多模融合應(yīng)急通信技術(shù)應(yīng)用研究

趙伯華

（中交信通（天津）科技有限公司，天津 300346）

1 研究背景

近年來，隨著環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)的發(fā)展，環(huán)渤海各港口的吞吐量和進出港船舶數(shù)量都在快速增加，渤海水域已經(jīng)成為世界上水上交通最繁忙的區(qū)域之一。港口吞吐量和船舶交通流量的增加，使該海區(qū)的通航密度和船舶會遇率急劇上升，加大了水上交通事故發(fā)生的隱患。此外，隨著建設(shè)中的超大型船舶深水碼頭相繼投入使用，超大型船舶的交通流量也將顯著增加，加之近海油田的開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和捕撈的發(fā)展，該海區(qū)的航行環(huán)境將變得越來越復雜。海上應(yīng)急通信能力是有效應(yīng)對海上自然災害和突發(fā)事件的基礎(chǔ)保障。要滿足全面覆蓋、重點強化、應(yīng)急出動、快速響應(yīng)等應(yīng)急通信的基本保障需求。本文分析了渤海水域網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，海上近岸通信系統(tǒng)的建設(shè)情況，以及海上搜救中心的實際需求情況，結(jié)合微波、4G/5G、衛(wèi)星通信等通信技術(shù)特征及相關(guān)成果，提出了海上應(yīng)急多模通信技術(shù)方案設(shè)計[1]。

2 海上應(yīng)急通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及需求探析

2.1 現(xiàn)狀分析

（1）渤海中西部水域缺乏網(wǎng)絡(luò)覆蓋。海上通信的難點是缺少信號的覆蓋，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋率低，如港口、海岸周邊的公共網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在渤海海域和天津港外均沒有可用信號，其他的一些在建或者已經(jīng)建設(shè)完畢的系統(tǒng)也無法有效地覆蓋渤海的中西部，造成了網(wǎng)絡(luò)通信盲點。導致科學搜救出現(xiàn)了通信黑洞，無法有效提高應(yīng)急資源管理和調(diào)配能力，從而導致無法提高處置評估科學性，不能實現(xiàn)強化培訓演練功能，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)信息移動端的綜合應(yīng)用顯示，以及提升整體應(yīng)急輔助決策籌劃水平，無法達到“科學決策、高效處置”。

（2）現(xiàn)有海上通信系統(tǒng)系統(tǒng)相對分散。目前，天津海事局所使用的海上通信系統(tǒng)為近岸的4G公共通信系統(tǒng)，天津海事局自建的微波通信系統(tǒng)和VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)對于渤海中西部和中部海域目前只有通信帶寬較低的VSAT系統(tǒng)，因此，一線搜救人員沒有有效的通信帶寬可用。岸端的指揮中心只能通過電話進行語音指導，VSAT回傳CCTV的方式讓指揮中心了解險情；并且其他輔助信號如AIS信號時有時無、VTS精確度不同、視頻監(jiān)控存在盲點等問題依然存在。其他通信系統(tǒng)相對封閉，無法實現(xiàn)有效利用。

（3）缺乏平戰(zhàn)結(jié)合的通信系統(tǒng)。目前，天津海事局所實用的陸上和海上通信系統(tǒng)均缺乏平戰(zhàn)結(jié)合的屬性，日常使用的通信網(wǎng)絡(luò)均沒有冗余和應(yīng)急通信帶寬預留，一旦出現(xiàn)緊急情況，陸上網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和現(xiàn)有的海上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)均無法提供長時間、大帶寬、高可靠性、自主可控、平戰(zhàn)結(jié)合的立體搜救網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2.2 需求分析

中國在海洋應(yīng)急通信建設(shè)方面沒有專門用于保障海洋應(yīng)急通信的通信網(wǎng)絡(luò)，主要依靠近岸移動通信網(wǎng)絡(luò)、短波/超短波電臺、國家現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及租用國外海事衛(wèi)星等。海上數(shù)據(jù)通信過于依賴國外的衛(wèi)星系統(tǒng)，嚴重缺乏自主通信保障，未能形成完整的海洋應(yīng)急通信體系。國內(nèi)海上應(yīng)急通信技術(shù)研究緊跟國外的研究步伐，已經(jīng)初步實現(xiàn)接入通信服務(wù)保障，但相較國外的成熟技術(shù)，國內(nèi)海上應(yīng)急通信技術(shù)仍然在覆蓋范圍、通信質(zhì)量等方面有所欠缺。隨著中國海洋活動日益增加，海洋應(yīng)急通信的建設(shè)需求日趨緊迫。

