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解決方案

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提供針對不同行業的專業解決方案,產品廣泛應用于平安城市、建筑工地、森林防火、油田礦區、水利監控(江河湖海)、軌道交通、應急布控、邊防海防巡檢等各種固定和移動點通訊系統,在無人機、無人車、無人船、機器人的系統均有廣泛的應用。

解決方案
海事船岸無線組網方案

海上綜合無線自組網通信應用解決方案

作者:騰遠智拓    來源:深圳市騰遠智拓電子有限公司   時間:2021 -08-25

20 世紀以來, 通信系統經歷了從電纜到光纜、有線到無線、從模擬到數字、從 1G 到 5G, 陸上通信系統發生著日新月異的發展變革。然而,在浩瀚的海洋上,由于海洋環境復雜多變、海上施工十分困難等原因,海洋通信網絡的發展明顯滯后于陸地通信網絡。近年來,隨著我國海事活動日趨頻繁和海洋經濟迅猛發展,研發新一代海洋通信技術與系統已經成為了學術界和工業界一個備受矚目的焦點。無論是港口、碼頭、岸海通信系統、岸島通信系統、海上船組編隊、無人船編隊、海天一體、海上平臺等互聯互通組網需求越來越多,需求的形式也產生了多樣化的需求,遠距離、高帶寬、視頻、語音、數據、控制、遙測等各種需求,越來越迫切。


常規的海洋通信網絡主要包括海上無線通信系統、海洋衛星通信系統和基于陸地蜂窩網絡的岸基移動通信系統。由于這些通信系統的通信制式互不兼容、通信帶寬高低不一、覆蓋范圍存在盲區、缺乏高效統一的管理機制,常規海洋通信網絡越來越難以滿足我國日益增長的海洋活動需求,成為制約海洋開發與探索向縱深發展的重大瓶頸。因此,必須充分調研我國海洋通信的發展現狀,了解世界先進海洋通信技術, 探索與我國海洋環境相一致的海上信道模型,開發適合我國國情的海洋通信網絡架構,最終構建一個高速率、高可靠、全覆蓋、易管理、低成本的新型海洋通信網絡。 

海洋通信的幾種方式

海上無線通信

圖1(海上無線通信系統

如圖 1 所示,我國廣泛應用的海上無線通信系統主要包括海上無線通信網絡、海洋衛星通信網絡和岸基移動通信網絡, 它們共同構成一個基本實現海洋全覆蓋的通信網絡架構。該系統能夠保障近海、遠海和遠洋的船舶到海岸、船舶到船舶的日常通信;在海洋運輸、油氣勘探開采、海洋環境監測、海洋漁業、海水養殖和海洋科考等領域,提供了相對可靠、準確、及時和安全的通信基礎設施。


陸海空通信系統

圖2 (陸海空通信系統)

圖2中,岸基通信系統可通過地面光纖線路形成一個遠距離的內網系統,離岸較近的船舶可以通過海上無線自組網通信系統與陸地基站進行互聯互通,當船舶遠離岸基無線通信系統時,則可以結合衛星通信系統與地面中心相連,母船在周邊的小船則可以通過海上自建的自組網通信系統與母船相鏈接,大船在行進過程當中可以與岸基或者與島基通信系統或者與高空衛星通信系統互聯,最終形成一個有效的海洋通信網絡。

典型的通信組網方式

典型的通信組網方式

圖3 (網絡拓撲結構)

鏈型拓撲架構

所謂鏈型拓撲,既節點之間是通過是通過相鄰節點直接互相傳遞,相隔節點之間不能直接實現通信,必須通過相鄰節點進行通信轉接。實現的方式主要兩種:

Mesh自組網單頻點同頻組網跳轉通信(優勢是架設靈活、方便,無中心,不受設備順序困擾,缺點是經過多跳后帶寬成倍下降),如圖4

mesh鏈狀組網

圖4 (mesh鏈狀組網)

