海上發(fā)射船船間信息傳輸方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

田兆平，趙乾宏，劉明波，滕曉云

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部技術(shù)部，江蘇 江陰 214431）

0 引言

首次海上發(fā)射中，中心船通過(guò)保障船完成與發(fā)射平臺(tái)間數(shù)據(jù)、圖像、話音等信息的傳輸，需要重點(diǎn)對(duì)中心船與保障船間的信息傳輸方式進(jìn)行分析研究，確保方案設(shè)計(jì)合理、設(shè)備工作穩(wěn)定。

1 方案設(shè)計(jì)

通過(guò)前期論證，海上發(fā)射中，中心船與保障船之間通過(guò)第一路由擬通過(guò)微波無(wú)線方式開(kāi)通雙向傳輸電路，需滿足海上動(dòng)平臺(tái)條件下傳輸帶寬不低于10 Mb/s、傳輸距離不低于10 km 的要求；第二路由通過(guò)衛(wèi)星通信開(kāi)通雙向傳輸電路，傳輸帶寬要求不低于1 Mb/s。信息傳輸示意如圖1 所示。由于衛(wèi)星通信已在船舶通信中成熟應(yīng)用，因此本文重點(diǎn)研究船船間第一路由信息傳輸方法。

圖1 船船間信息傳輸

1.1 信息傳輸需求分析

海上發(fā)射中，船船間的信息傳輸具有以下特點(diǎn)。

（1）通信雙方均處于距離海岸較遠(yuǎn)的海上環(huán)境，海況復(fù)雜，風(fēng)浪較大，天氣變幻難測(cè)，且海上環(huán)境鹽霧、濕度大。這些環(huán)境特點(diǎn)對(duì)船載的設(shè)備提出了以下要求：①設(shè)備小型化，采用機(jī)動(dòng)無(wú)線通信方式；②耐高溫、高濕、高鹽霧等環(huán)境腐蝕。

（2）通信技術(shù)指標(biāo)要滿足使用要求。船船間傳輸?shù)男畔⒅饕懈咔逡曨l、語(yǔ)音以及各類網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，帶寬需求較大；考慮到海上發(fā)射實(shí)際要求，船船間的通信距離要能夠滿足實(shí)際需求。

1.2 無(wú)線傳輸手段比較分析

海上動(dòng)態(tài)條件下，船船間信息傳輸必須采用機(jī)動(dòng)無(wú)線通信方式。當(dāng)前，無(wú)線通信互聯(lián)手段主要有衛(wèi)星通信、散射通信、中/短波以及超短波通信、激光通信和寬帶無(wú)線通信等多種技術(shù)。海上各類信息傳輸方式特點(diǎn)比對(duì)如表1 所示。

表1 海上信息傳輸方式對(duì)照表

衛(wèi)星通信具有全天候、高帶寬、覆蓋廣以及距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，通信雙方需要借助衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，利用分布在全球范圍內(nèi)的多顆通信衛(wèi)星組建的天基信息網(wǎng)構(gòu)建信息通信網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍的高速實(shí)時(shí)通信，但是通信帶寬受星上資源、發(fā)射功率等多種因素限制[1]。散射通信具有全天候、覆蓋廣、通頻帶寬、抗毀性好、保密性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠以及便于機(jī)動(dòng)架設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線通信中具有廣泛應(yīng)用。但是，由于散射通信的設(shè)備量、設(shè)備體積和功耗等均較大，不適合在船載平臺(tái)上使用。中/短波以及超短波通信具有較好的通信距離，是不受網(wǎng)絡(luò)樞紐和有源中繼體制制約的遠(yuǎn)程通信手段，是海上應(yīng)用條件下可靠的通信手段之一。然而，這種通信方式傳輸速率較低，難以滿足信息高速實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆９馔ㄐ啪哂袀鬏斔俾矢摺⒖菇孬@、抗偵聽(tīng)以及抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，可以滿足常規(guī)通信條件下的保密、高速通信需求。但是，光通信存在通視要求、受大氣影響嚴(yán)重以及動(dòng)平臺(tái)條件下對(duì)捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng)要求高等缺點(diǎn)。寬帶無(wú)線移動(dòng)通信具有頻譜利用率高、抗信道衰弱能力強(qiáng)、傳輸速率高、保密性好、支持多業(yè)務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)管理靈活有效等優(yōu)點(diǎn)[2]。

