張念華　徐浩　王光峻　宋道建　史元洪

【摘要】 為了提高海上通信的有效快捷，滿足漁業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理，漁業(yè)信息傳遞，以及船岸、船員間的通信需求，開發(fā)短波多媒體通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用，可在不增加設(shè)備投入的情況下，實現(xiàn)海上互聯(lián)互通、漁業(yè)生產(chǎn)管理及安全救助，高質(zhì)量服務(wù)我國現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】? ? 短波多媒體? ? 海上通信? ? 多模通信? ? 漁業(yè)生產(chǎn)管理

引言：

我國是漁業(yè)大國，海洋漁業(yè)水域面積300多萬平方公里，截止2020年底全國共有漁業(yè)船舶56.33萬艘，漁業(yè)人口1720.77萬人。海上環(huán)境的復(fù)雜多變以及漁業(yè)生產(chǎn)的特點，決定了海洋漁業(yè)常年被列入高危行業(yè)。近年來，雖然各級政府對漁業(yè)安全生產(chǎn)非常重視，采取了一系列措施，但海洋漁業(yè)安全形勢仍然十分嚴(yán)峻。海洋漁業(yè)通信是漁船與陸地、漁船間進(jìn)行信息交流的唯一途徑，是漁業(yè)安全管理與組織海難救助的必備手段，是漁業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。有效、快捷的通信是預(yù)防漁業(yè)安全事故發(fā)生、組織海上救援的根本保證，能夠最大限度地減少或避免人員傷亡和經(jīng)濟損失。[1]

一、海洋漁業(yè)通信現(xiàn)狀

海洋漁業(yè)通信包含傳統(tǒng)短波、超短波通信和衛(wèi)星、移動通信等現(xiàn)代通信方式：小動力漁船上大部分都配裝了CDMA定位手機;所有具備安裝條件的漁船，全配備了漁用超短波電臺;遠(yuǎn)洋捕撈漁船，基本上都配備了短波電臺;部分漁船配裝了北斗衛(wèi)星定位通信終端。[2]目前，我國海上通信網(wǎng)已實現(xiàn)初步的傳輸服務(wù)質(zhì)量保證，但與陸上通信相比，現(xiàn)階段海上無線電通信技術(shù)相對滯后，發(fā)展緩慢，無法滿足現(xiàn)代漁業(yè)生產(chǎn)、管理及安全救助的需要。[3-4]現(xiàn)有漁業(yè)通信系統(tǒng)存在以下弊端：1.船員之間無法及時通信，由于不同船舶加裝不同的通信設(shè)備，各設(shè)備之間因頻段不同無法互通，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時無法及時進(jìn)行互相救助;2.無法完成漁業(yè)資源的實時監(jiān)測，漁船出海時無法使用公用網(wǎng)絡(luò)，只能在近海時才能把捕撈信息傳遞到岸上，導(dǎo)致在漁船返航前無法提前安排漁獲的銷售處理;3.船員信息無法實時監(jiān)測，船員遇險后無法實時告警，岸上管理員也無法對船員的真實身份及動態(tài)實時掌握;4.出海的船員無法與岸上家人朋友等通信。[6]

根據(jù)海洋漁業(yè)通信需求，結(jié)合漁業(yè)生產(chǎn)、管理特點，我們開發(fā)了一套短波多媒體通信系統(tǒng)，可結(jié)合海上船舶、岸臺已有通信專用網(wǎng)絡(luò)，在不增加設(shè)備投入的情況下，實現(xiàn)海上互聯(lián)互通、漁業(yè)生產(chǎn)管理及安全救助，高質(zhì)量服務(wù)現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展。

