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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◕✘·,產品廣泛應用於平安城市₪☁▩、建築工地₪☁▩、森林防火₪☁▩、油田礦區₪☁▩、水利監控(江河湖海)₪☁▩、軌道交通₪☁▩、應急布控₪☁▩、海上組網等各種固定及移動點之間通訊系統◕✘·,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訊應用解決方案

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◕✘·,通訊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,◕✘·,陸上通訊系統發生著日新月異的發展變革↟↟☁。然而◕✘·,在浩瀚的海洋上◕✘·,由於海洋環境複雜多變₪☁▩、海上施工十分困難等原因◕✘·,海洋通訊網路的發展明顯滯後於陸地通訊網路↟↟☁。近年來◕✘·,隨著我國海事活動日趨頻繁和海洋經濟迅猛發展◕✘·,研發新一代海洋通訊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₪☁▩、岸海通訊系統₪☁▩、岸島通訊系統₪☁▩、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₪☁▩、高頻寬₪☁▩、影片₪☁▩、語音₪☁▩、資料₪☁▩、控制₪☁▩、遙測等各種需求◕✘·,越來越迫切↟↟☁。


常規的海洋通訊網路主要包括海上無線通訊系統₪☁▩、海洋衛星通訊系統和基於陸地蜂窩網路的岸基移動通訊系統↟↟☁。由於這些通訊系統的通訊制式互不相容₪☁▩、通訊頻寬高低不一₪☁▩、覆蓋範圍存在盲區₪☁▩、缺乏高效統一的管理機制◕✘·,常規海洋通訊網路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訊的發展現狀◕✘·,瞭解世界先進海洋通訊技術◕✘·, 探索與我國海洋環境相一致的海上通道模型◕✘·,開發適合我國國情的海洋通訊網路架構◕✘·,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訊網路↟↟☁。 

海洋通訊的幾種方式

海上無線通訊

圖1(海上無線通訊系統

如圖 1 所示◕✘·,我國廣泛應用的海上無線通訊系統主要包括海上無線通訊網路₪☁▩、海洋衛星通訊網路和岸基行動通訊網路, 它們共同構成一個基本實現海洋全覆蓋的通訊網路架構↟↟☁。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訊;在海洋運輸₪☁▩、油氣勘探開採₪☁▩、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₪☁▩、及時和安全的通訊基礎設施↟↟☁。


陸海空通訊系統

圖2 (陸海空通訊系統)

圖2中◕✘·,岸基通訊系統可透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透過海上無線自組網通訊系統與陸地基站進行互聯互通◕✘·,當船舶遠離岸基無線通訊系統時◕✘·,則可以結合衛星通訊系統與地面中心相連◕✘·,母船在周邊的小船則可以透過海上自建的自組網通訊系統與母船相連結◕✘·,大船在行進過程當中可以與岸基或者與島基通訊系統或者與高空衛星通訊系統互聯◕✘·,最終形成一個有效的海洋通訊網路↟↟☁。

典型的通訊組網方式

典型的通訊組網方式

圖3 (網路拓撲結構)

鏈型拓撲架構

所謂鏈型拓撲◕✘·,既節點之間是透過是透過相鄰節點直接互相傳遞◕✘·,相隔節點之間不能直接實現通訊◕✘·,必須透過相鄰節點進行通訊轉接↟↟☁。實現的方式主要兩種↟•│◕:

Mesh自組網單頻點同頻組網跳轉通訊(優勢是架設靈活₪☁▩、方便◕✘·,無中心◕✘·,不受裝置順序困擾◕✘·,缺點是經過多跳後頻寬成倍下降)◕✘·,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訊裝置(可以是兩臺裝置◕✘·,也可以是一臺裝置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◕✘·,需要人為設定頻點◕✘·,編排順序(如圖5所示)↟↟☁。另外一種方式是設定好主站和子站◕✘·,調整完畢後可透過主站發出指令◕✘·,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◕✘·,各點必須透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↟↟☁。

點對多點星型網路

圖6 (點對多點星型網路)

3₪☁▩、網型拓撲架構

16節點全網網際網路狀網圖

圖7  (16節點全網網際網路狀網圖)

網路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↟↟☁。裝置自身可根據網路狀況自行判斷資料走向路徑↟↟☁。


混合型拓撲架構

混合型拓撲架構結合了點對點(鏈狀網路)₪☁▩、點對多點(星型網路)₪☁▩、網狀網路₪☁▩、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路架構的優勢◕✘·,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₪☁▩、海洋通訊中的典型應用舉例

1₪☁▩、海上應急救援自組網通訊應用

應急救援自組網應用圖

圖10 應急救援自組網應用圖

2₪☁▩、海上巡邏自組網通訊應用

陸海空通訊系統

圖11(陸海空通訊系統)

