海上無線IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用研究

張亮 文捷

摘 要：目前海上通信系統(tǒng)主要依靠VHF通信系統(tǒng)、SSB通信系統(tǒng)和海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)來完成對語音以及數(shù)據(jù)的傳輸，但是各個系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在一定的局限性和問題，本課題通過利用現(xiàn)有岸基設(shè)施開展無線IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究，并搭建了一套測試系統(tǒng)進(jìn)行理論驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：海上通信；數(shù)據(jù)傳輸；無線IP；岸基基站

中圖分類號：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）08-0043-03

目前海上通信系統(tǒng)主要依靠VHF通信系統(tǒng)、SSB通信系統(tǒng)和海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)來完成對語音以及數(shù)據(jù)的傳輸，但隨著船舶數(shù)量的增多以及海上交通量的繁忙，致使海上的頻帶資源緊張，并且隨著人們對海上移動通信業(yè)務(wù)的需求越來越高，這些系統(tǒng)都明顯地暴露出自己局限性和問題。

中國沿海幅員遼闊，島嶼眾多、地形復(fù)雜，航線錯綜復(fù)雜，出?？诒姸?，船舶流量大，海事系統(tǒng)在沿海相對制高點(diǎn)有比較豐富的岸基資源，并在岸基的綜合利用方面具備一定的優(yōu)勢。如VTS雷達(dá)站塔，高度通常在45米及以上；VHF基站通信鐵塔，高度通常在65米及以上；具備用電及安裝位置等條件。

為了加強(qiáng)海事現(xiàn)場執(zhí)法監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)海事指揮中心與現(xiàn)場巡航船舶之間的信息交換，延伸海事監(jiān)管的范圍，針對船舶的移動特性，利用現(xiàn)有岸基設(shè)施開展無線IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究，為現(xiàn)場執(zhí)法提供支持是一個可行的研究方向。

1 目前海上數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀

現(xiàn)階段海上移動通信主要依靠海事衛(wèi)星通信、短波通信及VHF通信。隨著2008年海事衛(wèi)星第四代星完成了全球覆蓋調(diào)整，目前己經(jīng)實(shí)現(xiàn)寬帶全球覆蓋。但是海事衛(wèi)星通信的使用費(fèi)用比較高，一臺海事衛(wèi)星電話的價格大概是3萬到6萬元一部，除此之外，使用者還需支付一筆不菲的流量費(fèi)用。盡管隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步衛(wèi)星通信系統(tǒng)的價格會進(jìn)一步下降，但是可以說在未來很長的一段時間內(nèi)，數(shù)量眾多的中小型船舶廣泛使用海事衛(wèi)星用于日常航行的可能性很小。

短波通信是利用電離層實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的通信方式，由于天波傳輸距離比較遠(yuǎn)，所以一直在海上通信中占據(jù)著重要地位。目前廣泛研究和應(yīng)用的短波數(shù)字系統(tǒng)及設(shè)備一般是采用信道帶寬在300～3000Hz話帶范圍的“窄帶”系統(tǒng)。在變衰落信道的影響下，即便使用自適應(yīng)技術(shù)改善短波數(shù)據(jù)傳輸性能，在實(shí)際中的數(shù)據(jù)傳輸速率一般也只能達(dá)到2.4kbps，最高達(dá)4.8bps。

VHF通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于近海以及內(nèi)河航運(yùn)中，是船舶遇險和安全通信體系的重要組成之一，是水上搜救、通航給管理不可缺少的通信手段，也是國際上專用于沿海近岸水域的船岸通信手段?，F(xiàn)有的VHF通信系統(tǒng)主要提供話音通信業(yè)務(wù)（語音信號采用模擬調(diào)制，占用帶寬較大）或低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，隨著航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)量傳輸業(yè)務(wù)需求不斷增大，VHF信道的容量日趨擁擠，信道間隔越來越小。

因此，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對海上通信的需求以及質(zhì)量的要求越來越高，為了使船舶與岸臺之間的通信能夠適應(yīng)現(xiàn)代化港口和航運(yùn)企業(yè)的需要，克服通信容量小、語音質(zhì)量差、安全性低以及費(fèi)用昂貴等缺點(diǎn)，必然要求建立一種新的海上移動通信系統(tǒng)，來提高通信容量、語音質(zhì)量以及安全性并能夠有效的降低通信成本。

2 海上無線IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建

針對海上數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀，通過引入一套基于IP的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基站設(shè)備、船臺設(shè)備和管理中心三部分組成；基站設(shè)備可在高濕度、高鹽度、大風(fēng)、雨霧、顛簸、寬溫變化等惡劣環(huán)境條件下做到全天候、免維護(hù)、無人值守的連續(xù)可靠工作。管理中心可以對基站設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)端軟件加載、遠(yuǎn)端設(shè)備升級，從而實(shí)現(xiàn)對大量基站設(shè)備的集中監(jiān)控、管理。整個系統(tǒng)采用軍用化設(shè)計，執(zhí)行最嚴(yán)苛的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，滿足軍用要求，具有很高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)建方案

