一體化海上異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

張寶珍 高志峰

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

（2.中國電建集團(tuán)河北工程有限公司 河北省石家莊市 050021）

1 引言

20 世紀(jì)以來，從電纜到光纜、有線到無線、模擬到數(shù)字、1G 到5G，陸地通信取得了日新月異的變化。然而，在浩瀚的海洋上，由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變、海上施工困難等諸多原因，海洋通信發(fā)展明顯滯后于陸地通信。隨著我國海路對外貿(mào)易規(guī)模的快速增長、海洋產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展、“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)實(shí)施、我國東海南海主權(quán)維護(hù)活動的日益常態(tài)化，各種海洋自然災(zāi)害和海上突發(fā)事件給海洋交通、海洋運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、海洋旅游等海洋經(jīng)濟(jì)和海洋生產(chǎn)活動產(chǎn)生的危害日益顯現(xiàn)，面向我國海上活動的通信保障能力亟待加強(qiáng)。

常規(guī)的海洋通信網(wǎng)絡(luò)主要包括海上無線通信系統(tǒng)、海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)和基于陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)的岸基移動通信系統(tǒng)。由于這些通信系統(tǒng)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(qū)、缺乏高效統(tǒng)一的管理機(jī)制，常規(guī)海洋通信網(wǎng)絡(luò)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(fā)與探索向縱深發(fā)展的重大瓶頸。因此，必須充分調(diào)研我國海洋通信的發(fā)展現(xiàn)狀，了解世界先進(jìn)海洋通信技術(shù)，探索與我國海洋環(huán)境相一致的海上信道模型，開發(fā)適合我國國情的海洋通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最終構(gòu)建一個高速率、高可靠、全覆蓋、易管理、低成本的新型海上通信平臺。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

海上通信平臺承擔(dān)多項(xiàng)傳輸任務(wù)，采集信息具有多元化特征，因此平臺配置了多種通信手段，包括寬帶通信和窄帶通信手段。另外，海上平臺大小不一，載荷能力強(qiáng)弱不同，因此每種平臺上配置的通信手段數(shù)量、種類也不相同。

平臺利用光纖、衛(wèi)通（寬帶）、天通衛(wèi)星移動、散射、短波、北斗等通信手段，以通信自組織網(wǎng)為設(shè)計(jì)思想，形成基于IP的海洋異構(gòu)自組織綜合通信網(wǎng)主體架構(gòu)，逐步構(gòu)建海上通信保障體系，提供海上船-船、船-島、船-岸、船-浮臺、岸-島、岸-浮臺、島-島之間的寬、窄帶通信能力，局域支持語音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等形式的綜合信息服務(wù)，同時可將獲取的數(shù)據(jù)及處理成果通過地面專網(wǎng)傳送至業(yè)務(wù)中心。

系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示。

圖1： 海上通信平臺組成示意圖

系統(tǒng)中集成了當(dāng)前應(yīng)用較為成熟的通信手段，如Ku 頻段衛(wèi)星通信、短波通信、北斗通信等，不同的通信方式之間通常采用不同技術(shù)體制，如采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、調(diào)制方式、頻率范圍等。信息系統(tǒng)在面向各物理子系統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)（用戶）提供信息傳送服務(wù)時，為了屏蔽各通信體制間的異構(gòu)，降低用戶業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息傳送的復(fù)雜度，需在異構(gòu)傳送網(wǎng)絡(luò)之上通過綜合路由與接口轉(zhuǎn)換構(gòu)建面向用戶的基于IP 的海洋異構(gòu)自組織綜合通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 系統(tǒng)功能

信息系統(tǒng)主要具備以下功能：

（1）支持寬、窄帶鏈路自動切換及鏈路備份功能；

（2）支持常規(guī)寬帶通信傳輸及窄帶應(yīng)保障通信傳輸，保障系統(tǒng)內(nèi)各個物理子系統(tǒng)在常態(tài)下的大數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)急保障狀態(tài)下的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸功能；

（3）支持與公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，保障系統(tǒng)傳送網(wǎng)絡(luò)用戶與公網(wǎng)用戶之間的多媒體業(yè)務(wù)；支持基于VOIP 的數(shù)字話音、短波等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；

（4）支持信息傳送網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的衛(wèi)通用戶、短波用戶、天通用戶的隨機(jī)接入；