海上搜救中心作為搜救應(yīng)急指揮的前線，各種通信、輔助、指揮和調(diào)度系統(tǒng)林立，系統(tǒng)之間互相獨立無法形成有效的綜合保障能力。平時無法有效節(jié)約通信費用，降低成本；戰(zhàn)時無法集約資源統(tǒng)一調(diào)度，對于不同的應(yīng)用也沒有進行有效的優(yōu)化，因此，作為應(yīng)急前線指揮的重要力量需要對通信能力進行有效的整合。

應(yīng)急搜救值班員需要可以對網(wǎng)絡(luò)、圖像等信息資源進行集中調(diào)度，值班員可以通過下達不同的策略，在平時、戰(zhàn)時可以自由切換帶寬，并可以通過集中保障調(diào)度的方式，將衛(wèi)星，微波等通信帶寬切換給一條或幾條船只，方便值班員臨時調(diào)度指揮[2]。

3 多模融合應(yīng)急通信系統(tǒng)介紹

3.1 綜述

如圖1所示，融合應(yīng)急搜救通信系統(tǒng)以數(shù)據(jù)安全和整體系統(tǒng)架構(gòu)為設(shè)計基礎(chǔ)，分為網(wǎng)絡(luò)層（網(wǎng)絡(luò)接入層），控制層（鏈路控制層），策略層（策略選擇層）和應(yīng)用層（展示應(yīng)用層）。

圖1 多模融合應(yīng)急通信系統(tǒng)框

在系統(tǒng)設(shè)計上，融合了現(xiàn)有天津海事局的無線中繼系統(tǒng)和后續(xù)完善的VSAT鏈路系統(tǒng)，同時完善系留Mesh微波平臺，并優(yōu)化選路傳輸機制，保證從發(fā)送、傳輸?shù)浇邮斩瞬捎冒踩?、快速、可靠、易管理的整體解決方案；5G（VPDN接入）終端預留邊緣計算，為未來打造智慧海事預留了空間。

架構(gòu)上本系統(tǒng)使用SD-WAN方式組網(wǎng)切換，SDWAN是Software-Defined Wide Area Network的簡稱，這是最近3～4年才提出的名詞。從名字上可以看出，它與SDN有著相同的理念，兩者都是將轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離，以簡化網(wǎng)絡(luò)的管理和操作。區(qū)別是，SDN是針對數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)，SD-WAN針對WAN（廣域網(wǎng)），適合不同網(wǎng)絡(luò)切換和利用。

完整的虛擬專用網(wǎng)構(gòu)建，需要從安全性、快速性、網(wǎng)絡(luò)可靠性、管理便利四個方面全面考慮。從搜救船只的使用角度來看，使用速率和網(wǎng)絡(luò)是否可靠是最直觀的體驗，直接影響到進行應(yīng)用集中后的工作效率是否提高問題，結(jié)合以往系統(tǒng)需要面對船員的以及IT建設(shè)的績效問題。因而建設(shè)涉及多個船只，需要采用一套機制保障整體管理的統(tǒng)一、方便。

3.2 融合通信方案特點

（1）對于海事應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)的流量采集節(jié)點和流量安全的控制層級，梳理應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)的安全管理域的劃分及管理和控制能力。

（2）搭建專屬網(wǎng)絡(luò)，通過在設(shè)備與設(shè)備之間建立專屬的隧道，實現(xiàn)海事應(yīng)急救援船舶與指揮中心互聯(lián)，應(yīng)急救援船舶之間的互聯(lián)，成為快速建立移動指揮中心網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)。

