導(dǎo)語：高速寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用探索與展望一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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

關(guān)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(zhí)法；海事應(yīng)急聯(lián)動指揮

一、引言

海事巡航船舶是實施水上交通安全監(jiān)管的主要力量。網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的今天，迫切需要在海事巡航船舶與陸地之間架設(shè)高速的通信網(wǎng)絡(luò)，為海事現(xiàn)場監(jiān)管提供信息數(shù)據(jù)支持。渤海為我國內(nèi)水，四周被陸地環(huán)繞，距離陸地最遠(yuǎn)距離在100km左右，渤海船舶航行密集、油田作業(yè)繁忙，不可避免地經(jīng)常發(fā)生海上突發(fā)事件，現(xiàn)場與岸基音視頻數(shù)據(jù)的有效連通，能夠大大提高應(yīng)急處置的效率和效果。研發(fā)一套遠(yuǎn)距離高帶寬的移動無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，從而實現(xiàn)渤海海上高帶寬網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，意義重大。

二、技術(shù)選型

目前移動無線通信技術(shù)主要有4G通信、5G通信、衛(wèi)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(nèi)，無法滿足海上應(yīng)用。5G通信技術(shù)帶寬能夠達(dá)到1Gbps以上，但覆蓋距離比4G更短，不適應(yīng)于海上應(yīng)用。衛(wèi)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(yīng)用的帶寬通常不超過2Mbps，視頻傳輸存在卡頓，高速數(shù)據(jù)傳輸受限，在實踐中，還會出現(xiàn)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(zhì)進(jìn)行的通信，具有容量大、頻帶寬、傳輸效率高、距離遠(yuǎn)等特點，適應(yīng)于各種無線專用通信網(wǎng)建設(shè)，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(shù)難度較大。國外在該領(lǐng)域研究與應(yīng)用成果較多，國內(nèi)海上無線通信領(lǐng)域起步較晚，在這樣的情況下，研究開發(fā)一套基于無線微波通信技術(shù)，針對海上環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的海面移動寬帶傳輸系統(tǒng)，利用渤海周邊地形資源合理布局中繼支點，就成了現(xiàn)階段實現(xiàn)渤海移動高帶寬網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋的最佳選擇。