3₪☁▩、海上登船突擊檢查綜合通訊保障應用

海上突擊檢查無線自組網通訊保障系統

圖12(海上突擊檢查無線自組網通訊保障系統)

4₪☁▩、海上無人靶船演練自組網通訊控制系統

海上無人靶船演練自組網通訊控制系統

圖13 海上無人靶船應用

5₪☁▩、遠洋科考船綜合無線自組網通訊保障應用

遠洋科考船綜合無線自組網通訊保障應用

圖14 科考船無線通訊保障應用

6₪☁▩、無人船編隊組網應用

無人船編隊組網應用

圖15 無人船編隊無線通訊組網應用

7₪☁▩、海陸空綜合無線通訊組網應用

海陸空綜合無線通訊組網應用

圖16

8₪☁▩、海上浮標與船隊無線通訊組網應用

海上浮標與船隊無線通訊組網應用

圖17

9₪☁▩、海上作業平臺與浮標及衛星的綜合無線通訊組網應用

海上作業平臺與浮標及衛星的綜合無線通訊組網

五₪☁▩、相關產品簡介

1₪☁▩、海上衛星通訊裝備

由於無線電波傳播特性不穩定₪☁▩、海上通道環境複雜多變₪☁▩、傳輸距離受限等因素◕✘·,海上無線電通訊網路無法為任意海域的使用者提供滿意的通訊服務↟↟☁。相反, 衛星通訊能實現對全球“無縫隙”覆蓋◕✘·,衛星通訊在海洋通訊中擁有不可替代的地位↟↟☁。在世界範圍內, 典型的海洋衛星通訊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” 衛星移動通訊系統等↟↟☁。


海事衛星系統是國際海事組織 (IMO) 建設的₪☁▩、相容全球海上遇險與安全系統 (GMDSS) 的唯一海洋衛星通訊系統◕✘·,其系統穩定性高達 99.99%↟↟☁。作為全球移動衛星通訊網路的領跑者◕✘·,在過去30多年裡◕✘·,國際海事組織不斷引進新的技術並服務社會◕✘·,推出多種海事衛星系統◕✘·,包括 Inmarsat-A, -B◕✘·,-C◕✘·,-D/-D+◕✘·, -E◕✘·, -M◕✘·, Mini-M 等, 它們提供的通訊服務速率最低為 9.6kbps◕✘·,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◕✘·,提供共享通道₪☁▩、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頻衛星網路系統◕✘·,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並大幅提高通訊速率↟↟☁。GX系統優勢主要表現在◕✘·,工作在頻率資源豐富的Ka頻段◕✘·,使用者終端天線尺寸為60cm 時◕✘·,可提供50Mbps下行資料速率和5Mbps的上行資料速率;而使用者終端天線尺寸為20 cm 時◕✘·,可提供 10 Mbps 下行資料速率↟↟☁。


我國的北斗衛星導航系統也可在全球範圍內全天候₪☁▩、全天時為各類使用者提供高精度₪☁▩、高可靠的定位₪☁▩、導航₪☁▩、授時服務, 並且還具有短報文通訊能力↟↟☁。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顆衛星在軌執行◕✘·,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◕✘·,而且其短報文通訊功能可以提供遇險求救₪☁▩、航海通告等服務↟↟☁。


2₪☁▩、固定點位高頻寬中繼接力微波通訊裝置

固定點微波裝備主要採用C波段(4.0- 8.0GHz)和X波段(8-12 GHz)裝置進行點對點的高頻寬組網傳輸◕✘·,在實際應用當中◕✘·,充當幹線鏈路傳輸的作用↟↟☁。在一定的範圍內骨幹網裝置可提供100--600Mbps是資料傳輸速率↟↟☁。


3₪☁▩、自組網通訊裝置

主要採用mesh組網架構設計◕✘·,裝置頻段選擇可以支援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◕✘·,不需要中心閘道器◕✘·,任意一臺均可實現自組網路功能◕✘·,在群組內任意一臺裝置掉線◕✘·,在有效的天線覆蓋範圍內均會有對應的裝置繼續通訊◕✘·,保證網路不掉線↟↟☁。在實際應用當中◕✘·,我們可以採用環狀網路設計而不用擔心環網堵塞的問題↟↟☁。


系統主要特徵↟•│◕:

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◕✘·,單一頻點支援具備TDD雙向通訊◕✘·,頻率管理簡單◕✘·,頻譜利用率高↟↟☁。任意節點裝置在網路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訊網路設施(如光纖₪☁▩、銅纜等)◕✘·,可迅速建立無線通訊網路↟↟☁。所有無中心同頻自組網裝置◕✘·,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◕✘·,相互之間實時通訊↟↟☁。

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援 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通道質量₪☁▩、資料業務速率₪☁▩、誤位元速率等各項指標◕✘·,隨著拓撲結構變化資訊◕✘·,自動重新計算多個節點之間的路由關係並快速生成新的路由表◕✘·,網路拓撲隨之實時更新↟↟☁。此時◕✘·,語音₪☁▩、資料和影片業務不會因系統拓撲結構變化而受影響↟↟☁。