（5）具備網(wǎng)絡(luò)配置管理、性能管理、故障管理、安全管理、業(yè)務(wù)管理、頻率管理、系統(tǒng)管理等功能；

（6）支持用戶身份認(rèn)證提供一定的安全防護(hù)能力。

3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 衛(wèi)星通信網(wǎng)

衛(wèi)星通信網(wǎng)由一個中心站和若干遠(yuǎn)端站組成，中心部署在海南，遠(yuǎn)端站部署在島礁、浮臺、試驗(yàn)船、漁船等各類海上平臺。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)和廣播業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫W(wǎng)狀網(wǎng)，帶寬可按需分配；廣播業(yè)務(wù)模式是以中心站為中心的星狀網(wǎng)。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2： 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

星狀網(wǎng)絡(luò)，由中心站與各平臺站相互連接組成。在星型網(wǎng)絡(luò)中，各遠(yuǎn)端平臺站都與中心站傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，各遠(yuǎn)端平臺站之間則不能直接通信；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，各遠(yuǎn)端平臺站相互連接組成，每個地球站皆可通過衛(wèi)星進(jìn)行通信。

3.2 天通衛(wèi)星移動通信網(wǎng)

基于我國“天通一號”自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)，主要由天通移動通信衛(wèi)星、信關(guān)站、船載終端、平板終端以及手持終端和應(yīng)用服務(wù)中心組成。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)利用天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，主要完成岸船間數(shù)據(jù)傳輸、話音及短信等功能。本論文配置船載終端、平板終端以及手持終端，為信息系統(tǒng)提供應(yīng)急備用通信服務(wù)。

3.3 散射通信網(wǎng)

對流層散射是一種超視距微波通信，利用大氣對流層的不均勻性對電波的前向散射作用實(shí)現(xiàn)信號的單跳百公里、數(shù)百公里的超視距傳播，以點(diǎn)對點(diǎn)方式提供通信鏈路，因此對流層散射通信以各自獨(dú)立的若干條點(diǎn)對點(diǎn)鏈路方式提供。

海上對流層散射傳輸信道條件較好，其優(yōu)勢是無需轉(zhuǎn)發(fā)器資源，信道天然存在無需付費(fèi)，因此海上鏈路應(yīng)優(yōu)先考慮采用該種通信方式；另外，對流層散射傳輸信道在降雨條件下優(yōu)于非降雨條件，因此不存在雨衰。

3.4 LTE接入網(wǎng)

為實(shí)現(xiàn)海上業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的獨(dú)立交換及海上用戶同公眾網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，建設(shè)專用的核心網(wǎng)與接入網(wǎng)絡(luò)，通過與公網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接口提供專網(wǎng)與公網(wǎng)的互聯(lián)互通。

“專網(wǎng)”用戶采用專用的安全協(xié)議以保證用戶的特殊安全需求，從而支持不同等級用戶的區(qū)分和相應(yīng)業(yè)務(wù)的提供。同時還支持公網(wǎng)用戶漫游到專網(wǎng)中，專網(wǎng)可以為其提供漫游服務(wù)。

為支持公網(wǎng)用戶漫游到專網(wǎng)中還能享受專網(wǎng)服務(wù)，需要移動運(yùn)營商簽訂漫游合約、開放對應(yīng)核心端口，為支持不同等級安全保密需求，需要給不同等級用戶分發(fā)對應(yīng)的USIM卡，以支持業(yè)務(wù)呼叫時核心網(wǎng)設(shè)備采取不同的加解密操作。

根據(jù)應(yīng)用場景，系統(tǒng)在岸基、島礁、浮臺、綜合試驗(yàn)船等物理平臺均部署了LTE 接入網(wǎng)設(shè)備，保障平臺之間互通及平臺與公網(wǎng)互通。岸基、島礁、浮臺、綜合試驗(yàn)船等節(jié)點(diǎn)部署了LTE 基站接入網(wǎng)和EPC 核心網(wǎng)設(shè)備，支持專網(wǎng)LTE接入。LTE 接入網(wǎng)支持專網(wǎng)內(nèi)用戶間以及專網(wǎng)和公網(wǎng)間的話音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時還支持公網(wǎng)用戶漫游到專網(wǎng)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

3.5 短波接入網(wǎng)

