海洋科考船即時通信技術支持能力及應用研究

蘭麗茜，尹聰，路曉磊

(1.國家海洋局北海海洋技術保障中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室 青島 266033)

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海洋科考船即時通信技術支持能力及應用研究

蘭麗茜1，2，尹聰1，2，路曉磊1，2

(1.國家海洋局北海海洋技術保障中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室 青島 266033)

當今通信技術的發(fā)展和應用已滲透到人類社會的各個領域，對社會發(fā)展產生巨大影響。在海洋領域，通信技術經歷多次重大跨越，從最原始的旗語到現在的衛(wèi)星移動通信，海陸之間的聯系已經變得較為便利。但目前我國海陸即時通信技術還不夠完善，給科考船的深遠海作業(yè)帶來諸多不便，輕則影響作業(yè)進度，重則造成巨額經濟損失甚至人員傷亡。在衛(wèi)星電話、電子郵件等通信方式存在信號不穩(wěn)定、直觀性差、即時性低等弊端的情況下，研究和開發(fā)較為成熟的海陸即時通信技術極為必要。文章探討科考船在海上作業(yè)期間與陸地進行即時通信的方法和可行性，為今后這項技術的發(fā)展提供參考。

即時通信技術；海陸通信；通信模式；海洋科考

1 引言

進入21世紀以來，通信技術的發(fā)展和應用對社會產生巨大影響，網絡通信系統(tǒng)經飛速發(fā)展日漸成熟且已滲透到人類社會的各個領域。海洋和陸地之間的通信從最原始的旗語、燈光信號階段，經過無線電報、無線電話、無線電傳真時期，發(fā)展到現在的衛(wèi)星移動通信時代，海陸之間的聯系已經變得較為便利。但由于受海洋環(huán)境具有特殊性、通信技術研究起步較晚等多種因素的限制，目前我國海陸即時通信技術還不夠完善，給科考船的深遠海作業(yè)帶來諸多不便——如果信息得不到及時交流，不僅會嚴重影響作業(yè)進度，還會造成巨額經濟損失甚至人員傷亡。

在目前常用的即時通信技術中，衛(wèi)星電話成本較高，信號也不是很穩(wěn)定，在船艙中經常出現難以接通的情況，且信息直觀性不強；電子郵件存在傳輸信息公開、接收信息偶有亂碼的問題，而且溝通效率不高，必須利用電腦登錄郵箱系統(tǒng)才可以收發(fā)郵件，接收和反饋信息時間比較滯后。因此，研究和開發(fā)較為成熟的海陸即時通信技術很有必要，既可以實現船陸間高效的信息傳輸和遠程協(xié)助；又可以為船舶在海上遇到緊急情況或突發(fā)事件時提供順暢的溝通渠道，最大限度地保證人員和財產安全；還可以使科考人員在漫長航次中保持與家人、朋友的聯系，體現人文關懷，為海洋科考的順利進行提供有力保障。

2 即時通信技術的實現方式和工作流程

海洋科考船與陸地之間的即時通信技術是依靠目前最為普遍和高效的通信媒介——手機來實現的。在深遠海借助VSAT衛(wèi)星構建通信網絡，并在科考船上建立一套即時信息交流系統(tǒng)，船上和陸上人員在各自手機上安裝客戶端應用程序，通過手機之間的信息傳遞完成海陸即時通信；這種程序支持即時文字、圖片、語音傳輸以及遠程協(xié)助、資源共享等，對即時信息(Instant Message，IM)進行傳遞。即時信息既具有電話和電子郵件等通信方式的優(yōu)點，又解決這些通信方式產生的信息失真、不對稱和時效性不強等問題，收發(fā)信息更加準確及時，極大地擴展工作空間、提高工作效率[1-2]，是對傳統(tǒng)通信方式的有益補充。