綜合比較分析海上發(fā)射信息傳輸需求和各類信息傳輸方式特點(diǎn)，擬采用適合船載的激光通信或?qū)拵o(wú)線通信作為船船間第一路由信息傳輸手段。

1.3 設(shè)備選型

1.3.1 寬帶無(wú)線通信

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，某研究所生產(chǎn)的寬帶無(wú)線通信設(shè)備可以滿足實(shí)際使用要求。該設(shè)備依照TD-LTE 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完全自主研制生產(chǎn)4G 無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)。設(shè)備組成原理如圖2 所示。

圖2 寬帶無(wú)線通信設(shè)備組成原理

該基站內(nèi)部高度集成射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）、基帶單元（Band width Based Unit，BBU）、核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）和B-TrunC集群業(yè)務(wù)服務(wù)器等功能網(wǎng)元[3]。設(shè)備可以提供音視頻單呼、組呼以及通信調(diào)度等LTE 數(shù)字集群業(yè)務(wù)，支持基于北斗/GPS 的雙模GIS 定位、寬帶IP 數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)。該設(shè)備工作的頻段范圍為608～678 MHz，支持海洋環(huán)境下10 km 范圍內(nèi)傳輸雙向10 Mb/s 的數(shù)據(jù)。

1.3.2 激光通信

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，某研究所生產(chǎn)的船載無(wú)線激光通信設(shè)備可以滿足實(shí)際使用要求。該船載無(wú)線激光通信設(shè)備是以船舶作為平臺(tái)、以激光作為信息載體、以大氣作為傳輸媒介的大容量、抗干擾、安全保密、遠(yuǎn)距離通信設(shè)備。該系統(tǒng)在復(fù)雜的船載環(huán)境下能實(shí)現(xiàn)快速全自動(dòng)化對(duì)準(zhǔn)、掃描、捕獲以及建立鏈路，實(shí)現(xiàn)兩船間通信。主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

船載無(wú)線光通信設(shè)備主要由光學(xué)天線單元、通信單元、伺服穩(wěn)定單元以及掃描捕獲跟蹤單元等部分組成，設(shè)備組成如圖3 所示。

光學(xué)天線單元主要完成信號(hào)光和信標(biāo)光的發(fā)射與接收。通信單元主要完成用戶電信號(hào)與激光信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換、激光信號(hào)的放大、微弱激光信號(hào)的高靈敏度接收以及信道糾錯(cuò)編碼等功能。伺服穩(wěn)定單元主要提供船載平臺(tái)姿態(tài)參數(shù)，并將信息傳給伺服穩(wěn)定單元。通過(guò)該信息，無(wú)線光設(shè)備可以完成初始對(duì)準(zhǔn)和保持運(yùn)行過(guò)程慣性穩(wěn)定。伺服穩(wěn)定跟蹤單元完成兩端設(shè)備的掃描、捕獲、對(duì)準(zhǔn)及穩(wěn)定、跟蹤功能。在開(kāi)通階段，兩端設(shè)備啟動(dòng)掃描、捕獲功能，快速尋到對(duì)端設(shè)備并確保兩端光學(xué)天線的收、發(fā)光路精確對(duì)準(zhǔn)，建立無(wú)線激光通信鏈路；在通信鏈路建立后，為保證良好的通信質(zhì)量，兩端光學(xué)天線必須保證一定的對(duì)準(zhǔn)精度。但是，由于設(shè)備搭載平臺(tái)的姿態(tài)變動(dòng)或者一些外界擾動(dòng)因素的影響，精確對(duì)準(zhǔn)往往難以維持。伺服穩(wěn)定單元的粗、精兩級(jí)跟蹤機(jī)構(gòu)能夠很好地克服搭載平臺(tái)的姿態(tài)變動(dòng)或者一些外界擾動(dòng)因素引起的對(duì)準(zhǔn)偏差，保證通信鏈路穩(wěn)定，維持良好的通信質(zhì)量。