點對點橋接異頻接力組網傳輸,每個節點處需要放置雙頻點通信裝置(可以是兩臺設備,也可以是一臺設備具備兩個獨立的射頻通道),接力傳輸裝置也分為兩種模式,一種模式是普通的點對點橋接裝置,需要人為設置頻點,編排順序(如圖5所示)。另外一種方式是設置好主站和子站,調整完畢后可通過主站發出指令,自動編排組網。

點對點橋接接力傳輸

圖5 (點對點橋接接力傳輸)

星型拓撲架構

這種方式主要是有中心的工作方式,各點必須通過中心節點進行互聯互通,無線組網應用主要是點對多點的工作方式。

點對多點星型網絡

圖6 (點對多點星型網絡)

3、網型拓撲架構

16節點全網互聯網狀網圖

圖7  (16節點全網互聯網狀網圖)

網絡中每個節點之間可以彼此相連,每個節點可以與網中的多個節點互聯互通,同時又可以避免環網現象。設備自身可根據網絡狀況自行判斷數據走向路徑。

混合型拓撲架構

混合型拓撲架構結合了點對點(鏈狀網絡)、點對多點(星型網絡)、網狀網絡、樹形拓撲、環形圖譜等。實際應用當中常常會用到混合組網方式,這樣可以最大的發揮各種網絡架構的優勢,而且也比較經濟合理。圖2就是一種典型的混合型拓撲架構。

樹形拓撲架構

圖8 (樹形拓撲架構)

環形拓撲架構

圖9 (環形拓撲架構)

四、海洋通信中的典型應用舉例

1、海上應急救援自組網通信應用

應急救援自組網應用圖

圖10 應急救援自組網應用圖

2、海上巡邏自組網通信應用

陸海空通信系統

圖11(陸海空通信系統)

3、海上登船突擊檢查綜合通信保障應用

海上突擊檢查無線自組網通信保障系統

圖12(海上突擊檢查無線自組網通信保障系統)

4、海上無人靶船演練自組網通信控制系統

海上無人靶船演練自組網通信控制系統

圖13 海上無人靶船應用

5、遠洋科考船綜合無線自組網通信保障應用

遠洋科考船綜合無線自組網通信保障應用

圖14 科考船無線通信保障應用

6、無人船編隊組網應用

無人船編隊組網應用

圖15 無人船編隊無線通信組網應用

7、海陸空綜合無線通信組網應用

海陸空綜合無線通信組網應用

圖16

8、海上浮標與船隊無線通信組網應用

海上浮標與船隊無線通信組網應用

圖17

9、海上作業平臺與浮標及衛星的綜合無線通信組網應用

海上作業平臺與浮標及衛星的綜合無線通信組網

五、相關產品簡介

1、海上衛星通信裝備

由于無線電波傳播特性不穩定、海上信道環境復雜多變、傳輸距離受限等因素, 海上無線電通信網絡無法為任意海域的用戶提供滿意的通信服務。相反, 衛星通信能實現對全球 “無縫隙” 覆蓋, 衛星通信在海洋通信中擁有不可替代的地位。在世界范圍內, 典型的海洋衛星通信系統包括海事衛星系統(INMARSAT)、銥星系統 (Iridium)、北斗衛星導航系統 (BeiDou) 和我國近期發射的 “天通一號” 衛星

移動通信系統等。

海事衛星系統是國際海事組織 (IMO) 建設的、兼容全球海上遇險與安全系統 (GMDSS) 的唯一海洋衛星通信系統,其系統穩定性高達 99.99%。作為全球移動衛星通信網絡的領跑者,在過去30多年里, 國際海事組織不斷引進新的技術并服務社會,推出多種海事衛星系統,包括 Inmarsat-A, -B,-C,-D/-D+, -E, -M, Mini-M 等, 它們提供的通信服務速率最低為 9.6 kbps, 最高速率達到 128 kbps。2007 年,國際海事組織發射 Inmarsat-4 衛星群,提出了BGAN (broadband global area network) 概念,提供共享信道、包交換服務和 IP 流服務, 峰值速率分別為 432 kbps 和 256 kbps。BGAN 最大的特點是可全球覆蓋 (除極地海域外)。2014 年底, 國際海事組織建成新一代廣覆蓋無線寬帶衛星網絡系統,該系統被稱為海事GX系統 (inmarsat global Xpress),由三顆Inmarsat-5衛星群組成,實現完全的全球覆蓋并大幅提高通信速率。GX系統優勢主要表現在, 工作在頻率資源豐富的 Ka 頻段,用戶終端天線尺寸為 60 cm 時, 可提供50 Mbps下行數據速率和5 Mbps的上行數據速率;而用戶終端天線尺寸為20 cm 時,可提供 10 Mbps 下行數據速率。