短波接入網(wǎng)依托有無線寬帶傳輸鏈路，采用分布式控制的單區(qū)多基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將示范系統(tǒng)各短波接入站互連，通過短波信道將試驗(yàn)船、島礁、浮臺接入短波網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)互通，是一種面向連接的非對等網(wǎng)絡(luò)。其信令系統(tǒng)采用隨路信令模式，短波接入信道為多用戶共享，信道數(shù)量可根據(jù)短波接入網(wǎng)用戶總數(shù)靈活設(shè)置，允許存在一定的呼損概率，實(shí)現(xiàn)島礁、浮臺、綜合試驗(yàn)船等平臺的“自適應(yīng)多點(diǎn)選擇接入”。

4 綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

信息系統(tǒng)中各通信節(jié)點(diǎn)間路由與交換采用全I(xiàn)P 體制，信息接入部分根據(jù)業(yè)務(wù)類型和通信方式進(jìn)行適配，寬帶信道采用IP 傳輸，窄帶信道通過綜合路由/網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。全部的路由和交換任務(wù)由綜合路由/網(wǎng)關(guān)設(shè)備完成，可用于話音、數(shù)據(jù)、視頻等綜合業(yè)務(wù)的交換和轉(zhuǎn)發(fā)。綜合路由/網(wǎng)關(guān)設(shè)備按其功能可分為節(jié)點(diǎn)設(shè)備和用戶設(shè)備。節(jié)點(diǎn)設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)干線網(wǎng)與地面網(wǎng)、干線網(wǎng)與接入網(wǎng)之間的連接；用戶設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)用戶、終端與干線網(wǎng)的連接。

4.1 總體設(shè)計(jì)

綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備是整個信息系統(tǒng)的核心設(shè)備，可以將寬帶鏈路（如衛(wèi)通、散射和光纖等傳輸手段）和窄帶鏈路（短波和北斗等傳輸手段）進(jìn)行集成，在寬帶鏈路不能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭_(dá)目的地時，使用短波或者北斗窄帶信道將數(shù)據(jù)傳輸至目的地，以實(shí)現(xiàn)信息的可靠傳送。

應(yīng)用場景邏輯框圖如圖3 所示。

圖3： 綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備應(yīng)用場景邏輯圖

4.2 主要功能

綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備的主要功能如下：

（1）通信鏈路的選擇和控制：重要路由進(jìn)行多種手段的備份，根據(jù)信道傳輸質(zhì)量和帶寬自動選擇通信鏈路，保證信息的可靠傳輸；

（2）路由交換功能；

（3）網(wǎng)關(guān)功能：具有將IP 報文轉(zhuǎn)換成適合于窄帶信道傳輸?shù)墓δ埽?/p>

（4）管理代理：收集本地通信鏈路的信息并上報至物理平臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)和通信網(wǎng)管；

（5）多通信設(shè)備接口適配：能夠適應(yīng)多種傳輸設(shè)備接口，包括散射、衛(wèi)星、光纖、短波電臺、北斗、公網(wǎng)等。

4.3 工作流程

IP 路由能力由常規(guī)IP 路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)，綜合路由網(wǎng)關(guān)的重點(diǎn)是提供IP 系統(tǒng)與短波、北斗等窄帶系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換能力。具體工作流程如下：

（1）以部署綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備的位置稱為本地，且綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備具備一個本地IP 地址；本地任務(wù)系統(tǒng)在發(fā)送窄帶報文時，以本地綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備的IP 地址為目的IP 地址構(gòu)造報文；窄帶報文去除IP 封裝的應(yīng)用報文中包含目的站點(diǎn)地址（站點(diǎn)編號）信息；

（2）本地綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備收到窄帶報文，進(jìn)行解析，獲取目的站點(diǎn)地址信息，將該地址信息按短波系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)的尋址規(guī)則進(jìn)行變換，目的是使變換后的報文可在短波或北斗系統(tǒng)中可靠傳送到信宿；

（3）變換后的報文以短波或北斗系統(tǒng)的接口協(xié)議交給短波或北斗系統(tǒng)，由其傳送到目的站點(diǎn)；目的站點(diǎn)的短波或北斗將收到的報文以事先約定的規(guī)則交給目的地本地綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備，進(jìn)行與發(fā)送相逆的變換，構(gòu)造IP 報文時以目的地本地任務(wù)系統(tǒng)的IP 地址為目的地址。