表2 船載無(wú)線激光通信設(shè)備主要技術(shù)性能指標(biāo)

圖3 船載無(wú)線光通信設(shè)備組成原理

2 測(cè)試驗(yàn)證

2.1 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

寬帶無(wú)線通信和激光通信作為首次在中心船與保障船之間使用的船載無(wú)線通信設(shè)備，為確認(rèn)兩種通信手段的海上信息傳輸性能，采用“一船固定、一船自轉(zhuǎn)”的方法開(kāi)展動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。測(cè)試初始條件為兩船相距約7 km，中心船在保障船正西方向。

根據(jù)兩船寬帶無(wú)線通信設(shè)備和激光通信設(shè)備安裝位置和通視范圍，可以得出理論遮擋情況見(jiàn)表3。

主要進(jìn)行3 種方式的轉(zhuǎn)向測(cè)試，兩船位置和轉(zhuǎn)向測(cè)試示意如圖4 所示，測(cè)試結(jié)果匯總見(jiàn)表4。

表3 船載寬帶無(wú)線通信設(shè)備和激光通信設(shè)備安裝位置和理論遮擋基本情況

圖4 海上轉(zhuǎn)向測(cè)試

表4 船載寬帶無(wú)線通信設(shè)備和激光通信設(shè)備實(shí)際動(dòng)態(tài)性能測(cè)試表

2.2 測(cè)試結(jié)論

（1）寬帶無(wú)線通信設(shè)備：360°無(wú)遮擋，通信頻率易受干擾影響傳輸性能，在寬帶無(wú)線通信設(shè)備工作頻段608～678 MHz 內(nèi)，工作海域監(jiān)測(cè)到的干擾信號(hào)如圖5 所示。

圖5 寬帶無(wú)線通信設(shè)備工作海域干擾信號(hào)

（2）激光通信設(shè)備的遮擋角度較多，且易受霧、雨等天氣影響。

①中心船：遮擋范圍170°～200°，其余無(wú)遮擋；

②保障船：遮擋范圍150°～218°、98°～102°、246°～255°、-4°～4°。

3 方案優(yōu)化

設(shè)備動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果表明：寬帶無(wú)線通信設(shè)備易受不明電磁信號(hào)干擾，激光通信設(shè)備的遮擋角度較多，易受霧、雨等天氣影響。因此，為進(jìn)一步確保業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃裕枰獌?yōu)化船船間第一路由信息傳輸方式，將寬帶無(wú)線通信和激光通信同時(shí)開(kāi)通運(yùn)行，設(shè)計(jì)冗余備份手段，確保信息傳輸連續(xù)不間斷。中心船與保障船間第一路由連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 中心船與保障船間第一路由連接關(guān)系

3.1 主備路由

船船間開(kāi)通動(dòng)態(tài)路由協(xié)議OSPF。開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，OSPF）是一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Interior Gateway Protocol，IGP），用于在單一自治系統(tǒng)（Autonomous System，AS）內(nèi)決策路由[4]。根據(jù)協(xié)議運(yùn)行原理，在中心船與保障船之間配置OSPF 后，船船間信息傳輸自動(dòng)開(kāi)通負(fù)載分擔(dān)，即激光通信和寬帶無(wú)線通信兩條鏈路同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，任何一條鏈路中斷均會(huì)影響部分業(yè)務(wù)傳輸，原理如圖7 所示。

圖7 負(fù)載分擔(dān)鏈路中斷導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳輸受影響情況

為確保業(yè)務(wù)傳輸性能不受單條鏈路的影響，使用OSPF 中的權(quán)重（Weight）參數(shù)設(shè)置激光通信鏈路為主用路由，寬帶無(wú)線通信為備用路由。

