寬帶衛(wèi)星通信在小型海島通信中的應(yīng)用研究

林 睿，徐軼群

(集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

寬帶衛(wèi)星通信在小型海島通信中的應(yīng)用研究

林 睿，徐軼群

(集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

隨著國力的增強，我國對于海洋海島的開發(fā)成為必然，海島通信的重要性凸顯。大型島嶼一般使用海底光纜作為主要的通信手段。而對于小型島嶼來說，其具有成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、工期長等劣勢。因而小型島嶼需要一種低成本、快速且容易部署的通信方式，寬帶衛(wèi)星通信能夠滿足要求。主要介紹了寬帶衛(wèi)星通信的概念、主要技術(shù)，分析了寬帶衛(wèi)星通信在海島通信領(lǐng)域的現(xiàn)狀，提出了基于寬帶衛(wèi)星和WiFi的適用于小型海島的無線接入系統(tǒng)。系統(tǒng)能為小型海島上的人員提供無線接入、語音通話等服務(wù)。本系統(tǒng)將大大減少部署小型海島通信的成本，提高建設(shè)小型海島通信網(wǎng)絡(luò)的效率。最后，嘗試分析海島通信的未來發(fā)展。

寬帶衛(wèi)星通信；小型海島；無線接入系統(tǒng)；WiFi

0 引言

寬帶衛(wèi)星通信作為衛(wèi)星通信領(lǐng)域新的發(fā)展方向,其主要目標(biāo)是改變傳統(tǒng)衛(wèi)星通信傳輸速率低的缺陷，為多媒體和高數(shù)據(jù)速率的Internet應(yīng)用提供一種無所不在的通信方式[1]。實際上,寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)是為了提供個人電信服務(wù),其承載的業(yè)務(wù)由低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及話音業(yè)務(wù)變?yōu)镮nternet和多媒體業(yè)務(wù)。在寬帶衛(wèi)星通信領(lǐng)域,靜止軌道衛(wèi)星仍扮演著十分重要的角色,目前約有20個Ka、Ku波段的低軌道衛(wèi)星(LEO)、中軌道衛(wèi)星(MEO)和靜止軌道衛(wèi)星(GEO)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。寬帶衛(wèi)星技術(shù)中，較先發(fā)展的是VSAT(Very Small Aperture Terminal)，于20世紀(jì)80年代最先在美國興起，是30多年來衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展方向。IPSTAR作為最新一代的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢就是低成本和高帶寬。IPSTAR是中國衛(wèi)星通信集團(tuán)公司與泰國信衛(wèi)星大眾有限公司(ShinSatellitePLC，簡稱SSA)合作，為滿足我國寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求所推出的低成本、高容量寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)。

值得注意的是，寬帶衛(wèi)星通信具有三大優(yōu)勢：對于具有廣播、組播或多播性質(zhì)的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，衛(wèi)星具有極大的優(yōu)越性[2]；寬帶衛(wèi)星相對于地面光纖來說，其部署方式在某些臨時、應(yīng)急的場景下的應(yīng)用具有較大優(yōu)勢；同時，在開發(fā)新的應(yīng)用場景時，能夠展現(xiàn)其快速性與便利性的優(yōu)勢。如今，智能手機的無線接入技術(shù)WiFi很有潛力成為寬帶衛(wèi)星對于“最后一公里”最好的解決方案之一，它可以輔助手機基站和光纖，對基站覆蓋不到的地方也可以進(jìn)行有效的補充，使得手機傳遞廣播、組播和多播信息更加方便。因此，本文將著重研究并實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信利用WiFi技術(shù)無線接入智能手機等智能終端的無線接入系統(tǒng)。

1 寬帶衛(wèi)星通信在海島領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

海島是重要的海上國土,是海洋資源開發(fā)和利用的基地,由于具有特殊的價值成為沿海各國爭奪的焦點。隨著國際社會對于海權(quán)的意識增加，海島已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的熱點、焦點。強化海島管理,發(fā)展海島經(jīng)濟(jì)己經(jīng)成為未來沿海各國的重要發(fā)展方向[3]。因此，關(guān)于海島通信建設(shè)的需求隨之而來且越發(fā)重要。一方面，對于以養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)為主的海島，其對于通信的需求體現(xiàn)在對于養(yǎng)殖、捕魚數(shù)據(jù)的收集等方面。傳統(tǒng)的海島養(yǎng)殖和捕魚業(yè)需要登島來采集數(shù)據(jù)，這就大大增加了成本。另一方面，對于以旅游業(yè)為主的海島，其大量旅客對于個人通信的需求以及通信質(zhì)量的要求很高，而一些熱門的海島旅客數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通信系統(tǒng)的承載量，使得旅客的通信質(zhì)量大幅下降。最后，對于以檢測海洋環(huán)境為主的海島，通信更是其中最重要的環(huán)節(jié)，海洋環(huán)境變化多端，如果不能及時地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥懙乇O(jiān)控中心，對于海洋環(huán)境的檢測將失去意義。

