高速寬帶網絡應用探索與展望

導語：高速寬帶網絡應用探索與展望一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：文中以針對海上環境優化后的移動高速寬帶傳輸技術在天津海事巡航船舶上的應用為基礎，介紹了移動無線微波通信技術在海上通信距離拓展方面的突破。提出了利用該技術，通過渤海周邊基站的合理選擇配置，真正實現渤海海上移動高速寬帶網絡全覆蓋的展望。

關鍵詞：海面移動寬帶；無線微波通信；海上通信距離拓展；海事巡航執法；海事應急聯動指揮

一、引言

海事巡航船舶是實施水上交通安全監管的主要力量。網絡高速發展的今天，迫切需要在海事巡航船舶與陸地之間架設高速的通信網絡，為海事現場監管提供信息數據支持。渤海為我國內水，四周被陸地環繞，距離陸地最遠距離在100km左右，渤海船舶航行密集、油田作業繁忙，不可避免地經常發生海上突發事件，現場與岸基音視頻數據的有效連通，能夠大大提高應急處置的效率和效果。研發一套遠距離高帶寬的移動無線網絡通信系統，從而實現渤海海上高帶寬網絡全覆蓋，意義重大。

二、技術選型

目前移動無線通信技術主要有4G通信、5G通信、衛星通信、無線微波通信等[1]。4G通信海上覆蓋距離實測在10km以內，無法滿足海上應用。5G通信技術帶寬能夠達到1Gbps以上，但覆蓋距離比4G更短，不適應于海上應用。衛星通信無距離限制，但由于其通信資源有限，分配給海上船舶應用的帶寬通常不超過2Mbps，視頻傳輸存在卡頓，高速數據傳輸受限，在實踐中，還會出現部分位置信號效果不佳和延遲的情況，且價格昂貴。微波通信是一種直接使用微波作為介質進行的通信，具有容量大、頻帶寬、傳輸效率高、距離遠等特點，適應于各種無線專用通信網建設，但其對天線角度要求較高，多用于固定點對點通信，對于非固定點之間的通信，技術難度較大。國外在該領域研究與應用成果較多，國內海上無線通信領域起步較晚，在這樣的情況下，研究開發一套基于無線微波通信技術，針對海上環境進行優化的海面移動寬帶傳輸系統，利用渤海周邊地形資源合理布局中繼支點，就成了現階段實現渤海移動高帶寬網絡通信覆蓋的最佳選擇。