三、初步實現(xiàn)天津近海高帶寬網(wǎng)絡(luò)連接

經(jīng)了解，國內(nèi)存在利用微波定向技術(shù)解決沿海移動通信的先進(jìn)技術(shù)。天津海事局于2017年與相關(guān)研究單位取得聯(lián)系，了解到該單位自主研發(fā)的通過天線伺服機(jī)構(gòu)自動調(diào)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(tǒng)移動微波通信，其距離和帶寬顯著增加。為利用該技術(shù)在天津沿海搭建移動高帶寬通信網(wǎng)絡(luò)，雙方聯(lián)合進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)和測試，取得了理想的效果。主要涉及的應(yīng)用技術(shù)有以下幾個方面：（一）天線伺服機(jī)構(gòu)自動調(diào)整技術(shù)[2]。具體說就是岸站的拋物面天線（俗稱“鍋”）由一個伺服電機(jī)帶動可以水平360度旋轉(zhuǎn)，其根據(jù)移動端天線位置實時調(diào)整方位與其正對，用角度為3度的夾角發(fā)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(jī)帶動可以360度旋轉(zhuǎn)，通過實時調(diào)節(jié)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(biāo)，以6.8度的夾角發(fā)射和接收微波信號。這種伺服機(jī)構(gòu)自動調(diào)整天線的好處主要有兩方面，第一在信號發(fā)射方面：可以集中發(fā)射功率，相較于全向發(fā)射，目標(biāo)方向能量增加，信號強(qiáng)度增加，傳輸距離增加；第二在信號接收方面，只接收目標(biāo)方向3度范圍內(nèi)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(yīng)用此方法可將傳輸距離大大增加。（二）地理信息技術(shù)。具體說就是在船站天線設(shè)備中安裝GPS和北斗雙模定位設(shè)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(jù)此定位信息實時調(diào)整天線方向，以保證兩天線實時正對。此部分在后期技術(shù)升級時在岸站增加了一套AIS設(shè)備，作用是在近岸水域有建筑物遮擋等意外情況發(fā)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(diào)整重新建立連接的情況下，通過岸站的船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）設(shè)備獲取船舶廣播的AIS定位信息，從而粗略調(diào)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(tǒng)，精準(zhǔn)定位調(diào)整，重新恢復(fù)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)連接。此外，地理信息技術(shù)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(diào)整信號參數(shù)，例如調(diào)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(jī)控制技術(shù)[3]。具體來說包括所有的數(shù)據(jù)計算和指令執(zhí)行。地理信息獲取后怎樣計算伺服機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的角度，這是本設(shè)備能否真正起作用的關(guān)鍵。計算機(jī)通過復(fù)雜的程序計算，快速而精準(zhǔn)地給出調(diào)整指令，伺服機(jī)構(gòu)迅速做出精準(zhǔn)調(diào)整，這是在移動船站與岸站之間每時每刻都在發(fā)生的事情。同時，針對不同的情況，調(diào)整頻帶寬度、傳輸速率、信號調(diào)制等等都是由計算機(jī)迅速和精密控制的?？梢哉f計算機(jī)控制技術(shù)是本通信系統(tǒng)的大腦，起到核心作用。除此之外，還綜合應(yīng)用了自動組網(wǎng)技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)、信令傳輸技術(shù)、頻譜監(jiān)測技術(shù)和多方面抗干擾技術(shù)等輔助實現(xiàn)良好通信效果。在確認(rèn)了技術(shù)可行性后，雙方合作進(jìn)行了一期探索研究建設(shè)，在天津港南疆東雷達(dá)站建設(shè)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(yùn)用以上技術(shù)實現(xiàn)岸站與船站一對一連接，并開展了實測，測試海巡船在轄區(qū)覆蓋范圍內(nèi)航行信號覆蓋范圍、連接穩(wěn)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(tài)，海巡船從基地出發(fā)沿海岸向北到達(dá)轄區(qū)邊緣，后向遠(yuǎn)海方向行駛到信號可保持連接的最遠(yuǎn)距離，返航去到轄區(qū)最南區(qū)域后沿海岸返回基地（見圖3）。期間不間斷測試網(wǎng)絡(luò)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(biāo)設(shè)定為海巡船在轄區(qū)離岸50km范圍內(nèi)各區(qū)域航行，均可保持30Mbps以上帶寬的網(wǎng)絡(luò)連接，同時測試本設(shè)備的最遠(yuǎn)通信距離。測試結(jié)果如下：（1）海巡船在離基站60km以內(nèi)航行，帶寬可保持在30Mbps以上；（2）海巡船駛離南疆雷達(dá)站70km左右，信號出現(xiàn)中斷；（3）海巡船經(jīng)過大吊塔信號有明顯波動，但不影響通信。又經(jīng)過多輪測試和實際應(yīng)用，綜合結(jié)論為：海巡船實現(xiàn)了離岸50km以內(nèi)，30Mbps帶寬的移動高速網(wǎng)絡(luò)連接。該套通信設(shè)備經(jīng)過一年的使用，效果較為穩(wěn)定。在2018年“2.28”事故中，南錨地翻扣船舶的現(xiàn)場畫面可實時傳輸至天津海事局指揮中心，并轉(zhuǎn)至天津市政府和交通運(yùn)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(xué)和高效的指揮決策以及應(yīng)急處置情況記錄起到關(guān)鍵作用。隨后，天津海事局開展了沿海寬帶系統(tǒng)二期建設(shè)。目前已實現(xiàn)30米級以上5艘海巡船在離岸50km范圍內(nèi)通過沿海4個基站，實現(xiàn)30Mbps以上穩(wěn)定帶寬的網(wǎng)絡(luò)同時連接，渤海西部海上移動高速網(wǎng)絡(luò)初步建成（見圖4）。

