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解决方案

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提供针对不同行业的专业解决方案,产品广泛应用于平安城市、建筑工地、森林防火、油田矿区、水利监控(江河湖海)、轨道交通、应急布控、边防海防巡检等各种固定和移动点通讯系统,在无人机、无人车、无人船、机器人的系统均有广泛的应用。

解決方案
海事船岸无线组网方案

海上综合无线自组网通信应用解决方案

作者:腾远智拓    来源:深圳市腾远智拓电子有限公司   时间:2021 -08-25

20 世纪以来, 通信系统经历了从电缆到光缆、有线到无线、从模拟到数字、从 1G 到 5G, 陆上通信系统发生着日新月异的发展变革。然而,在浩瀚的海洋上,由于海洋环境复杂多变、海上施工十分困难等原因,海洋通信网络的发展明显滞后于陆地通信网络。近年来,随着我国海事活动日趋频繁和海洋经济迅猛发展,研发新一代海洋通信技术与系统已经成为了学术界和工业界一个备受瞩目的焦点。无论是港口、码头、岸海通信系统、岸岛通信系统、海上船组编队、无人船编队、海天一体、海上平台等互联互通组网需求越来越多,需求的形式也产生了多样化的需求,远距离、高带宽、视频、语音、数据、控制、遥测等各种需求,越来越迫切。


常规的海洋通信网络主要包括海上无线通信系统、海洋卫星通信系统和基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信系统。由于这些通信系统的通信制式互不兼容、通信带宽高低不一、覆盖范围存在盲区、缺乏高效统一的管理机制,常规海洋通信网络越来越难以满足我国日益增长的海洋活动需求,成为制约海洋开发与探索向纵深发展的重大瓶颈。因此,必须充分调研我国海洋通信的发展现状,了解世界先进海洋通信技术, 探索与我国海洋环境相一致的海上信道模型,开发适合我国国情的海洋通信网络架构,最终构建一个高速率、高可靠、全覆盖、易管理、低成本的新型海洋通信网络。 

海洋通信的几种方式

海上无线通信

图1(海上无线通信系统

如图 1 所示,我国广泛应用的海上无线通信系统主要包括海上无线通信网络、海洋卫星通信网络和岸基移动通信网络, 它们共同构成一个基本实现海洋全覆盖的通信网络架构。该系统能够保障近海、远海和远洋的船舶到海岸、船舶到船舶的日常通信;在海洋运输、油气勘探开采、海洋环境监测、海洋渔业、海水养殖和海洋科考等领域,提供了相对可靠、准确、及时和安全的通信基础设施。


陆海空通信系统

图2 (陆海空通信系统)

图2中,岸基通信系统可通过地面光纤线路形成一个远距离的内网系统,离岸较近的船舶可以通过海上无线自组网通信系统与陆地基站进行互联互通,当船舶远离岸基无线通信系统时,则可以结合卫星通信系统与地面中心相连,母船在周边的小船则可以通过海上自建的自组网通信系统与母船相链接,大船在行进过程当中可以与岸基或者与岛基通信系统或者与高空卫星通信系统互联,最终形成一个有效的海洋通信网络。

典型的通信组网方式

典型的通信组网方式

图3 (网络拓扑结构)

链型拓扑架构

所谓链型拓扑,既节点之间是通过是通过相邻节点直接互相传递,相隔节点之间不能直接实现通信,必须通过相邻节点进行通信转接。实现的方式主要两种:

Mesh自组网单频点同频组网跳转通信(优势是架设灵活、方便,无中心,不受设备顺序困扰,缺点是经过多跳后带宽成倍下降),如图4

mesh链状组网

图4 (mesh链状组网)

点对点桥接异频接力组网传输,每个节点处需要放置双频点通信装置(可以是两台设备,也可以是一台设备具备两个独立的射频通道),接力传输装置也分为两种模式,一种模式是普通的点对点桥接装置,需要人为设置频点,编排顺序(如图5所示)。另外一种方式是设置好主站和子站,调整完毕后可通过主站发出指令,自动编排组网。

点对点桥接接力传输

图5 (点对点桥接接力传输)

星型拓扑架构

这种方式主要是有中心的工作方式,各点必须通过中心节点进行互联互通,无线组网应用主要是点对多点的工作方式。

点对多点星型网络

图6 (点对多点星型网络)

3、网型拓扑架构

16节点全网互联网状网图

图7  (16节点全网互联网状网图)

网络中每个节点之间可以彼此相连,每个节点可以与网中的多个节点互联互通,同时又可以避免环网现象。设备自身可根据网络状况自行判断数据走向路径。

混合型拓扑架构

混合型拓扑架构结合了点对点(链状网络)、点对多点(星型网络)、网状网络、树形拓扑、环形图谱等。实际应用当中常常会用到混合组网方式,这样可以最大的发挥各种网络架构的优势,而且也比较经济合理。图2就是一种典型的混合型拓扑架构。

树形拓扑架构

图8 (树形拓扑架构)

环形拓扑架构

图9 (环形拓扑架构)