快速入網

節點在開機上電後即可“秒級”註冊組網◕✘·,簡單實用↟↟☁。保證系統節點在脫網後重新入網時◕✘·,能夠迅速建立通訊↟↟☁。如下所示◕✘·,單兵 4 由於移動造成脫網◕✘·,當其向已有網路靠近時◕✘·,可重新迅速入網↟↟☁。

圖片1.jpg

(圖片人員為騰遠智拓工作人員拍攝模型)

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◕✘·,由於單兵移動◕✘·,網路拓撲結構發生變化至時◕✘·,系統能快速響應拓撲結構變化◕✘·,並迅速重新構建路由系統◕✘·,保障資訊暢通↟↟☁。

圖片2.jpg

智慧路由選擇

MESH 無線自組網如果發生某條最優路徑鏈路剩餘頻寬不夠◕✘·,可自動選擇次優進行資訊傳輸↟↟☁。如下圖左所示◕✘·,當實線無線鏈路被佔滿◕✘·,最左邊單兵要發起業務給最右邊單兵時◕✘·,可透過右圖所示上邊的鏈路建立傳輸路徑↟↟☁。

圖片3.jpg

多小組快速合併

如下圖所示◕✘·,7 人小組由於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訊↟↟☁。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訊◕✘·,新的網路拓撲不影響原有業務傳輸↟↟☁。

圖片4.jpg

任意網路拓撲結構

MESH 無線自組網系統支援任意網路拓撲結構◕✘·,如點對多點₪☁▩、鏈狀中繼₪☁▩、網狀網路及混合網路等↟↟☁。如下圖所示為在MESH終端系統軟體上顯示的各種應用過的多種網路拓撲結構圖↟↟☁。

高資料頻寬快速移動

高資料頻寬快速移動

MESH 無線自組網系統的峰值資料頻寬為 56Mbps(基於20MHz載波頻寬)↟↟☁。節點具備非固定移動傳輸能力◕✘·,且快速移動也不影響高資料頻寬業務◕✘·,如語音₪☁▩、資料和影片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

透過外接濾波器◕✘·,有效抑制帶外諧波干擾◕✘·,提高訊號的抗干擾性及信噪比↟↟☁。同時◕✘·,採用ARQ(自動重傳請求)傳輸機制◕✘·,降低資料傳輸丟失率◕✘·,提升資料傳輸可靠性↟↟☁。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定中心頻點◕✘·,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◕✘·,且支援自動無線中繼傳輸◕✘·,系統內所有節點支援多跳中繼(接力)通訊◕✘·,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₪☁▩、建築高層或縱深₪☁▩、地下室₪☁▩、地鐵₪☁▩、隧道等傳統無線電裝置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)₪☁▩、地表與地下通訊等需求場景◕✘·,可憑藉卓越的繞射反射多徑傳輸及穿透能力◕✘·,再依託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裝置故障時不影響整個網路的使用↟↟☁。無線 MESH 網路是一個網狀組網結構◕✘·,因而當網路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◕✘·,透過其他節點並選擇最佳的傳輸路徑進行中繼傳輸◕✘·,整個網路仍可自愈正常工作◕✘·,這極大地提升了無線 MESH 網路的容災可靠性◕✘·,同時具有較好的容錯效能↟↟☁。

安全保密性

系統透過設定工作頻點◕✘·,載波頻寬₪☁▩、擾碼(即 MESHID)₪☁▩、通訊距離及組網模式等“多把鎖”的編組加密◕✘·,可有效防止非法使用者入侵網路◕✘·,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◕✘·,空口傳輸採用 64bit 金鑰◕✘·,可動態生成加擾序列◕✘·,實現通道加密◕✘·,確保資訊傳輸的高度安全;此外◕✘·,系統還支援DES/AES128/AES256(可選配)的信源加密↟↟☁。

全IP組網互聯互通

MESH 無線自組網系統採用全 IP 的設計理念◕✘·,目前支援各種資料的無差異化透傳◕✘·,易於與其他異構通訊系統(如公網₪☁▩、專網₪☁▩、衛通及微波等)互聯互通◕✘·,實現多媒體業務實時互動↟↟☁。

支援多種業務

MESH 無線自組網系統支援語音₪☁▩、影象₪☁▩、資料和定位資訊(GPS/北斗)的實時傳輸↟↟☁。所有節點均可與控制終端配合使用◕✘·,透過配置的 MESH 自組網終端系統軟體實現各種管理排程功能↟↟☁。也可利用 MESH 自組網終端系統軟體配置的移動互動平臺與手機終端進行實時業務傳輸↟↟☁。


關鍵字↟•│◕:海上無線自組網  海上無線通訊方案  
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