二、系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由岸臺電臺、船臺電臺、多模通信控制器、多模通信客戶端、多媒體客戶端、多模通信服務(wù)器、漁業(yè)資源管理服務(wù)器、船員信息管理服務(wù)器組成。其中，岸臺與船臺之間通過短波鏈路互通;多模通信控制器、多模通信客戶端、多媒體客戶端、多模通信服務(wù)器、漁業(yè)資源管理服務(wù)器、船員信息管理服務(wù)器之間通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)互通;短波電臺、公網(wǎng)信息終端與多模通信控制器直接相連。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖由圖1所示。岸臺多模通信控制器與船臺多模通信控制器均具有按照全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS）的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)功能，預(yù)設(shè)根據(jù)時間段、位置對應(yīng)的頻點信息，并且具有當(dāng)前位置采集功能，根據(jù)位置選擇頻點信息。船臺多模通信控制器可把數(shù)字信號調(diào)制后控制船臺電臺發(fā)給岸臺電臺，岸臺電臺收到信號后發(fā)送給岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器解調(diào)調(diào)制信號后再次獲得數(shù)字信號，從而實現(xiàn)基于短波鏈路的數(shù)字通信方法。當(dāng)船臺電臺要通信時，由船臺多模通信控制器經(jīng)由短波數(shù)字通信鏈路，向通信服務(wù)器獲取空閑通信信道，根據(jù)獲取的空閑信道，控制船臺電臺切換到該空閑信道完成通信。

三、實現(xiàn)方法

本系統(tǒng)的實現(xiàn)，關(guān)鍵在于突破短波的數(shù)字化技術(shù)。短波數(shù)字化技術(shù)主要是基于軟件無線電的思想，以ADC/DAC、CPU、DSP和FPGA為硬件支撐平臺，實現(xiàn)短波電臺的數(shù)字化、軟件化、模塊化。短波數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)徹底顛覆了舊的過分依賴硬件設(shè)備的通信理念，使得人們可以更好地將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于短波通信新技術(shù)和新產(chǎn)品的開發(fā)。這種理念不但大大降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本，更縮短了研發(fā)周期，使得短波通信技術(shù)的研究與應(yīng)用邁上了一個新的臺階。短波數(shù)字化在海上通信領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。對于未安裝DSC設(shè)備的船舶，可以以較低的成本享有DSC的功能;對遠(yuǎn)洋航行的船舶，可以通過短波來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、定位等，相較于衛(wèi)星通信可以大大降低費用。另外，現(xiàn)在的短波通信設(shè)備功能都比較單一，而對于處理能力較強的數(shù)字通信設(shè)備如智能手機等，只要安裝不同的APP就可以實現(xiàn)不同的功能，滿足各種不同的需求，也可以根據(jù)特殊要求進(jìn)行個性化定制，進(jìn)而可以實現(xiàn)短波多媒體。本系統(tǒng)的實現(xiàn)方法如下：

（一）開發(fā)一種短波數(shù)字化軟件模塊，模塊具有以下特點

1.將數(shù)字基帶信號用軟件方式轉(zhuǎn)成音頻頻段的FSK調(diào)制信號，然后借助短波進(jìn)行傳輸。相比于傳統(tǒng)的短波模擬信號傳輸系統(tǒng)，可以將數(shù)字信號中的各種檢錯、糾錯技術(shù)，分集接收技術(shù)運用其中，從而達(dá)到差錯可控的目的。2.該模塊使用時間分集技術(shù)，可以降低接收信號的錯誤率，提高信號傳輸?shù)目煽啃浴?.運用特殊編碼技術(shù)，在傳輸符號中加入校驗比特位，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸符號的自檢測，借助出錯自動請求重發(fā)機制，達(dá)到自糾錯功能。4.該模塊有兩種接收信號自糾錯功能。一種是對連續(xù)接收的多個符號進(jìn)行垂直求和校驗，結(jié)合符號內(nèi)的校驗位，可以定位出錯誤比特的位置，并進(jìn)行自動糾正。另一種是基于時間分集技術(shù)，對兩次接收的同一符號進(jìn)行比對，結(jié)合垂直校驗和，對出錯符號直接舍棄。5.接收算法中采用變換域的方法，如快速傅里葉變換、離散傅里葉變換等對采樣信號進(jìn)行識別，通過分析采樣信號的功率譜密度，來確定發(fā)射端發(fā)送的原始數(shù)字頻帶信號波形，進(jìn)而借助位同步技術(shù)來恢復(fù)出原始二進(jìn)制數(shù)字信號。6.該模塊還可以根據(jù)需要對原始模擬信號進(jìn)行短波數(shù)字傳輸，在接收端經(jīng)過數(shù)字解調(diào)和數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到原始模擬信號。7.能夠根據(jù)需要對各種電臺進(jìn)行兼容，即不同種類的電臺都可以實現(xiàn)短波數(shù)字化通信。8.為保證傳輸?shù)目煽啃裕鞠到y(tǒng)初版設(shè)計的傳輸速率為100bit/s，后期可以根據(jù)技術(shù)成熟度逐漸提高傳輸速率。9.模塊具有通用性，可以基于此來設(shè)計其他短波數(shù)字化應(yīng)用產(chǎn)品。5E8B409B-B4DC-4773-B0B4-2A64C00DC7A5

