络系统结构图。

图3是远程PSC设备部署位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于Mesh通信的全船无线网络系统，以海事信息系统顶层设计为指导，等保数据安全作为安全逻辑进行设计，本系统的网络模型参见附图1所示，

以MESH通信基础、VSAT传输和第四代/第五代无线通信网络为该系统的网络基础层；在网络出口上可以使用4G/5G无线网络或者使用VSAT网络；

以无线电跳频管理、SD-WAN链路选择、系统安全认证为该系统的链路控制层；使用SD-WAN方式组网切换，当客户端承载线路的IP地址发生变化时也不会影响SD-WAN隧道，SD-WAN隧道不会中断，保证通信正常进行；

以远程PSC作业系统、可视化海上搜救系统、应急链路管理系统为该系统的应用展示层。

MESH通信基础包括适应性无线电模块以及无线通信模块；

其中，适应性无线电模块包括定向天线和全向天线，其中，定向追踪天线有卓越的抗风浪伺服跟踪性能，设置有风浪算法、先进的机械结构及灵敏度陀螺仪，可部署多个定向天线的天线节点，内置固定基站数据，ACU内置固定基站数据，轻松切换基站，还可以手动拓展数据库，信号接收能力强。

定向天线参数

全向天线

全向天线非常易于安装。由于具有360度水平辐射图，因此在这个场景中甚至可以将其倒置安装在吊舱上，此外，其形状非常便于将此类天线连接到主机。如果需要从天线覆盖所有水平方向，且具有变化的垂直覆盖度数，便可以使用这种天线。极化是指实际发射射频能量的天线的电磁波振动物理方向。例如，全向天线通常是垂直极化天线。

全向天线参数

无线通信模块采用MESH无线自组网系统，MESH无线自组网系统为无中心同频系统所有节点地位对等，单一频点支持具备TDD双向通信，频率管理简单，频谱利用率高；可支持32个节点，可快速部署、灵活组网；节点在开机上电后即可“秒级”注册组网，保证系统节点在脱网后重新入网时，能够迅速建立通信；网络拓扑结构发生变化至时，系统能快速响应拓扑结构变化，并迅速重新构建路由系统，保障信息畅通；MESH无线自组网如果发生某条最优路径链路剩余带宽不够，可自动选择次优进行信息传输；多小组成员可以苦熬素的拆分或快速合并，建立新的网络拓扑；支持任意网络拓扑结构，如点对多点、链状中继、网状网络及混合网络等。MESH无线自组网系统的峰值数据带宽为80Mbps。节点具备非固定移动传输能力，且快速移动也不影响高数据带宽业务，如语音、数据和视频的业务不会受到系统拓扑结构快速变化以及终端高速运动的制约影响。通过外接滤波器，有效抑制带外谐波干扰，提高信号的抗干扰性及信噪比。同时，采用ARQ(自动重传请求)传输机制，降低数据传输丢失率，提升数据传输可靠性。此外，自带扫频功能，可根据所配中心频点扫频结果，手动配置选取受干扰影响较小频率设置中心频点，实现干扰频率躲避。MESH无线自组网系统抗多径能力强，且支持自动无线中继传输，系统内所有节点支持多跳中继(接力)通信，可适应多种地形和应用场景。MESH无线自组网系统在单个节点设备故障时不影响整个网络的使用。无线MESH网络是一个网状组网结构，因而当网络中某个节点发生故障时，原本经由该节点进行的转发任务将在路由协议的引导下，通过其他节点并选择最佳的传输路径进行中继传输，整个网络仍可自愈正常工作，这极大地提升了无线MESH网络的容灾可靠性，同时具有较好的容错性能。系统通过设置工作频点，载波带宽、扰码(即MESHID)、通信距离及组网模式等“多把锁”的编组加密，可有效防止非法用户入侵网络，只有当上述多项完全吻合一致时，才能确保合法入网；该系统为全自主研发，传输协议为全自定义协议，空口传输采用64bit密钥，可动态生成加扰序列，实现信道加密，确保信息传输的高度安全；此外，系统还支持DES/AES128/AES256(可选配)的信源加密。MESH无线自组网系统采用全IP的设计理念，目前支持各种数据的无差异化透传，易于与其他异构通信系统(如公网、专网、卫通及微波等)互联互通，能够实现多媒体业务实时交互。MESH无线自组网系统支持语音、图像、数据和定位信息(GPS/北斗)的实时传输。所有节点均可与控制终端配合使用，通过配置的MESH自组网终端系统软件实现各种管理调度功能。也可利用MESH自组网终端系统软件配置的移动交互平台与手机终端进行实时业务传输。