該程序的工作流程采用當下技術比較成熟的手機客戶端模式。程序暫定名稱為“船陸即時通”，可在智能手機自帶的軟件商店或APP平臺中下載，下載后打開運行界面，根據界面提示注冊用戶名、設置登錄密碼完成注冊；注冊后登錄進入主界面，添加聯系人(對方手機上也應下載“船陸即時通”才能被成功添加)，建立雙方聯系；添加聯系人后就可以進入自由使用階段，雙方可以互發(fā)文字、語音、圖片等信息，信息即時可到，達到船陸之間緊密聯系的目的；隨著該項技術發(fā)展日臻成熟，客戶端軟件通過升級不斷更新和完善，使船陸之間的交流更加順暢和便利。

3 即時通信技術的工作原理

3.1 通信模式

“船陸即時通”通信系統(tǒng)是一種依靠網絡連接的即時通信技術，涉及IP/TCP、P2P、C/S、多媒體音視頻的解碼和傳送等多種技術手段，主要使用客戶/服務器(Client/Server，C/S)通信模式和對等(Peer to Peer，P2P)通信模式。C/S通信模式即服務器可同時處理多個不同客戶的請求，一個服務器可以運行多個服務器的計劃、與客戶分享他們的資源，客戶享有服務器的內容和服務功能，屬于“一對多”的形式，但每個客戶端是獨立的，客戶之間不共享任何資源；在C/S模式中，通過服務器可以互發(fā)電子郵件、訪問網站和數據庫等。P2P通信模式與C/S模式截然不同，該模式中每個主機或程序既是客戶端又是服務器且之間互相關聯，都有同等責任和地位；在對等協(xié)議下，信息在兩兩對應的網絡客戶之間傳輸，即通過互聯點的信息起始于其中一個網絡的客戶、終止于另一個網絡的客戶，兩臺主機在通信時也不必區(qū)分服務器請求方和服務提供方，只要其都運行對等連接軟件就可以平等通信。

3.2 通信模式的應用

目前大多數的即時通信系統(tǒng)都能夠進行文件和文字傳輸，有的還支持語音傳輸、視頻會議等，一般同時采用C/S和P2P兩種工作模式。文本信息通過服務器進行傳遞，即使對方用戶離線也可以向其發(fā)送信息，離線信息暫時儲存在服務器上，等對方用戶上線時服務器便將離線信息轉發(fā)過去；較大文件和多媒體信息如僅通過服務器中轉會占用大量帶寬導致網絡塞車，所以一般通過P2P工作模式在客戶端之間直接傳輸。P2P網絡中每個節(jié)點的地位都是對等的，每個節(jié)點既充當服務器為其他節(jié)點提供服務，同時也享用其他節(jié)點提供的服務[3]；服務器給每對用戶建立一個TCP/UDP通道，用戶之間利用這一通道直接交流，無需通過服務器。

“船陸即時通”結合C/S模式與P2P模式，客戶端與服務器之間采用C/S模式通信，包括注冊、登錄、獲取通信成員列表等，此后客戶端之間可以采用P2P模式自由交互信息。每一個客戶端的使用者都是平等的參與者，扮演服務使用者和服務提供者兩個角色，這種點對點的通信方式減少信息交流過程中的中轉環(huán)節(jié)，從而提高信息流通效率。

3.3 即時通信系統(tǒng)通信協(xié)議的設計

即時通信的技術協(xié)議有很多種，其中比較重要的包括:即時通信通用結構協(xié)議(CPIM)，即時通信和顯示服務通過這個協(xié)議完成即時信息系統(tǒng)中的協(xié)作；基于XML協(xié)議的Jabber協(xié)議，用于即時信息的傳輸與表示；基于Jabber協(xié)議的XMPP協(xié)議，用于流式傳輸即時信息、表示和請求；基于SIP協(xié)議的IMPLE協(xié)議，SIP是一種網際電話協(xié)議，可用于支持即時信息表示[4-5]。本文主要探討通信協(xié)議中的文字聊天協(xié)議和音視頻協(xié)議的設計。