（二）數(shù)字化模塊內(nèi)部也采用模塊化設(shè)計，主要包括以下幾個子模塊

1.調(diào)制輸入模塊。該模塊作為數(shù)字化模塊的發(fā)射端入口，將輸入的數(shù)字信號或模擬信號轉(zhuǎn)換成能直接控制波形產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號，與此同時，校驗位也在該模塊中產(chǎn)生，加入校驗位的數(shù)字信號隨后發(fā)送給數(shù)字調(diào)制模塊處理。2.數(shù)字調(diào)制模塊。接收來自輸入模塊的數(shù)字基帶信號，以此作為數(shù)字調(diào)制信號，對信號發(fā)生器的音頻波形進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，得到攜帶了數(shù)字信號的波形信號，另外，同步位的產(chǎn)生和分集發(fā)送機制也是由該模塊負(fù)責(zé)。3.調(diào)制輸出模塊。該模塊依照控制器調(diào)度程序發(fā)來的控制信號，將已調(diào)信號按一定規(guī)則發(fā)送給電臺，電臺將信號處理后由天線發(fā)送到空間。4.解調(diào)輸入模塊。該模塊將電臺發(fā)來的波形信號進(jìn)行采樣，得到幅值連續(xù)、時間離散的模擬信號，經(jīng)歸一化處理后得到一系列十進(jìn)制數(shù)據(jù)。利用頻域處理算法，從這些數(shù)據(jù)中提取頻譜特征，然后交由解調(diào)模塊處理。5.解調(diào)模塊。該模塊用特殊的識別算法將解調(diào)輸入模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，得到一系列二進(jìn)制位。根據(jù)差錯校驗規(guī)則，對得到的每一個符號進(jìn)行自檢，對多個符號進(jìn)行垂直校驗，以及對分集接收符號進(jìn)行檢錯與篩選，該模塊還有錯誤請求重發(fā)功能，然后將正確信號發(fā)送給解調(diào)輸出模塊處理。6.解調(diào)輸出模塊。該模塊將解調(diào)出的二進(jìn)制信號去掉檢驗位，提取出真正傳輸?shù)挠杏眯畔?，發(fā)送給上層調(diào)用模塊。7.以上功能實現(xiàn)后，可以根據(jù)需要在無線電管理部門規(guī)定的自由頻段內(nèi)，使用其他調(diào)制頻率。