四、嘗試拓展距離的研究

要實現(xiàn)對渤海的高速通信網(wǎng)絡(luò)全部覆蓋，在通信距離上還存在短板，為此我們開展了進(jìn)一步攻關(guān)和測試，嘗試拓展通信距離。根據(jù)視距理論，在現(xiàn)有技術(shù)可實現(xiàn)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(nèi)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(dá)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(shè)備產(chǎn)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(shè)備進(jìn)行了遠(yuǎn)距離通信測試，結(jié)果實現(xiàn)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(jù)兩處實際通信效果，可從實用角度上初步得出結(jié)論，此通信設(shè)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(jīng)過對渤海周邊高山的考察調(diào)研，河北省昌黎縣仙臺頂（海拔695.1m）可作為渤海遠(yuǎn)距離通信拓展岸站的首選安裝位置，根據(jù)前幾次測試效果推測，以仙臺頂?shù)母叨龋渫ㄐ鸥采w距離有望達(dá)到200km。

五、渤海海上移動高速寬帶網(wǎng)絡(luò)展望

由上述多次通信距離拓展的實現(xiàn)作為基礎(chǔ)，在仙臺頂開展遠(yuǎn)距離測試，如果能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)渤海海上移動高速寬帶網(wǎng)絡(luò)全覆蓋[5]。渤海地區(qū)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(huán)渤海各港口的雷達(dá)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(huán)境調(diào)查研究，選定南疆東雷達(dá)站、仙臺頂、東營港雷達(dá)站、大欽島作為環(huán)繞渤海中部地區(qū)的骨干傳輸節(jié)點(備選節(jié)點為曹妃甸礦石雷達(dá)站、老鐵山燈塔、砣磯島)，解決渤海中部離陸地最遠(yuǎn)地區(qū)的通信問題。海上油田采油平臺由于協(xié)調(diào)困難、安裝與維護(hù)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(jié)點。其他地區(qū)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(xiàn)渤海水域的高帶寬無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。具體各基站網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋區(qū)域如下圖6所示。首先搭建骨干網(wǎng)，結(jié)合骨干節(jié)點地理位置和部署條件，建立點對點高帶寬傳輸網(wǎng)絡(luò)，使各骨干節(jié)點連通，骨干網(wǎng)搭建完成后，在每一個骨干節(jié)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(jié)點高速連通海事內(nèi)網(wǎng)。骨干網(wǎng)絡(luò)點對點組網(wǎng)后均可通過南疆東雷達(dá)站的主網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通海事內(nèi)網(wǎng)，同時各基站也可就近連通當(dāng)?shù)睾Ｊ聝?nèi)網(wǎng)，從而實現(xiàn)冗余連接，規(guī)避了主網(wǎng)線路故障導(dǎo)致應(yīng)急情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷風(fēng)險。通過以上拓展通信距離的方法綜合研發(fā)應(yīng)用，將可能實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)與海事內(nèi)網(wǎng)高速互聯(lián)。

六、結(jié)語

渤海海上高速寬帶網(wǎng)絡(luò)全覆蓋將為該海域內(nèi)海事巡航執(zhí)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(shù)據(jù)的實時雙向傳輸，可為海事通航保障、現(xiàn)場執(zhí)法、應(yīng)急聯(lián)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(fā)事件時，岸基指揮中心和應(yīng)急處置現(xiàn)場可在很大程度上實現(xiàn)同觀同感,這將在應(yīng)急聯(lián)動指揮的科學(xué)和高效決策上發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

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作者:劉和強(qiáng) 史秀伍 單瑞海 單位:1.東疆海事局 2.天津海事局