我國的北斗衛星導航系統也可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務, 并且還具有短報文通信能力。在 2014 年 11 月, 國際海事組織海上安全委員會正式將中國北斗系統納入全球無線電導航系統。 截止 2016 年 2 月, 北斗系統由 16 顆衛星構成, 已覆蓋亞太地區, 2020 年左右全部 35 顆衛星在軌運行,實現全球覆蓋。北斗系統作為一個成熟的導航

系統,不但能為海上船舶提供定位導航服務,而且其短報文通信功能可以提供遇險求救、航海通告等服務。

2、固定點位高帶寬中繼接力微波通信裝置

固定點微波裝備主要采用C波段(4.0- 8.0GHz)和X波段(8-12 GHz)設備進行點對點的高帶寬組網傳輸,在實際應用當中,充當干線鏈路傳輸的作用。在一定的范圍內骨干網設備可提供100--600Mbps是數據傳輸速率。

3、自組網通信裝置

主要采用mesh組網架構設計,設備頻段選擇可以支持U段(325MHz~900MHz,根據功放頻率可選擇),L段(1~2GHz,根據功放頻率可選擇),S段(2~4GHz根據功放頻率可選擇),C段(4-6GHz,根據功放頻率可選擇),X波段(8~12GHz,根據功放頻率可選擇)。以上頻段可以根據實際需要進行靈活搭配使用。

先進的MESH設計理念,不需要中心網關,任意一臺均可實現自組網絡功能,在群組內任意一臺設備掉線,在有效的天線覆蓋范圍內均會有對應的設備繼續通信,保證網絡不掉線。在實際應用當中,我們可以采用環狀網絡設計而不用擔心環網堵塞的問題。

系統主要特征:

無中心同頻組網

MESH 無線自組網系統為無中心同頻系統,所有節點地位對等,單一頻點支持具備 TDD雙向通信,頻率管理簡單,頻譜利用率高。任意節點設備在網絡中均可作為末端節點、中繼節點或指揮節點使用。在任何時間任何地點,不依任何其它的固定通信網絡設施(如光纖、銅纜等),可迅速建立無線通信網絡。所有無中心同頻自組網設備,包括室外固定臺、應急布控臺、車載臺及單兵便攜臺等,只需開機上電就可自動組成無線網狀網,相互之間實時通信。

多節點快速靈活組網

MESH 無線自組網系統目前同頻組網可支持 32 個節點,可快速部署、靈活組網。在各個節點快速移動時,系統可根據多個節點之間的信道質量、數據業務速率、誤碼率等各項指標,隨著拓撲結構變化信息,自動重新計算多個節點之間的路由關系并快速生成新的路由表,網絡拓撲隨之實時更新。此時,語音、數據和視頻業務不會因系統拓撲結構變化而受影響。

快速入網

節點在開機上電后即可“秒級”注冊組網,簡單實用。保證系統節點在脫網后重新入網時,能夠迅速建立通信。如下 所示,單兵 4 由于移動造成脫網,當其向已有網絡靠近時,可重新迅速入網。

路由快速更新

路由快速更新

如下圖左邊所示 7 個單兵形成最多 3 跳拓撲結構,由于單兵移動,網絡拓撲結構發生變化至時,系統能快速響應拓撲結構變化,并迅速重新構建路由系統,保障信息暢通。


智能路由選擇

智能路由選擇

MESH 無線自組網如果發生某條最優路徑鏈路剩余帶寬不夠,可自動選擇次優進行信息傳輸。如下圖左所示,當實線無線鏈路被占滿,最左邊單兵要發起業務給最右邊單兵時,可通過右圖所示上邊的鏈路建立傳輸路徑。