三、初步實現天津近海高帶寬網絡連接

經了解，國內存在利用微波定向技術解決沿海移動通信的先進技術。天津海事局于2017年與相關研究單位取得聯系，了解到該單位自主研發的通過天線伺服機構自動調整，保證基站天線與移動端天線始終保持指向正對，從而使移動無線通信從某種程度上接近定向無線通信效果。相比傳統移動微波通信，其距離和帶寬顯著增加。為利用該技術在天津沿海搭建移動高帶寬通信網絡，雙方聯合進行了技術攻關和測試，取得了理想的效果。主要涉及的應用技術有以下幾個方面：（一）天線伺服機構自動調整技術[2]。具體說就是岸站的拋物面天線（俗稱“鍋”）由一個伺服電機帶動可以水平360度旋轉，其根據移動端天線位置實時調整方位與其正對，用角度為3度的夾角發射和接收微波信號，移動端的拋物面天線也有一個伺服電機帶動可以360度旋轉，通過實時調節保證不論其身處什么位置，船頭朝向任何方向，天線始終正對著岸站的坐標，以6.8度的夾角發射和接收微波信號。這種伺服機構自動調整天線的好處主要有兩方面，第一在信號發射方面：可以集中發射功率，相較于全向發射，目標方向能量增加，信號強度增加，傳輸距離增加；第二在信號接收方面，只接收目標方向3度范圍內的信號，其他方向來的信號全部屏蔽，極大降低了其他方向信號的干擾。所以應用此方法可將傳輸距離大大增加。（二）地理信息技術。具體說就是在船站天線設備中安裝GPS和北斗雙模定位設備，定位信息通過連接通道實時共享給岸站，保證岸站和船站根據此定位信息實時調整天線方向，以保證兩天線實時正對。此部分在后期技術升級時在岸站增加了一套AIS設備，作用是在近岸水域有建筑物遮擋等意外情況發生，岸站、船站斷開連接，岸站無法獲取船站位置信息從而無法自動調整重新建立連接的情況下，通過岸站的船舶自動識別系統（AIS）設備獲取船舶廣播的AIS定位信息，從而粗略調整岸站天線方向，在建立弱連接后通過GPS和北斗雙模定位系統，精準定位調整，重新恢復高質量網絡連接。此外，地理信息技術可以用于記錄不同地理位置的干擾信息，通過針對不同位置不同的干擾源調整信號參數，例如調整頻率跳過本地干擾源頻率，從而起到很好的抗干擾效果。（三）計算機控制技術[3]。具體來說包括所有的數據計算和指令執行。地理信息獲取后怎樣計算伺服機構旋轉的角度，這是本設備能否真正起作用的關鍵。計算機通過復雜的程序計算，快速而精準地給出調整指令，伺服機構迅速做出精準調整，這是在移動船站與岸站之間每時每刻都在發生的事情。同時，針對不同的情況，調整頻帶寬度、傳輸速率、信號調制等等都是由計算機迅速和精密控制的。可以說計算機控制技術是本通信系統的大腦，起到核心作用。除此之外，還綜合應用了自動組網技術、自適應調節技術、信令傳輸技術、頻譜監測技術和多方面抗干擾技術等輔助實現良好通信效果。在確認了技術可行性后，雙方合作進行了一期探索研究建設，在天津港南疆東雷達站建設兩座岸站（基站天線），在兩艘海巡船安裝兩座船站（移動端天線），綜合運用以上技術實現岸站與船站一對一連接，并開展了實測，測試海巡船在轄區覆蓋范圍內航行信號覆蓋范圍、連接穩定性和帶寬（見圖1，圖2）。具體方案為船站與岸站保持連接狀態，海巡船從基地出發沿海岸向北到達轄區邊緣，后向遠海方向行駛到信號可保持連接的最遠距離，返航去到轄區最南區域后沿海岸返回基地（見圖3）。期間不間斷測試網絡信號值、帶寬、ping值、高清視頻傳輸流暢度等（見表1）。本次測試目標設定為海巡船在轄區離岸50km范圍內各區域航行，均可保持30Mbps以上帶寬的網絡連接，同時測試本設備的最遠通信距離。測試結果如下：（1）海巡船在離基站60km以內航行，帶寬可保持在30Mbps以上；（2）海巡船駛離南疆雷達站70km左右，信號出現中斷；（3）海巡船經過大吊塔信號有明顯波動，但不影響通信。又經過多輪測試和實際應用，綜合結論為：海巡船實現了離岸50km以內，30Mbps帶寬的移動高速網絡連接。該套通信設備經過一年的使用，效果較為穩定。在2018年“2.28”事故中，南錨地翻扣船舶的現場畫面可實時傳輸至天津海事局指揮中心，并轉至天津市政府和交通運輸部海事局，其畫面和語音的清晰度、流暢度均得到各級事故處置參與者的一致肯定，為科學和高效的指揮決策以及應急處置情況記錄起到關鍵作用。隨后，天津海事局開展了沿海寬帶系統二期建設。目前已實現30米級以上5艘海巡船在離岸50km范圍內通過沿海4個基站，實現30Mbps以上穩定帶寬的網絡同時連接，渤海西部海上移動高速網絡初步建成（見圖4）。