經(jīng)過多年建設(shè)，海事系統(tǒng)已有十分健全的硬件設(shè)施及有線通信網(wǎng)絡(luò)，在沿海相對制高點(diǎn)有比較有比較豐富的岸基資源，如VTS雷達(dá)站塔，高度通常在45米及以上；VHF基站通信鐵塔，高度通常在65米及以上，且都具備用電及安裝位置等條件。這些現(xiàn)有設(shè)施為船岸通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)條件。

海上無線IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸測試系統(tǒng)依托現(xiàn)有海事有線傳輸系統(tǒng)和沿岸站塔資源，在沿岸站塔架設(shè)基站設(shè)備，以覆蓋沿岸20海里范圍內(nèi)執(zhí)法海域。測試系統(tǒng)由管理中心、三個岸站、一個船站（機(jī)動站）組成。測試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2.1.1 岸基基站設(shè)備

岸基基站設(shè)備具有很好的環(huán)境適應(yīng)性及很高的可靠性，可在高濕度、高鹽度、大風(fēng)、雨霧、寬溫變化等惡劣環(huán)境條件下做到全天候、免維護(hù)、無人值守的連續(xù)可靠工作。設(shè)備工作頻段為566～592MHz，并且可根據(jù)需要，對頻段進(jìn)行專業(yè)化定制；該系統(tǒng)主要有如下功能優(yōu)勢：

（1）具有良好的傳輸性能，通信覆蓋能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)20海里以上的通信覆蓋，并具備一定的超視距能力；

（2）采用高階調(diào)制、自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)，以5MHz的帶寬，可依據(jù)信道條件實(shí)現(xiàn)2～10Mbps自適應(yīng)速率傳輸，既保證傳輸質(zhì)量，又最大限度利用頻譜資源；

（3）具有良好的抗多徑能力，采用OFDM、交叉極化分集等技術(shù)措施，可以實(shí)現(xiàn)在各種復(fù)雜地形條件下的可靠通信，保證海上及近海航道等多徑條件下的可靠通信；

（4）系統(tǒng)采用IP架構(gòu)，可接入現(xiàn)有地面有線網(wǎng)絡(luò)，通過原地面有線網(wǎng)絡(luò)提供安全保障，包括防火墻、MAC 地址捆綁、訪問授權(quán)等一系列措施。此外，系統(tǒng)還預(yù)留有加密端口，可通過專用加密算法對對數(shù)據(jù)流在調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)流時進(jìn)行信源加密，且設(shè)備密鑰可獨(dú)立設(shè)置；

（5）采用TDD雙工體制，可對上下行時隙進(jìn)行靈活配置，實(shí)現(xiàn)可控的非對稱業(yè)務(wù)傳輸，與FDD雙工體制相比，具有頻譜資源規(guī)劃簡單、上下行業(yè)務(wù)資源分配靈活的特點(diǎn)；

（6）采用OFDMA多址方式，單基站可支持200個注冊用戶，并支持60個并發(fā)用戶，與TDMA、FDMA、CDMA雙工方式相比，具有頻譜利用率高、資源分配靈活，抗多徑能力強(qiáng)、克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的特點(diǎn)；

（7）支持管理中心，可通過中心機(jī)房對基站及終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理維護(hù)；可通過遠(yuǎn)程加載進(jìn)行對系統(tǒng)進(jìn)行升級；

（8）提供完善的配置管理和系統(tǒng)維護(hù)，并提供告警、在線診斷等功能；

（9）滿足IP65標(biāo)準(zhǔn)，全密封設(shè)計，具有良好的防水、防潮、防鹽霧等環(huán)境適應(yīng)性；

（10）全I(xiàn)P架構(gòu)，可方便的接入各種用戶專網(wǎng)；

（11）采用全自主知識產(chǎn)權(quán)軍事通信技術(shù)，滿足軍民兩用要求，技術(shù)安全性好，設(shè)備可靠性高，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性；

（12）具有完備的集群調(diào)度功能，可實(shí)現(xiàn)通呼、組呼、單呼。

2.1.2 船站終端設(shè)備

船站終端設(shè)備具有多種設(shè)備形態(tài)，如手持終端、2W功率站型、10W功率站型等。手持終端具備語音通話和視頻攝錄功能，靈活方便，可連接掃碼器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，易于攜帶使用，特別適合在沿岸站附近碼頭等巡視執(zhí)法用。但其設(shè)備通信能力較弱，在距基站較遠(yuǎn)時（10海里），僅能保證話音通信。2W終端價格低廉，可滿足20海里范圍內(nèi)的語音調(diào)度功能。10W功率站型，其可支持高清攝像頭，多路IP話機(jī)，并可進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，適用于海上執(zhí)法。