文字聊天協(xié)議(Text Chatting Protocol Family，TCPF)主要支持客戶與客戶端節(jié)點之間的文字聊天和文件傳輸，TCPF建立在UDP協(xié)議之上。TCPF的結構類型有6類，分別是：登錄請求包，是客戶端節(jié)點向服務器發(fā)出登錄請求的數據包；登錄應答包，是服務器響應客戶端節(jié)點登錄請求的數據包；注銷登錄包，是客戶端向服務器發(fā)出注銷登錄的數據包，但服務器對這個數據包不作應答；即時消息包，是客戶端節(jié)點之間相互傳遞即時消息的數據包；文件傳輸包，是客戶端節(jié)點之間相互傳送文件的數據包；查詢信息包，是客戶端節(jié)點向服務器查詢好友信息和客戶端節(jié)點在線信息的數據包[3]。

網絡帶寬對音視頻數據的傳輸尤為重要，音視頻數據傳輸對網絡帶寬的要求比較高，只有選擇合適的音頻和視頻編碼算法并對之進行優(yōu)化，才能保證軟件的實用性[5]。隨著音頻和視頻等多媒體實時數據流傳輸技術的迅速發(fā)展，出現更加優(yōu)化的新協(xié)議，主要有實時傳輸協(xié)議RTP/RTCP、資源預留協(xié)議RRP、實時流化協(xié)議RTSP、IPv6協(xié)議等，這些協(xié)議之間互相配合，完成數據傳輸[3]。H.323協(xié)議基于RTP協(xié)議之上建立，是一套在分組網上提供實時音頻、視頻和數據通信的標準，是國際電信聯盟遠程通信標準化組織(ITU-T)制定的在各種網絡上提供多媒體通信的系列協(xié)議H.32x的一部分[6]，現階段普遍認為H.323協(xié)議是目前在分組網上支持音頻、視頻和數據業(yè)務最成熟的協(xié)議。H.323協(xié)議的功能有視頻編碼(完成對視頻碼流的冗余壓縮編碼)、音頻編碼(完成語音信號編碼)、控制單元(提供端與端之間的信令，保證H.323 終端正常通信)和H.225層(將視頻、音頻、控制等數據格式化并發(fā)送，同時從網絡接收數據)。

3.4 網絡接入技術的應用

海洋科考船一般在深遠海作業(yè)，由于受地理環(huán)境所限，海上不可能像陸上那樣建設通信基站從而提供寬帶上網和蜂窩移動通信服務。由于“船陸即時通”需要借助網絡進行即時通信，這就要求利用衛(wèi)星進行數據傳輸，VSAT衛(wèi)星通信技術可以很好地為該系統(tǒng)服務。和其他海上衛(wèi)星通信技術相比(如最普及的Inmarsat系統(tǒng))，VSAT系統(tǒng)覆蓋面大、傳輸距離廣、成本較低，便于與岸站進行網絡連接，可以實現實時點到點、點到面通信，且其Ku頻段波段比銥星系統(tǒng)、蘇亞拉系統(tǒng)工作L頻段寬[7]。VSAT系統(tǒng)數據傳輸方便，音頻和視頻都可以進行編碼壓縮，實現TCP/IP傳輸；音頻和視頻信號首先被轉化為IP信號，通過VSAT設備傳輸到衛(wèi)星中央站，從而形成船舶與陸地之間的通信鏈路。另外，衛(wèi)星通信帶寬可按需分配，帶寬較之前的海事衛(wèi)星大很多，最多可達幾十兆，大大提升數據傳輸能力[8]，方便船舶之間和船陸之間任意的數據傳輸，也使應用依靠網絡傳輸信息的即時通信軟件變?yōu)榭赡埽蔀槲覀冊O想的“船陸即時通”在海上廣泛使用提供可靠保障。

4 船陸之間即時通信系統(tǒng)的應用優(yōu)勢

利用“船陸即時通”可以進行科考遠程技術指導、音視頻傳輸、船岸醫(yī)療協(xié)作、船舶設備遠程維護、人員聯系交流等。同樣是即時通信系統(tǒng)，“船陸即時通”與目前普遍使用的微信和QQ等軟件相比具有自己的特點和優(yōu)勢。