（3）針對海事局應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)出口、互聯(lián)網(wǎng)出口的應(yīng)用和服務(wù)要求的業(yè)務(wù)邏輯以及發(fā)展規(guī)劃，減低物理設(shè)施復雜度，使直接調(diào)度的物理資源降到最低限度，使維護和使用成本減小，同時能更好支撐業(yè)務(wù)與服務(wù)。

（4）實現(xiàn)在VSAT線路、無線微波、4G/5G、系留無線Mesh線路等出口鏈路間擇優(yōu)切換，滿足應(yīng)急救援的要求。

（5）對應(yīng)急救援進行負載均衡，保證應(yīng)急救援衛(wèi)星網(wǎng)出口穩(wěn)定性，在其中一條出口鏈路中斷時不影響應(yīng)急救援任務(wù)。

（6）實現(xiàn)面向應(yīng)急救援衛(wèi)星網(wǎng)的1∶1全流量采集、網(wǎng)絡(luò)全協(xié)議識別和還原、網(wǎng)絡(luò)行為知識庫等功能，通過對網(wǎng)絡(luò)流量日志、事件日志、賬號日志的全面記錄，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)行為的檢測、分析與發(fā)現(xiàn)能力。

（7）支持動態(tài)域名解析。

（8）SD-WAN隧道支持分點客戶端使用域名與總部服務(wù)器進行VPN隧道建立，實現(xiàn)總部與分部之間的組網(wǎng)。

（9）支持監(jiān)控隧道內(nèi)流量。

（10）SD-WAN隧道具有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性能感知能力，在深度上對比網(wǎng)絡(luò)層性能檢測系統(tǒng)，SD-WAN隧道技術(shù)可以檢測會話級流量；SD-WAN隧道技術(shù)面向的是七層的應(yīng)用，可看到更接近網(wǎng)絡(luò)中實際發(fā)生的真相，除了可以識別應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還能看到應(yīng)用協(xié)議的交互流程。

（11）客戶端支持動態(tài)IP地址。

（12）安全。利用SSL等技術(shù)，通過加密傳輸來保證公共網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的安全。

（13）性能。將多條Internet線路聚合在一起成為一條邏輯線路，以減輕性能上的影響。另外，適當釋放一些帶寬，在網(wǎng)帶寬需求降低時節(jié)約成本。

（14）穩(wěn)定。在多條線路聚合的邏輯線路上進行負載均衡，動態(tài)分配流量，保障幾條線路的穩(wěn)定性，動態(tài)調(diào)整當前幾條線路的負載情況。

3.3 多模融合通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層

3.3.1 5G VPDN

岸端防火墻接入運營商的數(shù)據(jù)專線配置虛擬專用鏈路后形成以4G/5G VPDN到局端的虛擬專用鏈路，專有鏈路即可實現(xiàn)單一或者多種鏈路合并接入。4G/5G可以實現(xiàn)邊緣計算接入和高帶寬多線程的鏈路通信服務(wù)，為智能船舶和智慧海事服務(wù)框架提供通信基礎(chǔ)。

3.3.2 微波系統(tǒng)（利舊使用）

圖2 微波系統(tǒng)定義WAN

目前，在海事搜救船舶上安裝了微波系統(tǒng)，在岸端部署了微波天線作為岸段部分接入海事搜救中心，可以利舊使用加入系統(tǒng)。

3.3.3 系留微波平臺

研究設(shè)計了一套可浮空系留且可以承載Mesh微波系統(tǒng)設(shè)備的浮空器，將無線通信設(shè)備天線架高到不同高度，使無線通信距離可以覆蓋搜救中心所有管轄區(qū)域，保障海上應(yīng)急搜救使用的需要。其次，驗證了使用系留浮空器在升高到不同的高度時，作用于遠距離通信的可行性。經(jīng)過測試定向微波天線、Mesh Phase 4，在天線架高50米逐級升高至300米的情況下，通信距離和通信帶寬可以滿足實際使用要求。