3.2 快速切換

OSPF 協(xié)議使用Hello 包監(jiān)測(cè)鏈路情況，雙方網(wǎng)絡(luò)設(shè)備每隔10 s 向?qū)Χ税l(fā)送Hello 報(bào)文。當(dāng)鏈路中斷導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間（Dead Time，MA 網(wǎng)絡(luò)中約為40 s）接收不到對(duì)端發(fā)送的Hello 報(bào)文時(shí)，協(xié)議將認(rèn)為鏈路失效，切換至備用路由或重新進(jìn)行路由計(jì)算。對(duì)于海上發(fā)射實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸來(lái)說(shuō)，40 s 的切換時(shí)間將導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)包丟失，無(wú)法滿足使用要求。為確保激光通信鏈路中斷后業(yè)務(wù)傳輸能夠快速切換至寬帶無(wú)線通信鏈路，需要考慮鏈路失效快速檢測(cè)切換方法。

雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）是一套全網(wǎng)統(tǒng)一的檢測(cè)機(jī)制，用于快速檢測(cè)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中鏈路或者IP 路由的轉(zhuǎn)發(fā)連通狀況[5]。在OSPF 協(xié)議中開(kāi)啟BFD 檢測(cè)功能后，默認(rèn)情況下雙方網(wǎng)絡(luò)設(shè)備每隔1 s 向?qū)Χ税l(fā)送一個(gè)檢測(cè)報(bào)文，連續(xù)丟失3 個(gè)檢測(cè)報(bào)文時(shí)即認(rèn)為鏈路中斷，BFD 上報(bào)OSPF 實(shí)施鏈路切換操作。因此，開(kāi)啟BFD 后，默認(rèn)情況下OSPF 可以在3 s 內(nèi)完成主備鏈路切換操作，原理如圖8 所示。

圖8 主備鏈路快速切換原理

4 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中，中心船與保障船間第一路由通過(guò)寬帶無(wú)線通信和激光通信開(kāi)通雙向10 Mb/s 電路，開(kāi)通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、圖像和語(yǔ)音等業(yè)務(wù)，信息傳輸關(guān)系如圖9 所示。

圖9 中心船與保障船間第一路由信息連接關(guān)系

實(shí)際應(yīng)用中，寬帶無(wú)線通信和激光通信同時(shí)開(kāi)通，當(dāng)天根據(jù)氣象條件確定激光通信為優(yōu)選方案，網(wǎng)絡(luò)配置“OSPF+BFD”自動(dòng)檢測(cè)功能，主備切換迅速，傳輸鏈路暢通，各類數(shù)據(jù)、圖像和語(yǔ)音信息傳輸正常，各項(xiàng)指標(biāo)滿足使用要求。其中，船船間總業(yè)務(wù)傳輸丟包率小于1‰，激光通信鏈路丟包率為0，傳輸時(shí)延小于1 ms，寬帶無(wú)線通信鏈路丟包率為1%，平均傳輸時(shí)延25 ms。

5 結(jié)語(yǔ)

首次海上發(fā)射中，中心船首次與保障船開(kāi)通船船間信息傳輸業(yè)務(wù)，新的業(yè)務(wù)傳輸需求給通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。從9 個(gè)方面分析比較了6 種海上通信的技術(shù)手段，優(yōu)選寬帶無(wú)線通信、激光通信兩種區(qū)域?qū)拵ㄐ攀侄巫鳛榇g第一路由信息傳輸方式，并根據(jù)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)。經(jīng)海上發(fā)射實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，船船間各類業(yè)務(wù)傳輸穩(wěn)定可靠，滿足實(shí)際需求，可為后續(xù)類似應(yīng)用提供高速、可靠、穩(wěn)定的通信手段。寬帶無(wú)線通信設(shè)備工作頻段范圍內(nèi)的干擾問(wèn)題有待進(jìn)一步的分析和解決。