本系统通过连通的无线电模块，实现可视化海上搜救系统与远程PSC模块两套应用之间系统复用,具体结构参见附图2所示，

包括一个控制指挥子系统以及多个Mesh-PCS船端系统，本实施例附图所示系统中显示有两个Mesh-PCS船端系统，实际应用中不限制船端系统的数量。所述控制指挥子系统包括视存储模块、交互控制模块以及适应性无线电控制模块。

每个Mesh-PCS船端系统均包括操作子系统、Mesh通信子系统，所述操作子系统、Mesh通信子系统与控制指挥子系统组成Mesh搜救指挥系统；其中，操作子系统包括视频采集模块和交互模块，Mesh通信子系统包括适应性无线电模块和无线通信模块。

Mesh-PCS船端系统还包括支援传输子系统，支援传输子系统包括消杀投递箱以及专网传输模块。

在收集搜救需求上，海上搜救中心和前线指挥部可以通过指挥船将视频和音频信号传回做研判与处置，海上船只之间的通信联系需要依靠Mesh通信作为船与船之间的通信联络保障。Mesh通信可以保障船与船间的动态连接，即船在海上行驶和执行任务只要在通信范围内即可满足通信条件，就可以完成区域内任何点位的通信。

远程PSC要求覆盖全船的网络通信能力，以Mesh无线电射频信号和自有的网络基带,因此对于通信覆盖要求较为严格，下甲板舵机室和底舱由于水密门的密封性导致无线点信号收信号屏蔽影响，因此实现重点区域使用穿透力较好的Mesh通信设备，其他部分采用通用设备即可完成全船的网络覆盖。

测试过程：

远程PSC要求覆盖全船的网络通信能力，以Mesh无线电射频信号和自有的网络基带，下甲板舵机室和底舱由于水密门的密封性导致无线点信号收信号屏蔽影响，此实现重点区域使用穿透力较好的Mesh通信设备，其他部分采用通用设备即可完成全船的网络覆盖。

根据系统设计，本次使用多个Mesh模块进行串型连接配合小型天线，并对系统连接到视频模块作为视频源，以4G路由模块作为外部传输节点进行测试。设计Mesh模块部署在附图中，4G路由模块部署在舱外保障数据连接，记录并测试所有节点能力。

根据系统设计，本次使用多个Mesh模块进行星状网连接配合全向天线，并对系统连接到视频压缩模块作为视频源，每条船部署一套系统。

测试结果:

·远程PSC作业测试

根据测试要求，基于Mesh网络的全船无线通信系统可以实现远程PSC作业的要求，可以实现全程高清视频通话，并对远程PSC进行全程录像，网络稳定，实现系统设计要求。

·搜救视频传输

根据测试要求，基于Mesh网络的全船无线通信系统可以实现搜救视频传输功能要求，可以实现全程高清搜救视频传输，可以实现点对点和点到多点的通信传输，星状网可以实现交叉备份功能，即使其中一个节点出现问题也可以实现网络传输。

通过搜救视频传输测试，实现了测试目标，通过对通信能力和现场视频、音频的信号的整合，实现对应急搜救的效果实现。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。