3.3.4 VSAT系統(tǒng)（利舊使用）

目前，搜救船舶安裝有VSAT天線和系統(tǒng)，通過衛(wèi)星地面站來完成海事搜救中心與搜救現(xiàn)場間音視頻、指揮信息的傳輸。

3.4 多模融合通信系統(tǒng)控制層

3.4.1 集中管理服務(wù)器

集中管理服務(wù)器可以建立集中管理平臺智能監(jiān)控全局網(wǎng)絡(luò)中部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，首頁地圖方式展示各分支接入物理設(shè)備、虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、虛擬機情況，提供遠程接入分支進行集中管理，實現(xiàn)分支配置策略下發(fā)、智能升級、故障定位、安全告警等功能。

3.4.2 鏈路控制服務(wù)器

利用SDWAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備，建立VPN隧道，對傳輸數(shù)據(jù)進行加密，保障數(shù)據(jù)安全性，且符合了等保2.0標準中“應(yīng)采用密碼技術(shù)保證重要數(shù)據(jù)在存儲過程中的保密性，包括但不限于鑒別數(shù)據(jù)、重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和重要個人信息等”的相關(guān)要求，具有大幅削減流量，降低專線帶寬負荷、應(yīng)用進一步優(yōu)化、對高速傳輸協(xié)議改善丟包延時現(xiàn)象、專網(wǎng)流量可視化等功能。

3.4.3 質(zhì)量探測AI服務(wù)器

通過對所有可用鏈路的實時探測、采用策略反饋不同鏈路的質(zhì)量以獲得收集切換鏈路的依據(jù)。

面對海上執(zhí)法中4G/5G網(wǎng)絡(luò)、微波信號和衛(wèi)星信號的多線路負載場景，可以選擇“優(yōu)先使用質(zhì)量最好線路”的負載模式，在進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，根據(jù)各個線路的實時質(zhì)量狀況（丟包、延時、抖動），選擇最優(yōu)的可轉(zhuǎn)發(fā)線路進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

根據(jù)實時的線路質(zhì)量狀況，可以把不同的質(zhì)量狀況做一個轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成同一標準，以對不同線路進行質(zhì)量排序（權(quán)值越小，質(zhì)量越優(yōu)）。

權(quán)值算法：權(quán)值=抖動（ms）×x+丟包率×y+延時（ms）

高質(zhì)量選路除了考慮線路權(quán)值，同時也將線路對當前服務(wù)優(yōu)先級的剩余帶寬作為選路依據(jù)，當線路無法承載當前優(yōu)先級的應(yīng)用時，該線路不會被選中。因此，在進行高質(zhì)量選路時會選擇對當前服務(wù)優(yōu)先級有可用帶寬、同時權(quán)值最小的線路作為轉(zhuǎn)發(fā)線路。另外，當選定線路都無法承載當前服務(wù)優(yōu)先級的數(shù)據(jù)時，會從未選中線路中選擇質(zhì)量最優(yōu)線路對該連接進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過多重選擇來保證被選中的傳輸線路質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

4 系統(tǒng)覆蓋能力

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計覆蓋能力以及前期測試覆蓋范圍計算，實現(xiàn)“陸海空天”一體化搜救的要求，系統(tǒng)可對渤海海上進行動態(tài)覆蓋，隨著系統(tǒng)優(yōu)化，覆蓋能力可以得到進一步加強，保障海上搜救應(yīng)急通信能力。

5 結(jié)束語

通過對多模融合應(yīng)急通信系統(tǒng)的研究，構(gòu)建海上寬帶通信與信息服務(wù)系統(tǒng)平臺，能夠為今后建立渤海海域全方位覆蓋、全天候監(jiān)控的水上立體監(jiān)管、綜合航保信息服務(wù)以及應(yīng)急處置體系提供有力支撐。同時，借助平臺建設(shè)的實踐成果，可實現(xiàn)公務(wù)船舶船岸視頻通信，重點航路遠程監(jiān)控以及遇險船舶應(yīng)急通信；實現(xiàn)港區(qū)岸對船的安全監(jiān)管、調(diào)度指揮和綜合服務(wù)；實現(xiàn)船舶智能助航等功能，為海上業(yè)務(wù)的開展提供綜合化、多元化手段。保障鏈路帶寬的動態(tài)調(diào)度，對海上應(yīng)急搜救指揮調(diào)度建立可靠通信鏈路、保障事故應(yīng)急處置而言，是十分必要的?！?/p>