四、海洋通信中的典型应用举例

1、海上应急救援自组网通信应用

应急救援自组网应用图

图10 应急救援自组网应用图

2、海上巡逻自组网通信应用

陆海空通信系统

图11(陆海空通信系统)

3、海上登船突击检查综合通信保障应用

海上突击检查无线自组网通信保障系统

图12(海上突击检查无线自组网通信保障系统)

4、海上无人靶船演练自组网通信控制系统

海上无人靶船演练自组网通信控制系统

图13 海上无人靶船应用

5、远洋科考船综合无线自组网通信保障应用

远洋科考船综合无线自组网通信保障应用

图14 科考船无线通信保障应用

6、无人船编队组网应用

无人船编队组网应用

图15 无人船编队无线通信组网应用

7、海陆空综合无线通信组网应用

海陆空综合无线通信组网应用

图16

8、海上浮标与船队无线通信组网应用

海上浮标与船队无线通信组网应用

图17

9、海上作业平台与浮标及卫星的综合无线通信组网应用

海上作业平台与浮标及卫星的综合无线通信组网

五、相关产品简介

1、海上卫星通信装备

由于无线电波传播特性不稳定、海上信道环境复杂多变、传输距离受限等因素, 海上无线电通信网络无法为任意海域的用户提供满意的通信服务。相反, 卫星通信能实现对全球 “无缝隙” 覆盖, 卫星通信在海洋通信中拥有不可替代的地位。在世界范围内, 典型的海洋卫星通信系统包括海事卫星系统(INMARSAT)、铱星系统 (Iridium)、北斗卫星导航系统 (BeiDou) 和我国近期发射的 “天通一号” 卫星

移动通信系统等。

海事卫星系统是国际海事组织 (IMO) 建设的、兼容全球海上遇险与安全系统 (GMDSS) 的唯一海洋卫星通信系统,其系统稳定性高达 99.99%。作为全球移动卫星通信网络的领跑者,在过去30多年里, 国际海事组织不断引进新的技术并服务社会,推出多种海事卫星系统,包括 Inmarsat-A, -B,-C,-D/-D+, -E, -M, Mini-M 等, 它们提供的通信服务速率最低为 9.6 kbps, 最高速率达到 128 kbps。2007 年,国际海事组织发射 Inmarsat-4 卫星群,提出了BGAN (broadband global area network) 概念,提供共享信道、包交换服务和 IP 流服务, 峰值速率分别为 432 kbps 和 256 kbps。BGAN 最大的特点是可全球覆盖 (除极地海域外)。2014 年底, 国际海事组织建成新一代广覆盖无线宽带卫星网络系统,该系统被称为海事GX系统 (inmarsat global Xpress),由三颗Inmarsat-5卫星群组成,实现完全的全球覆盖并大幅提高通信速率。GX系统优势主要表现在, 工作在频率资源丰富的 Ka 频段,用户终端天线尺寸为 60 cm 时, 可提供50 Mbps下行数据速率和5 Mbps的上行数据速率;而用户终端天线尺寸为20 cm 时,可提供 10 Mbps 下行数据速率。

我国的北斗卫星导航系统也可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务, 并且还具有短报文通信能力。在 2014 年 11 月, 国际海事组织海上安全委员会正式将中国北斗系统纳入全球无线电导航系统。 截止 2016 年 2 月, 北斗系统由 16 颗卫星构成, 已覆盖亚太地区, 2020 年左右全部 35 颗卫星在轨运行,实现全球覆盖。北斗系统作为一个成熟的导航

系统,不但能为海上船舶提供定位导航服务,而且其短报文通信功能可以提供遇险求救、航海通告等服务。

2、固定点位高带宽中继接力微波通信装置

固定点微波装备主要采用C波段(4.0- 8.0GHz)和X波段(8-12 GHz)设备进行点对点的高带宽组网传输,在实际应用当中,充当干线链路传输的作用。在一定的范围内骨干网设备可提供100--600Mbps是数据传输速率。

3、自组网通信装置

主要采用mesh组网架构设计,设备频段选择可以支持U段(325MHz~900MHz,根据功放频率可选择),L段(1~2GHz,根据功放频率可选择),S段(2~4GHz根据功放频率可选择),C段(4-6GHz,根据功放频率可选择),X波段(8~12GHz,根据功放频率可选择)。以上频段可以根据实际需要进行灵活搭配使用。

先进的MESH设计理念,不需要中心网关,任意一台均可实现自组网络功能,在群组内任意一台设备掉线,在有效的天线覆盖范围内均会有对应的设备继续通信,保证网络不掉线。在实际应用当中,我们可以采用环状网络设计而不用担心环网堵塞的问题。

系统主要特征:

无中心同频组网

MESH 无线自组网系统为无中心同频系统,所有节点地位对等,单一频点支持具备 TDD双向通信,频率管理简单,频谱利用率高。任意节点设备在网络中均可作为末端节点、中继节点或指挥节点使用。在任何时间任何地点,不依任何其它的固定通信网络设施(如光纤、铜缆等),可迅速建立无线通信网络。所有无中心同频自组网设备,包括室外固定台、应急布控台、车载台及单兵便携台等,只需开机上电就可自动组成无线网状网,相互之间实时通信。