海島通信對于信息的承載量有一定要求，而傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的帶寬有限難以滿足需求，因而海島通信多以海底光纜為主，但海底光纜工程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其要求系統(tǒng)可靠，使用壽命長，并能在復(fù)雜海底環(huán)境下進(jìn)行信息傳輸，成本較高[4]。對于一些小型海島，建設(shè)海底光纜是不切實際的。

寬帶衛(wèi)星由于其在廣播和布置上的優(yōu)勢，相對于光纖和移動通信更加適合應(yīng)用于小型海島通信領(lǐng)域。如我國南海的各群島之間基本上都是通過海底光纜連接，但整個南海有幾百座島，如果每一座島都通過光纜通信，則成本太高、維護(hù)困難并且靈活性差。而隨著新的低成本的寬帶衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)在海島通信領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。

2 基于寬帶衛(wèi)星通信和WiFi技術(shù)的小型海島無線接入系統(tǒng)

基于寬帶衛(wèi)星通信和WiFi技術(shù)的小型海島無線接入系統(tǒng)是為了解決小型海島的通信設(shè)備部署困難的問題。同時，隨著手機等信息終端的高速發(fā)展和普及，人們對于手機等信息終端的依賴性逐漸增強。本系統(tǒng)利用寬帶衛(wèi)星服務(wù)，在海島上通過相關(guān)接口技術(shù)將寬帶衛(wèi)星信號通過WiFi接入智能手機，使得海島上的人們能夠方便地通過手機等信息終端使用寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。同時，考慮采用一體化的系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)快速安裝使用。

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于寬帶衛(wèi)星和WiFi無線技術(shù)的海島通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要由三大模塊與服務(wù)器組成，三大模塊分別是衛(wèi)星通信模塊、無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊和供電模塊。衛(wèi)星通信模塊主要功能為接收和發(fā)送衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信號，其主要由衛(wèi)星天線和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器組成，流量經(jīng)由服務(wù)器表達(dá)轉(zhuǎn)給無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊。無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊由WiFi路由器、工業(yè)控制計算機和客戶信息終端組成。工業(yè)控制計算機主要負(fù)責(zé)智能流量管理，充分利用有限的流量，實現(xiàn)盡可能多的用戶接入。供電模塊主要由UPS(不間斷電源)和太陽能電池組成，主要保障系統(tǒng)用電及應(yīng)急用電。

2.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

基于寬帶衛(wèi)星和WiFi無線技術(shù)的海島通信系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由客戶層、交互層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層組成。用戶可以通過手機終端通過驗證實現(xiàn)無線上網(wǎng)，也可安裝各種傳感器來實現(xiàn)遠(yuǎn)程的海島管理，如氣溫、水溫等水文氣象數(shù)據(jù)，監(jiān)控視頻、通信站內(nèi)部的各種安全參數(shù)的監(jiān)控也都可以通過手機終端實現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2.1 交互層

用戶使用手機等信息終端，通過WiFi無線信號連入服務(wù)器。信息終端將自動訪問Web Portal網(wǎng)頁認(rèn)證服務(wù)器[5]，用戶注冊并輸入用戶名和密碼以通過驗證，Web Portal服務(wù)器將返回給服務(wù)器該終端通過驗證的信息，服務(wù)器的白名單將增加該信息終端的驗證信息，該信息終端即可連入互聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)將推薦基于寬帶衛(wèi)星和WiFi無線技術(shù)的海島通信系統(tǒng)的軟件——“海島通”，用戶下載安裝海島通后即可使用方便快捷的語音通話功能。

2.2.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要實現(xiàn)三大功能：用戶信息管理、語音應(yīng)用和智能流量管理。用戶通過Web Portal注冊的信息將被加密保存在用戶信息服務(wù)器中，使得用戶只要注冊一次，就能在任何裝有本系統(tǒng)的海島上享受服務(wù)。語音應(yīng)用主要使用VoIP(Voice over Internet Protocol)協(xié)議[6]，可實現(xiàn)手機通信終端與陸上通信終端的雙向、實時、保質(zhì)的語音傳輸。當(dāng)有語音傳輸需求時，由手機端app發(fā)出語音請求，并向服務(wù)器申請相應(yīng)帶寬，通過衛(wèi)星實時傳輸至陸上地面站，利用IP通道實現(xiàn)海島人員的語音溝通。智能流量管理主要是在小帶寬下的語音排隊管理，如本系統(tǒng)正常情況下可以滿足約20人同時進(jìn)行語音通話，那么通過合理的用戶行為分析，忙時和閑時語音通話質(zhì)量的調(diào)整，則可以增加同時通話的用戶數(shù)量。并且增加排隊制度，無語音通話的信息終端不占用語音帶寬，這樣基本可以滿足100位客戶的正常語音通話，這對于海島來說是非?？捎^的服務(wù)數(shù)量。