（三）短波數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計

1.控制器軟件設(shè)計。控制器作為短波數(shù)字通信系統(tǒng)的指揮中心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸控制、對電臺的控制等，能夠協(xié)調(diào)各功能模塊和電臺的收發(fā)過程有序進(jìn)行。2.控制器硬件設(shè)計?？刂破魇且慌_微型電腦，具有一定的處理能力、存儲能力，可以同時處理多個進(jìn)程，并且具有多種標(biāo)準(zhǔn)接口如USB、RS-232、RJ-45，音視頻接口等，能夠支持后續(xù)多種功能的擴展，如外接顯示屏、一鍵通話（PTT）、耳機話筒等。另外，內(nèi)部布線要符合標(biāo)準(zhǔn)，避免信號干擾，模塊之間合理布局，能有效散熱，外形美觀，容易安置，盡量能夠安裝在標(biāo)準(zhǔn)化機架上。3.兼容性設(shè)計。根據(jù)客戶需要，控制器軟件可以添加新型短波電臺，對不同電臺要實現(xiàn)透明化，即實現(xiàn)多種短波電臺無差別化通信。

四、功能介紹

該短波多媒體通信系統(tǒng)主要包括：與船臺多模通信控制器通過局域網(wǎng)連接的短波多媒體終端，與岸臺多模通信控制器通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)連接的多模通信服務(wù)器、漁業(yè)資源管理服務(wù)器、船員信息管理服務(wù)器和多媒體客戶端。短波多媒體終端用于采集漁業(yè)資源信息并向船臺多模通信控制器發(fā)送、錄入船員信息并向船臺多模通信控制器發(fā)送、編輯船員給家人的信息并向船臺多模通信控制器發(fā)送、以及將對其他船員的呼叫請求向船臺多模通信控制器發(fā)送;漁業(yè)資源管理服務(wù)器用于保存漁業(yè)資源信息，并供用戶進(jìn)行信息檢索、調(diào)用;船員信息管理服務(wù)器用于保存和管理船員信息、對船員位置進(jìn)行實時監(jiān)測;多模通信服務(wù)器用于利用公用網(wǎng)絡(luò)建立船員與家人之間的通信鏈路并傳送信息。[6]

（一）漁業(yè)資源采集管理

管理員通過短波多媒體終端采集漁業(yè)資源信息（漁獲物的種類、數(shù)量等）并發(fā)送給船臺多模通信控制器，船臺多模通信控制器控制船臺電臺發(fā)給岸臺電臺，岸臺電臺接收后發(fā)送給岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器將漁業(yè)資源信息解調(diào)后傳送至漁業(yè)資源管理服務(wù)器保存，供用戶統(tǒng)計、檢索。[6]

（二）船員信息管理

船員通過短波多媒體終端，將船員信息發(fā)送給船臺多模通信控制器，船臺多模通信控制器控制船臺電臺將信息發(fā)給岸臺電臺，岸臺電臺接收后發(fā)送給岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器將船員信息解調(diào)后，傳送至船員信息管理服務(wù)器保存并完成船員信息的統(tǒng)計、檢索以及實時監(jiān)測。船員信息的采集具體包括以下步驟：利用短波多媒體終端采集船員的登記信息，包括船員照片以及信息采集的時間、位置等;根據(jù)船員照片生成縮略圖，利用縮略圖以及信息采集的時間和位置，生成上報信息;從登記信息和上報信息中提取出特征信息，以用于驗證信息是否發(fā)生篡改;對特征信息進(jìn)行加密，生成加密特征信息;利用登記信息和加密特征信息組合生成核查信息，并對核查信息賦予唯一的信息ID，保存在短波多媒體終端中;利用上報信息和加密特征信息組合生成記錄信息，上傳至船員信息管理服務(wù)器，進(jìn)行船員登記;記錄信息與核查信息具有相同的信息ID;登陸船員信息管理服務(wù)器查看保存的記錄信息，并在需要查詢某一記錄信息中的縮略圖所對應(yīng)的船員照片時，向短波多媒體終端發(fā)送請求，并向短波多媒體終端發(fā)送該記錄信息的信息ID;短波多媒體終端根據(jù)船員信息管理服務(wù)器發(fā)送的信息ID調(diào)取本地存儲的與之對應(yīng)的核查信息，發(fā)送至船員信息管理服務(wù)器，以對登記船員進(jìn)行核查。[6]