四、嘗試拓展距離的研究

要實現對渤海的高速通信網絡全部覆蓋，在通信距離上還存在短板，為此我們開展了進一步攻關和測試，嘗試拓展通信距離。根據視距理論，在現有技術可實現直線傳播距離超過視距傳播距離的條件下，實際通信距離由視距傳播距離決定。海面遮擋物較少，視距內近似只有空間傳播。由于地球曲率的影響，無線寬帶接入基站的視距傳播距離是有限的（見圖5）。如下圖：考慮到大氣層對電波的折射作用，視距傳播距離可簡化計算為：Rmax（km）=4.12[√H1（m）+√H2（m）]其中：Rmax為傳播距離，H1為基站天線高度，H2為移動端天線高度。[4]下表2說明了在基站天線在不同高度上的視距傳播距離：之前南疆東雷達站的天線安裝高度是50m，海巡船的安裝高度在7m左右，測算理論通信距離為40km，而實際測試通信距離極限在70km，是視距理論計算值的1.7倍左右。該通信設備產生的實際效果明顯超出視距理論距離限制。2019年11月5日—6日，在廣東省陽江龍高山（高680m）和海南省文昌潮鼻灘(高10m)之間用同樣的設備進行了遠距離通信測試，結果實現了距離202km、80Mbps帶寬的通信連接，也是視距理論計算值的1.7倍左右。根據兩處實際通信效果，可從實用角度上初步得出結論，此通信設備的通信距離突破了視距理論的限制，距離突破有可能在1.7倍左右。經過對渤海周邊高山的考察調研，河北省昌黎縣仙臺頂（海拔695.1m）可作為渤海遠距離通信拓展岸站的首選安裝位置，根據前幾次測試效果推測，以仙臺頂的高度，其通信覆蓋距離有望達到200km。

五、渤海海上移動高速寬帶網絡展望

由上述多次通信距離拓展的實現作為基礎，在仙臺頂開展遠距離測試，如果能夠實現200km的通信距離，再通過渤海周邊基站的合理選擇配置，有望真正實現渤海海上移動高速寬帶網絡全覆蓋[5]。渤海地區可用于作為海上通信拓展基站的有四類高點：1.渤海周圍高山；2.環渤海各港口的雷達塔或燈塔；3.海中島嶼；4.海中采油平臺。通過對渤海周圍地位環境調查研究，選定南疆東雷達站、仙臺頂、東營港雷達站、大欽島作為環繞渤海中部地區的骨干傳輸節點(備選節點為曹妃甸礦石雷達站、老鐵山燈塔、砣磯島)，解決渤海中部離陸地最遠地區的通信問題。海上油田采油平臺由于協調困難、安裝與維護不便，在陸地滿足全覆蓋的情況下不考慮其作為骨干傳輸節點。其他地區如遼東灣水域距離陸地較近，拓展較為容易，在此也不考慮其覆蓋問題。通過此布局基本可以實現渤海水域的高帶寬無線網絡全覆蓋。具體各基站網絡信號覆蓋區域如下圖6所示。首先搭建骨干網，結合骨干節點地理位置和部署條件，建立點對點高帶寬傳輸網絡，使各骨干節點連通，骨干網搭建完成后，在每一個骨干節點安裝基站天線，海巡船行駛在渤海任何位置，均可以實時通過骨干節點高速連通海事內網。骨干網絡點對點組網后均可通過南疆東雷達站的主網絡聯通海事內網，同時各基站也可就近連通當地海事內網，從而實現冗余連接，規避了主網線路故障導致應急情況下網絡傳輸中斷風險。通過以上拓展通信距離的方法綜合研發應用，將可能實現渤海海上高速寬帶的全覆蓋。屆時，海巡船行駛在渤海任何一個位置均可以通過該網絡與海事內網高速互聯。

六、結語

渤海海上高速寬帶網絡全覆蓋將為該海域內海事巡航執法提供船岸信息共享通道，30Mbps以上的帶寬將滿足視頻、音頻、數據的實時雙向傳輸，可為海事通航保障、現場執法、應急聯動指揮以及輔助決策等提供高效支持。尤其在處置海上突發事件時，岸基指揮中心和應急處置現場可在很大程度上實現同觀同感,這將在應急聯動指揮的科學和高效決策上發揮重要作用。

參考文獻

[1]郗聞.分析現代無線通信技術的發展現狀及未來發展趨勢[J].通信世界,2019,26(3):74-75.

[2]黃偉,周乃恩,王誠,李江宏.一種無人機通信天線伺服系統的構建[J].電子技術應用,2009,35(6):98-101.

[3]何虎.無人機天線自動跟蹤系統的設計與實現[D].大連:大連海事大學,2010.

[4]鄭啟寧,閆鵬.寬帶無線通信系統對海覆蓋的規劃建議[J].無線通信技術,2011,20(1):26-29.

[5]陳巖,董潔,莊云飛.近海覆蓋若干問題的探討[J].電信工程技術與標準化,2009,22(7)::58-62.

作者:劉和強 史秀伍 單瑞海 單位:1.東疆海事局 2.天津海事局