(1)由于地理環(huán)境和網絡制約，系統(tǒng)摒棄一些冗長復雜的功能，僅保留最經濟實用的項目，以最精簡的模式運行，目的是減少運行內存占用量、提高運行速度，使信息傳遞更加高效、流暢。

(2)船舶航行時海圖和位置信息尤其重要，而傳統(tǒng)紙質海圖或有些電子海圖不具備實時更新的能力，無法隨時獲取最新航路信息，系統(tǒng)綁定的地圖軟件具有實時定位功能，可以隨時報告航線情況，提高航運效率。

(3)系統(tǒng)內置SOS快捷鍵項，專為海上科考作業(yè)船舶設計，在遇到險情時使用系統(tǒng)界面中的SOS鍵迅速將位置信息發(fā)出，第一時間求助于陸地或附近作業(yè)船舶，為緊急救援贏得時間。

5 小結

本項目擬開發(fā)的即時通信系統(tǒng)以當今社會使用頻度最高、最普及的聯系工具——手機為載體，是應用于海洋領域的即時通信技術，目的是改變海上通信不暢、效率較低的現狀。該系統(tǒng)具有通信成本低、信息傳輸流暢、直觀性強、即時傳輸等優(yōu)點，并獨有實時海圖更新及SOS搜救功能，是海陸通信技術的重要革新。鑒于這是第一代船陸即時通信系統(tǒng)，需要改進和提升的地方還有很多，如信息傳輸安全和質量等，但其為海陸即時通信技術發(fā)展開拓全新視野，具有廣闊的開發(fā)和應用前景。

[1] 宋國龍.淺談即時通信軟件的開發(fā)技術[J].山西電子技術，2003，15(2)：13-15.

[2] 關峪.基于 P2P 技術的即時通信系統(tǒng)研究與實現[D].北京：北方交通大學，2007.

[3] 李永明.基于P2P的即時通信系統(tǒng)的研究[J].計算機與現代化，2009，168(8)：34-39.

[4] 李遠杰，劉渭峰，張玉清.主流即時通軟件通信協(xié)議分析[J].計算機應用技術，2005，18(7)：243-250.

[5] 王海濤，付鷹.即時通信：原理、技術和應用[J].信息通信技術，2010，14(3)：34-40.

[6] 姚志恒，田棟，沈蘭蓀.基于H_263的實時視頻編碼技術研究[J].電路與系統(tǒng)學報，2002，7(3)：104-107.

[7] 徐土木.中國VSAT通信市場現狀與發(fā)展趨勢[J].數字信息世界，2006，6(7)：26-34.

[8] 黃錦鵬.基于VSAT的海船通信系統(tǒng)模型研究[D].大連：大連海事大學，2014.

The Support Capacity and Application of Real Time Technology for Oceanographic Research Vessel

LAN Liqian1，2，YIN Cong1，2，LU Xiaolei1，2

(1.North China Sea Marine Technical Support Center，State Oceanic Administration ，Qingdao 266033，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266033，China)

Nowadays the Development and Application of communication technology has permeated in nearly every aspect of human society，and has had a strong impact on social development.In the oceanographic field，communication technology has undergone a momentous leap，from the primitive flag signals to the current satellite mobile communication，which has facilitated the connection between land and sea.However，sea-land real time communication technology is not perfect enough in China，which has brought much inconvenience to deep sea survey，ranging from working process delayed to economical loss and even casualty.With the drawbacks such as unstable signal，low intuition and poor real time property，it is very necessary to research and develop more advanced land-sea real time communication technology.This paper discussed the method and feasibility of real-time communication between oceanographic vessel and land，and provided reference for future development of this technology.

Real-time communication technology，Sea-land communication，Communication mode，Marine survey

2016-01-28；

2016-06-05

蘭麗茜，工程師，碩士研究生，研究方向為海洋高新技術、海洋項目管理，電子信箱：happy431015@163.com

P7；U66

A

1005-9857(2016)07-0102-04