4.4 工程化設(shè)計(jì)

綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備由電源、路由交換單元和核心管理單元組成。

設(shè)備組成框圖如圖4 所示。

圖4： 綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成框圖

綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送至路由交換單元之后，路由交換單元根據(jù)事先建立好的路由表，將寬帶信息自動進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)至目的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并將窄帶業(yè)務(wù)發(fā)送至本地核心管理單元，本地核心管理單元將窄帶信息進(jìn)行解析之后，根據(jù)當(dāng)前當(dāng)前短波和北斗鏈路的通斷情況，對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新打包之后，用短波或者北斗信道轉(zhuǎn)發(fā)至目的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)管設(shè)備的核心管理單元，目的核心管理單元將數(shù)據(jù)解析之后，按照綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式要求重新打包之后，發(fā)送至目的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

5 綜合通信網(wǎng)管設(shè)計(jì)

5.1 總體設(shè)計(jì)

綜合通信網(wǎng)管主要用于信息系統(tǒng)中短波、衛(wèi)通、北斗、LTE、微波等的傳輸鏈路及通信設(shè)備的監(jiān)視和管理，及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或通信設(shè)備故障或異常，保障網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行和服務(wù)。

綜合通信網(wǎng)管軟件采用B/S 架構(gòu)，運(yùn)行在綜合通信網(wǎng)管服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)拓?fù)涔芾怼⒐收瞎芾?、性能管理、安全管理、配置管理等功能?/p>

綜合通信網(wǎng)管的主要功能如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)資源管理：主要用于管理維護(hù)衛(wèi)通、散射、短波、LTE 等信息系統(tǒng)的各類資源信息，提供各類資源數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)服務(wù)；

（2）網(wǎng)絡(luò)綜合態(tài)勢監(jiān)視：提供圖形化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)視界面，能夠?qū)崟r監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)綜合運(yùn)行狀況，并將監(jiān)測結(jié)果及時更新到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中，確保各通信節(jié)點(diǎn)、通信設(shè)備均在有效的監(jiān)控之下，并能根據(jù)通信鏈路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視；

（3）故障管理：主要實(shí)現(xiàn)對海洋綜合信息傳送示范網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備告警和故障信息的采集與綜合呈現(xiàn)、查詢統(tǒng)計(jì)功能；

（4）網(wǎng)絡(luò)配置管理：主要實(shí)現(xiàn)針對重要通信設(shè)備重要參數(shù)的查詢和顯示功能。

（5）網(wǎng)管用戶管理：主要提供網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的用戶管理功能。

5.2 工程化設(shè)計(jì)

5.2.1 運(yùn)行環(huán)境

綜合通信網(wǎng)管軟件采用B/S 架構(gòu)，運(yùn)行在綜合通信網(wǎng)管服務(wù)器上。

5.2.2 硬件環(huán)境

綜合管理軟件所需的硬件環(huán)境見表1。

表1： 硬件環(huán)境要求表

5.2.3 軟件環(huán)境

綜合通信網(wǎng)管軟件運(yùn)行所需的軟件環(huán)境由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理軟件、應(yīng)用支撐軟件、運(yùn)行環(huán)境要求組成，所需的軟件環(huán)境要求見表2。

表2： 軟件環(huán)境要求表

6 結(jié)論

海上通信平臺利用寬帶通信和窄帶通信結(jié)合方式，配置地面光纖、寬帶衛(wèi)通、天通、散射、短波、北斗等多種通信手段，形成了基于IP 的海洋異構(gòu)綜合通信網(wǎng)絡(luò)。通過綜合路由網(wǎng)關(guān)和綜合通信網(wǎng)管設(shè)計(jì)，信息接入部分根據(jù)業(yè)務(wù)類型和通信方式進(jìn)行適配，寬帶信道采用IP 傳輸，窄帶信道通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，可提供海上船-船、船-島、船-岸、船-浮臺、岸-島、岸-浮臺、島-島之間的數(shù)據(jù)、視頻等綜合業(yè)務(wù)的交換和轉(zhuǎn)發(fā)。

綜上所述，通過通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、綜合路由網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)、綜合通信網(wǎng)管設(shè)計(jì)，最終構(gòu)建一個高速率、高可靠、全覆蓋、易管理、低成本的新型海上通信平臺。