2.2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要由數(shù)據(jù)庫組成，用來管理數(shù)據(jù)、利用數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)重要的組成部分之一。本系統(tǒng)主要由用戶服務(wù)數(shù)據(jù)庫和語音行為數(shù)據(jù)庫組成，前者主要儲存驗證Web Portal的文件和包，同時存儲用戶信息，并對用戶信息進(jìn)行加密以保證信息安全；后者主要存儲用戶使用語音的行為習(xí)慣，包括每次語音通話時長、語音通話的時刻等，可分析得出用戶的使用習(xí)慣，以提高語音通話服務(wù)質(zhì)量。

3 海島通信的未來發(fā)展

海島通信作為海洋海事通信的一部分，其發(fā)展是相對落后的，技術(shù)是比較傳統(tǒng)的。做好海島通信是國家對于“互聯(lián)網(wǎng)+海洋”戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)[7]。發(fā)展海島通信，必須要注重其實際情況，要因地制宜，對于面積稍小的海島應(yīng)注重衛(wèi)星通信所具有的無縫隙覆蓋能力、移動化、不受地理條件限制的便利性，重點發(fā)展寬帶衛(wèi)星通信；而對于面積較大的海島應(yīng)以“光纜通信為主，寬帶衛(wèi)星通信為輔”的思想來建設(shè)，充分發(fā)揮光纜通信穩(wěn)定、快速的特點，同時利用衛(wèi)星通信做好應(yīng)急通信的任務(wù)。未來的海島通信將成為地下光纜通信、地面無線通信和衛(wèi)星通信相結(jié)合的一體化綜合信息網(wǎng)。

4 結(jié)論

本文主要介紹了寬帶衛(wèi)星和海島通信的發(fā)展現(xiàn)狀，并闡述了二者結(jié)合的可行性，重點講述了一個基于寬帶衛(wèi)星與WiFi無線技術(shù)的海島通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)將成為海島通信與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的突破口，對于海島通信的發(fā)展大有益處。從長遠(yuǎn)來看，寬帶衛(wèi)星在海島通信中的發(fā)展前景十分光明，其在海島通信中的作用將逐步顯現(xiàn)，將成為我國海島開發(fā)的重要技術(shù)之一。

[1] 陸綏熙,肖晶厚. 近期寬帶衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)展望[J]. 電信科學(xué),2003,19(2):36-39.

[2] 劉劍,黃國策,宋愛民. 寬帶衛(wèi)星通信概述[J]. 數(shù)據(jù)通信,2003(1):22-24.

[3] 王明舜. 中國海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式及其實現(xiàn)途徑研究[D].青島：中國海洋大學(xué),2009.

[4] 張文軒, 姬可理, 陸奎. 海底光纜技術(shù)發(fā)展研究[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報, 2010, 5(1):40-45.

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[7] 劉明. 陸海統(tǒng)籌與中國特色海洋強國之路[D].北京：中共中央黨校,2014.

Application of broadband satellite in small island communication

Lin Rui, Xu Yiqun

(Provincial Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering, Institute of Marine Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)

It’s gradually necessary for China to develop the sea islands industry with the continuous enhancement of our national strength. Island communication is particularly important under situation of the island’s infrastructure’s growth at a rapid pace. Large islands usually use submarine cables as the primary means of communication. However, small islands cannot use it because of high cost, high complexity and long duration of installation. So small islands need a low cost and more easy-to-install communication and broadband satellite to meet the requirements. This paper introduces the concept and main technology of broadband satellite, analyzes the application status of broadband satellite in island area, and puts forward an island communication system based on broadband satellite and WiFi (Wireless-Fidelity) applying for small islands. The system can provide wireless access, voice calls and other services for residents, researchers and so on. Also, this system, through the use of WiFi technology, improves the efficiency of broadband satellites, and reduces the cost of small island communications. Finally, the article also attempts to analyze the future development of island communications.

broadband satellite communication; small islands; wireless access; WiFi

TN927.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.020

林睿，徐軼群.寬帶衛(wèi)星通信在小型海島通信中的應(yīng)用研究[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(16)：70-72,77.

2017-02-19)

林睿(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：船舶自動控制與仿真、船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。

徐軼群(1963-)，通信作者，男，教授，主要研究方向：射頻識別、物聯(lián)網(wǎng)、船舶自動控制與仿真。E-mail：xnzh11189@163.com。