多小組快速合并

多小組快速合并

如下圖所示,7 人小組由于地理隔離因素分拆成兩個小組:A 組和 B 組。A 組成員和 B組成員之間暫時無法進行通信。當兩個小組需要本地協同,重新靠近時,可在 2s~4s 時間內重新融合成一個 7 人大組,所有 7 人成員間可以進行正常的通信,新的網絡拓撲不影響原有業務傳輸。


任意網絡拓撲結構

任意網絡拓撲結構

MESH 無線自組網系統支持任意網絡拓撲結構,如點對多點、鏈狀中繼、網狀網絡及混合網絡等。如下圖所示為在MESH終端系統軟件上顯示的各種應用過的多種網絡拓撲結構圖。

高數據帶寬快速移動

高數據帶寬快速移動

MESH 無線自組網系統的峰值數據帶寬為 56Mbps(基于20MHz載波帶寬)。節點具備非固定移動傳輸能力,且快速移動也不影響高數據帶寬業務,如語音、數據和視頻的業務不會受到系統拓撲結構快速變化以及終端高速運動的制約影響。

抗干擾性

通過外接濾波器,有效抑制帶外諧波干擾,提高信號的抗干擾性及信噪比。同時,采用ARQ(自動重傳請求)傳輸機制,降低數據傳輸丟失率,提升數據傳輸可靠性。此外,自帶掃頻功能,可根據所配中心頻點掃頻結果,手動配置選取受干擾影響較小頻率設置中心頻點,實現干擾頻率躲避。

抗多徑能力

MESH 無線自組網系統抗多徑能力強,且支持自動無線中繼傳輸,系統內所有節點支持多跳中繼(接力)通信,可適應多種地形和應用場景。尤其在山區地貌、密集城區或植被覆蓋、建筑高層或縱深、地下室、地鐵、隧道等傳統無線電設備難以覆蓋或弱覆蓋的場景區域,針對上述障礙物遮蔽非通視(NLOS)、地表與地下通信等需求場景,可憑借卓越的繞射反射多徑傳輸及穿透能力,再依托中繼臺進行有效覆蓋延伸,很好地實現抗多徑接力傳輸。

抗毀容災性

MESH 無線自組網系統在單個節點設備故障時不影響整個網絡的使用。無線 MESH 網絡是一個網狀組網結構,因而當網絡中某個節點發生故障時,原本經由該節點進行的轉發任務將在路由協議的引導下,通過其他節點并選擇最佳的傳輸路徑進行中繼傳輸,整個網絡仍可自愈正常工作,這極大地提升了無線 MESH 網絡的容災可靠性,同時具有較好的容錯性能。

安全保密性

系統通過設置工作頻點,載波帶寬、擾碼(即 MESHID)、通信距離及組網模式等“多把鎖”的編組加密,可有效防止非法用戶入侵網絡,只有當上述多項完全吻合一致時,才能確保合法入網;該系統為全自主研發,傳輸協議為全自定義協議,空口傳輸采用 64bit 密鑰,可動態生成加擾序列,實現信道加密,確保信息傳輸的高度安全;此外,系統還支持DES/AES128/AES256(可選配)的信源加密。

全IP組網互聯互通

MESH 無線自組網系統采用全 IP 的設計理念,目前支持各種數據的無差異化透傳,易于與其他異構通信系統(如公網、專網、衛通及微波等)互聯互通,實現多媒體業務實時交互。

支持多種業務

MESH 無線自組網系統支持語音、圖像、數據和定位信息(GPS/北斗)的實時傳輸。所有節點均可與控制終端配合使用,通過配置的 MESH 自組網終端系統軟件實現各種管理調度功能。也可利用 MESH 自組網終端系統軟件配置的移動交互平臺與手機終端進行實時業務傳輸。


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