（三）船員與家人通信

船員在需要與家人通信時，通過短波多媒體終端編輯信息，在信息傳輸過程中，首先將信息發(fā)送給船臺多模通信控制器，船臺多模通信控制器判定為船員與家人的通信信息后，控制船臺電臺發(fā)給岸臺電臺，岸臺電臺接收后發(fā)送給岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器將信息解調(diào)后傳送至多模通信服務(wù)器，多模通信服務(wù)器通過公用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給船員家人;船員家人使用公用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息給多模通信控制器，多模通信服務(wù)器將信息發(fā)送至岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器控制岸臺電臺將信息傳送給船臺電臺，船臺電臺接收后將信息發(fā)送給船臺多模通信控制器，船臺多模通信控制器將信息解調(diào)后發(fā)送給船員的短波多媒體終端。[6]

（四）船員與船員的通信

船員通過短波多媒體終端向船臺多模通信控制器發(fā)送呼叫請求，船臺多模通信控制器接收呼叫請求后向目標(biāo)船員發(fā)送，目標(biāo)船員的短波多媒體終端接收到呼叫請求后，向船臺多模通信控制器發(fā)送請求應(yīng)答，船臺多模通信控制器將請求應(yīng)答發(fā)送給船員的短波多媒體終端，完成船員之間的通信。船臺多模通信控制器預(yù)先定義好通信組的成員信息，船員的短波多媒體終端定時向船臺多模通信控制器發(fā)心跳信息，船臺多模通信控制器根據(jù)收到的短波多媒體終端的心跳信息記錄短波多媒體終端的狀態(tài)信息（通信地址、工作狀態(tài)）;船臺多模通信控制器根據(jù)收到的業(yè)務(wù)信息的目標(biāo)信息獲取目標(biāo)的地址信息，如果目標(biāo)是單呼目標(biāo)，獲取單呼目標(biāo)地址，把信息發(fā)給目標(biāo)，如果目標(biāo)為組ID，獲取此組中包含的成員，然后獲取成員的目標(biāo)地址，把成員信息發(fā)給目標(biāo)。[6]

五、結(jié)束語

我國沿海常年受臺風(fēng)、寒潮、濃霧等惡劣天氣影響，對漁業(yè)安全生產(chǎn)極為不利。漁船數(shù)量多、作業(yè)范圍廣、通信裝備落后等現(xiàn)狀，使其風(fēng)險程度亦遠(yuǎn)高于其他行業(yè)，岸船之間的通信不暢始終是漁業(yè)安全生產(chǎn)管理的薄弱環(huán)節(jié)。短波通信因抗摧毀能力強，無需建立中繼站便可傳輸數(shù)萬公里等優(yōu)點，在海上通信中具有不可替代的作用。[5]短波多媒體通信系統(tǒng)的開發(fā)，可將語音、文本、圖像等數(shù)據(jù)通過短波鏈路進(jìn)行實時傳輸，可為出海作業(yè)的漁民提供氣象、漁汛、漁獲物銷售及親情聯(lián)絡(luò)等各種定制化服務(wù)。對船只和船員的實時定位，可以從根本上解決海上災(zāi)害救援、船員精細(xì)化管理等難題，并可對越界捕撈等違法行為進(jìn)行實時監(jiān)管。該系統(tǒng)的應(yīng)用必將在海洋漁業(yè)生產(chǎn)、管理、海上災(zāi)害組織救援等工作中發(fā)揮巨大作用，進(jìn)一步提高我國漁業(yè)現(xiàn)代化水平，使?jié)O業(yè)安全生產(chǎn)及監(jiān)督管理等決策的準(zhǔn)確性、科學(xué)性、時效性得到全面提升。

作者單位：張念華? ? 日照市海洋通訊管理服務(wù)中心

徐浩? ? 青島市海洋管理保障中心

王光峻? ? 宋道建? ? 史元洪? ? 青島恒天翼信息科技有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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