多节点快速灵活组网

MESH 无线自组网系统目前同频组网可支持 32 个节点,可快速部署、灵活组网。在各个节点快速移动时,系统可根据多个节点之间的信道质量、数据业务速率、误码率等各项指标,随着拓扑结构变化信息,自动重新计算多个节点之间的路由关系并快速生成新的路由表,网络拓扑随之实时更新。此时,语音、数据和视频业务不会因系统拓扑结构变化而受影响。

快速入网

节点在开机上电后即可“秒级”注册组网,简单实用。保证系统节点在脱网后重新入网时,能够迅速建立通信。如下 所示,单兵 4 由于移动造成脱网,当其向已有网络靠近时,可重新迅速入网。

路由快速更新

路由快速更新

如下图左边所示 7 个单兵形成最多 3 跳拓扑结构,由于单兵移动,网络拓扑结构发生变化至时,系统能快速响应拓扑结构变化,并迅速重新构建路由系统,保障信息畅通。


智能路由选择

智能路由选择

MESH 无线自组网如果发生某条最优路径链路剩余带宽不够,可自动选择次优进行信息传输。如下图左所示,当实线无线链路被占满,最左边单兵要发起业务给最右边单兵时,可通过右图所示上边的链路建立传输路径。


多小组快速合并

多小组快速合并

如下图所示,7 人小组由于地理隔离因素分拆成两个小组:A 组和 B 组。A 组成员和 B组成员之间暂时无法进行通信。当两个小组需要本地协同,重新靠近时,可在 2s~4s 时间内重新融合成一个 7 人大组,所有 7 人成员间可以进行正常的通信,新的网络拓扑不影响原有业务传输。


任意网络拓扑结构

任意网络拓扑结构

MESH 无线自组网系统支持任意网络拓扑结构,如点对多点、链状中继、网状网络及混合网络等。如下图所示为在MESH终端系统软件上显示的各种应用过的多种网络拓扑结构图。

高数据带宽快速移动

高数据带宽快速移动

MESH 无线自组网系统的峰值数据带宽为 56Mbps(基于20MHz载波带宽)。节点具备非固定移动传输能力,且快速移动也不影响高数据带宽业务,如语音、数据和视频的业务不会受到系统拓扑结构快速变化以及终端高速运动的制约影响。

抗干扰性

通过外接滤波器,有效抑制带外谐波干扰,提高信号的抗干扰性及信噪比。同时,采用ARQ(自动重传请求)传输机制,降低数据传输丢失率,提升数据传输可靠性。此外,自带扫频功能,可根据所配中心频点扫频结果,手动配置选取受干扰影响较小频率设置中心频点,实现干扰频率躲避。

抗多径能力

MESH 无线自组网系统抗多径能力强,且支持自动无线中继传输,系统内所有节点支持多跳中继(接力)通信,可适应多种地形和应用场景。尤其在山区地貌、密集城区或植被覆盖、建筑高层或纵深、地下室、地铁、隧道等传统无线电设备难以覆盖或弱覆盖的场景区域,针对上述障碍物遮蔽非通视(NLOS)、地表与地下通信等需求场景,可凭借卓越的绕射反射多径传输及穿透能力,再依托中继台进行有效覆盖延伸,很好地实现抗多径接力传输。

抗毁容灾性

MESH 无线自组网系统在单个节点设备故障时不影响整个网络的使用。无线 MESH 网络是一个网状组网结构,因而当网络中某个节点发生故障时,原本经由该节点进行的转发任务将在路由协议的引导下,通过其他节点并选择最佳的传输路径进行中继传输,整个网络仍可自愈正常工作,这极大地提升了无线 MESH 网络的容灾可靠性,同时具有较好的容错性能。

安全保密性

系统通过设置工作频点,载波带宽、扰码(即 MESHID)、通信距离及组网模式等“多把锁”的编组加密,可有效防止非法用户入侵网络,只有当上述多项完全吻合一致时,才能确保合法入网;该系统为全自主研发,传输协议为全自定义协议,空口传输采用 64bit 密钥,可动态生成加扰序列,实现信道加密,确保信息传输的高度安全;此外,系统还支持DES/AES128/AES256(可选配)的信源加密。

全IP组网互联互通

MESH 无线自组网系统采用全 IP 的设计理念,目前支持各种数据的无差异化透传,易于与其他异构通信系统(如公网、专网、卫通及微波等)互联互通,实现多媒体业务实时交互。

支持多种业务

MESH 无线自组网系统支持语音、图像、数据和定位信息(GPS/北斗)的实时传输。所有节点均可与控制终端配合使用,通过配置的 MESH 自组网终端系统软件实现各种管理调度功能。也可利用 MESH 自组网终端系统软件配置的移动交互平台与手机终端进行实时业务传输。


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