2.1.3 管理中心

管理中心布設(shè)的設(shè)備包括匯聚交換機(jī)、管理服務(wù)器、業(yè)務(wù)服務(wù)器、存儲單元及切換路由器。管理服務(wù)器可進(jìn)行遠(yuǎn)近端軟件加載、基站對象屬性配置管理、設(shè)備管理和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等操作，主要負(fù)責(zé)以下各個基站設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)：近端維護(hù)：提供人機(jī)接口（MMI，Man Machine Interface），可利用近端維護(hù)臺對基站各對象進(jìn)行維護(hù)、監(jiān)控和管理；遠(yuǎn)端維護(hù)：在系統(tǒng)內(nèi)組成操作維護(hù)網(wǎng)，用戶在權(quán)限許可下，可利用遠(yuǎn)端操作維護(hù)臺，通過網(wǎng)內(nèi)任一工作站對系統(tǒng)內(nèi)的基站進(jìn)行遠(yuǎn)端操作維護(hù)。提供EMS管理工具；系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控：提供系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)指示和資源狀態(tài)指示；提供基站內(nèi)各模塊溫度的查詢功能；安全管理：提供用戶登錄鑒權(quán)、命令權(quán)限限制、危險操作提示、用戶群管理等安全管理功能；站點(diǎn)監(jiān)控：為機(jī)房監(jiān)控設(shè)備提供數(shù)據(jù)采集通道和傳輸通道，方便基站無人值守和集中監(jiān)控；測試：提供功能自測、環(huán)回測試；升級：自動檢查系統(tǒng)是否符合升級條件，可通過遠(yuǎn)程加載進(jìn)行系統(tǒng)升級，升級過程可逆，升級不成功可快速恢復(fù)原有系統(tǒng)。

業(yè)務(wù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對船站終端音視頻業(yè)務(wù)的請求、接受、分發(fā)，業(yè)務(wù)服務(wù)器僅接受本域管理服務(wù)器的管轄，在管理服務(wù)器的控制下為用戶或其他域提供服務(wù)。存儲單元可將船站上傳的視頻數(shù)據(jù)，以及話音通話數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并對系統(tǒng)內(nèi)全部的存儲介質(zhì)進(jìn)行管理，包括前端的DVR本地硬盤、NAS，IP-SAN；對存儲管理模塊進(jìn)行管理，為要錄像的視頻通道分配空間。切換路由器為基站間切換、及不同基站間業(yè)務(wù)通信提供路由。

2.2 系統(tǒng)測試驗(yàn)證

2.2.1 測試地點(diǎn)

整個測試系統(tǒng)由一個管理中心、三個岸站、一個船站（機(jī)動站）組成。三個岸站分別架設(shè)與游山、大榭、峙頭雷達(dá)站。測試區(qū)域如圖2所示。三個岸站站點(diǎn)位置、架高及船站天線架設(shè)條件如表1所示。

2.2.2 測試結(jié)果

通過搭建測試系統(tǒng)，開展海上無限IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)測試，結(jié)果如下：

（1）極限通信能力測試。傳輸距離15km以上時，雙向吞吐量超過3Mbps，傳輸距離30km時，雙向吞吐量超過2Mbps；在本次測試條件下（岸站架高48米，船站架高5米，視距距離32.72公里）極限通信距離達(dá)到46.8公里，此時仍具備語音通信能力，在距離為41.6公里時，具備圖像通信能力；整個過程中只要能夠接入，32字節(jié)小包丟包率均不超過5%，在35km以下時，2000字節(jié)大包丟包率也不超過5%。

（2）基站間切換功能測試。船站在基站間能夠自由切換；基站間切換時間為70ms；切換時圖像、語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)均為無感，無損傷；測試過程中，從港口出發(fā)到極限距離，實(shí)現(xiàn)了無盲區(qū)全程覆蓋通信。測試過程中圖像清晰流暢，語音清晰，數(shù)據(jù)傳輸正常。

3 總結(jié)

在通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們對海上通信的需求以及質(zhì)量要求越來越高，在選擇通信設(shè)備和通信方式時，除了要考慮通信設(shè)備費(fèi)用和通信資源外，對于其通信效果，有了更高的要求。為了使船舶與岸臺之間的通信能夠適應(yīng)現(xiàn)代化港口和航運(yùn)企業(yè)的需要，根據(jù)海事系統(tǒng)的通信系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀，構(gòu)建了一套基于IP的海上移動通信測試系統(tǒng)，通過測試驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離視頻、語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。

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