海上無線IP網絡數據傳輸系統應用研究

張亮 文捷

摘 要：目前海上通信系統主要依靠VHF通信系統、SSB通信系統和海事衛星通信系統來完成對語音以及數據的傳輸，但是各個系統在應用過程中存在一定的局限性和問題，本課題通過利用現有岸基設施開展無線IP網絡數據傳輸系統研究，并搭建了一套測試系統進行理論驗證。

關鍵詞：海上通信；數據傳輸；無線IP；岸基基站

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

目前海上通信系統主要依靠VHF通信系統、SSB通信系統和海事衛星通信系統來完成對語音以及數據的傳輸，但隨著船舶數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務的需求越來越高，這些系統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、地形復雜，航線錯綜復雜，出海口眾多，船舶流量大，海事系統在沿海相對制高點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勢。如VTS雷達站塔，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。

為了加強海事現場執法監管，實現海事指揮中心與現場巡航船舶之間的信息交換，延伸海事監管的范圍，針對船舶的移動特性，利用現有岸基設施開展無線IP網絡數據傳輸系統研究，為現場執法提供支持是一個可行的研究方向。

1 目前海上數據傳輸現狀

現階段海上移動通信主要依靠海事衛星通信、短波通信及VHF通信。隨著2008年海事衛星第四代星完成了全球覆蓋調整，目前己經實現寬帶全球覆蓋。但是海事衛星通信的使用費用比較高，一臺海事衛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用。盡管隨著技術的不斷進步衛星通信系統的價格會進一步下降，但是可以說在未來很長的一段時間內，數量眾多的中小型船舶廣泛使用海事衛星用于日常航行的可能性很小。

短波通信是利用電離層實現中遠距離的通信方式，由于天波傳輸距離比較遠，所以一直在海上通信中占據著重要地位。目前廣泛研究和應用的短波數字系統及設備一般是采用信道帶寬在300～3000Hz話帶范圍的“窄帶”系統。在變衰落信道的影響下，即便使用自適應技術改善短波數據傳輸性能，在實際中的數據傳輸速率一般也只能達到2.4kbps，最高達4.8bps。

VHF通信系統主要應用于近海以及內河航運中，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。現有的VHF通信系統主要提供話音通信業務（語音信號采用模擬調制，占用帶寬較大）或低速數據業務，隨著航運事業的發展，大數據量傳輸業務需求不斷增大，VHF信道的容量日趨擁擠，信道間隔越來越小。

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

2 海上無線IP網絡數據傳輸系統的構建

針對海上數據傳輸現狀，通過引入一套基于IP的網絡數據傳輸系統，該系統由基站設備、船臺設備和管理中心三部分組成；基站設備可在高濕度、高鹽度、大風、雨霧、顛簸、寬溫變化等惡劣環境條件下做到全天候、免維護、無人值守的連續可靠工作。管理中心可以對基站設備進行狀態監控、遠端軟件加載、遠端設備升級，從而實現對大量基站設備的集中監控、管理。整個系統采用軍用化設計，執行最嚴苛的質量標準體系，滿足軍用要求，具有很高的可靠性和環境適應性。

2.1 系統構建方案

經過多年建設，海事系統已有十分健全的硬件設施及有線通信網絡，在沿海相對制高點有比較有比較豐富的岸基資源，如VTS雷達站塔，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。這些現有設施為船岸通信網絡的建設提供了良好的基礎條件。

海上無線IP網絡數據傳輸測試系統依托現有海事有線傳輸系統和沿岸站塔資源，在沿岸站塔架設基站設備，以覆蓋沿岸20海里范圍內執法海域。測試系統由管理中心、三個岸站、一個船站（機動站）組成。測試系統組成框圖如圖1所示。

2.1.1 岸基基站設備

岸基基站設備具有很好的環境適應性及很高的可靠性，可在高濕度、高鹽度、大風、雨霧、寬溫變化等惡劣環境條件下做到全天候、免維護、無人值守的連續可靠工作。設備工作頻段為566～592MHz，并且可根據需要，對頻段進行專業化定制；該系統主要有如下功能優勢：

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

（2）采用高階調制、自適應調制編碼技術，以5MHz的帶寬，可依據信道條件實現2～10Mbps自適應速率傳輸，既保證傳輸質量，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措施，可以實現在各種復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）系統采用IP架構，可接入現有地面有線網絡，通過原地面有線網絡提供安全保障，包括防火墻、MAC 地址捆綁、訪問授權等一系列措施。此外，系統還預留有加密端口，可通過專用加密算法對對數據流在調制和解調數據流時進行信源加密，且設備密鑰可獨立設置；

（5）采用TDD雙工體制，可對上下行時隙進行靈活配置，實現可控的非對稱業務傳輸，與FDD雙工體制相比，具有頻譜資源規劃簡單、上下行業務資源分配靈活的特點；

（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、克服遠近效應的特點；

（7）支持管理中心，可通過中心機房對基站及終端設備進行遠程管理維護；可通過遠程加載進行對系統進行升級；

（8）提供完善的配置管理和系統維護，并提供告警、在線診斷等功能；

（9）滿足IP65標準，全密封設計，具有良好的防水、防潮、防鹽霧等環境適應性；

（10）全IP架構，可方便的接入各種用戶專網；

（11）采用全自主知識產權軍事通信技術，滿足軍民兩用要求，技術安全性好，設備可靠性高，具有良好的環境適應性和電磁兼容性；

（12）具有完備的集群調度功能，可實現通呼、組呼、單呼。

2.1.2 船站終端設備

船站終端設備具有多種設備形態，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，可連接掃碼器等數據采集設備，易于攜帶使用，特別適合在沿岸站附近碼頭等巡視執法用。但其設備通信能力較弱，在距基站較遠時（10海里），僅能保證話音通信。2W終端價格低廉，可滿足20海里范圍內的語音調度功能。10W功率站型，其可支持高清攝像頭，多路IP話機，并可進行遠距離數據傳輸，適用于海上執法。

2.1.3 管理中心

管理中心布設的設備包括匯聚交換機、管理服務器、業務服務器、存儲單元及切換路由器。管理服務器可進行遠近端軟件加載、基站對象屬性配置管理、設備管理和系統狀態監控等操作，主要負責以下各個基站設備的網絡管理和維護：近端維護：提供人機接口（MMI，Man Machine Interface），可利用近端維護臺對基站各對象進行維護、監控和管理；遠端維護：在系統內組成操作維護網，用戶在權限許可下，可利用遠端操作維護臺，通過網內任一工作站對系統內的基站進行遠端操作維護。提供EMS管理工具；系統狀態監控：提供系統運行指標指示和資源狀態指示；提供基站內各模塊溫度的查詢功能；安全管理：提供用戶登錄鑒權、命令權限限制、危險操作提示、用戶群管理等安全管理功能；站點監控：為機房監控設備提供數據采集通道和傳輸通道，方便基站無人值守和集中監控；測試：提供功能自測、環回測試；升級：自動檢查系統是否符合升級條件，可通過遠程加載進行系統升級，升級過程可逆，升級不成功可快速恢復原有系統。

業務服務器實現對船站終端音視頻業務的請求、接受、分發，業務服務器僅接受本域管理服務器的管轄，在管理服務器的控制下為用戶或其他域提供服務。存儲單元可將船站上傳的視頻數據，以及話音通話數據進行存儲，并對系統內全部的存儲介質進行管理，包括前端的DVR本地硬盤、NAS，IP-SAN；對存儲管理模塊進行管理，為要錄像的視頻通道分配空間。切換路由器為基站間切換、及不同基站間業務通信提供路由。

2.2 系統測試驗證

2.2.1 測試地點

整個測試系統由一個管理中心、三個岸站、一個船站（機動站）組成。三個岸站分別架設與游山、大榭、峙頭雷達站。測試區域如圖2所示。三個岸站站點位置、架高及船站天線架設條件如表1所示。

2.2.2 測試結果

通過搭建測試系統，開展海上無限IP網絡數據傳輸系統的系統測試，結果如下：

（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字節小包丟包率均不超過5%，在35km以下時，2000字節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、數據業務均為無感，無損傷；測試過程中，從港口出發到極限距離，實現了無盲區全程覆蓋通信。測試過程中圖像清晰流暢，語音清晰，數據傳輸正常。

3 總結

在通信技術飛速發展的今天，人們對海上通信的需求以及質量要求越來越高，在選擇通信設備和通信方式時，除了要考慮通信設備費用和通信資源外，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現代化港口和航運企業的需要，根據海事系統的通信系統建設現狀，構建了一套基于IP的海上移動通信測試系統，通過測試驗證表明，該系統能夠實現遠距離視頻、語音、數據業務傳輸。

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