高速宽带网络应用探索与展望

摘要：文中以针对海上环境优化后的移动高速宽带传输技术在天津海事巡航船舶上的应用为基础，介绍了移动无线微波通信技术在海上通信距离拓展方面的突破。提出了利用该技术，通过渤海周边基站的合理选择配置，真正实现渤海海上移动高速宽带网络全覆盖的展望。

关键词：海面移动宽带；无线微波通信；海上通信距离拓展；海事巡航执法；海事应急联动指挥

一、引言

海事巡航船舶是实施水上交通安全监管的主要力量。网络高速发展的今天，迫切需要在海事巡航船舶与陆地之间架设高速的通信网络，为海事现场监管提供信息数据支持。渤海为我国内水，四周被陆地环绕，距离陆地最远距离在100km左右，渤海船舶航行密集、油田作业繁忙，不可避免地经常发生海上突发事件，现场与岸基音视频数据的有效连通，能够大大提高应急处置的效率和效果。研发一套远距离高带宽的移动无线网络通信系统，从而实现渤海海上高带宽网络全覆盖，意义重大。

二、技术选型

目前移动无线通信技术主要有4G通信、5G通信、卫星通信、无线微波通信等[1]。4G通信海上覆盖距离实测在10km以内，无法满足海上应用。5G通信技术带宽能够达到1Gbps以上，但覆盖距离比4G更短，不适应于海上应用。卫星通信无距离限制，但由于其通信资源有限，分配给海上船舶应用的带宽通常不超过2Mbps，视频传输存在卡顿，高速数据传输受限，在实践中，还会出现部分位置信号效果不佳和延迟的情况，且价格昂贵。微波通信是一种直接使用微波作为介质进行的通信，具有容量大、频带宽、传输效率高、距离远等特点，适应于各种无线专用通信网建设，但其对天线角度要求较高，多用于固定点对点通信，对于非固定点之间的通信，技术难度较大。国外在该领域研究与应用成果较多，国内海上无线通信领域起步较晚，在这样的情况下，研究开发一套基于无线微波通信技术，针对海上环境进行优化的海面移动宽带传输系统，利用渤海周边地形资源合理布局中继支点，就成了现阶段实现渤海移动高带宽网络通信覆盖的最佳选择。

三、初步实现天津近海高带宽网络连接

经了解，国内存在利用微波定向技术解决沿海移动通信的先进技术。天津海事局于2017年与相关研究单位取得联系，了解到该单位自主研发的通过天线伺服机构自动调整，保证基站天线与移动端天线始终保持指向正对，从而使移动无线通信从某种程度上接近定向无线通信效果。相比传统移动微波通信，其距离和带宽显著增加。为利用该技术在天津沿海搭建移动高带宽通信网络，双方联合进行了技术攻关和测试，取得了理想的效果。主要涉及的应用技术有以下几个方面：（一）天线伺服机构自动调整技术[2]。具体说就是岸站的抛物面天线（俗称“锅”）由一个伺服电机带动可以水平360度旋转，其根据移动端天线位置实时调整方位与其正对，用角度为3度的夹角发射和接收微波信号，移动端的抛物面天线也有一个伺服电机带动可以360度旋转，通过实时调节保证不论其身处什么位置，船头朝向任何方向，天线始终正对着岸站的坐标，以6.8度的夹角发射和接收微波信号。这种伺服机构自动调整天线的好处主要有两方面，第一在信号发射方面：可以集中发射功率，相较于全向发射，目标方向能量增加，信号强度增加，传输距离增加；第二在信号接收方面，只接收目标方向3度范围内的信号，其他方向来的信号全部屏蔽，极大降低了其他方向信号的干扰。所以应用此方法可将传输距离大大增加。（二）地理信息技术。具体说就是在船站天线设备中安装GPS和北斗双模定位设备，定位信息通过连接通道实时共享给岸站，保证岸站和船站根据此定位信息实时调整天线方向，以保证两天线实时正对。此部分在后期技术升级时在岸站增加了一套AIS设备，作用是在近岸水域有建筑物遮挡等意外情况发生，岸站、船站断开连接，岸站无法获取船站位置信息从而无法自动调整重新建立连接的情况下，通过岸站的船舶自动识别系统（AIS）设备获取船舶广播的AIS定位信息，从而粗略调整岸站天线方向，在建立弱连接后通过GPS和北斗双模定位系统，精准定位调整，重新恢复高质量网络连接。此外，地理信息技术可以用于记录不同地理位置的干扰信息，通过针对不同位置不同的干扰源调整信号参数，例如调整频率跳过本地干扰源频率，从而起到很好的抗干扰效果。（三）计算机控制技术[3]。具体来说包括所有的数据计算和指令执行。地理信息获取后怎样计算伺服机构旋转的角度，这是本设备能否真正起作用的关键。计算机通过复杂的程序计算，快速而精准地给出调整指令，伺服机构迅速做出精准调整，这是在移动船站与岸站之间每时每刻都在发生的事情。同时，针对不同的情况，调整频带宽度、传输速率、信号调制等等都是由计算机迅速和精密控制的。可以说计算机控制技术是本通信系统的大脑，起到核心作用。除此之外，还综合应用了自动组网技术、自适应调节技术、信令传输技术、频谱监测技术和多方面抗干扰技术等辅助实现良好通信效果。在确认了技术可行性后，双方合作进行了一期探索研究建设，在天津港南疆东雷达站建设两座岸站（基站天线），在两艘海巡船安装两座船站（移动端天线），综合运用以上技术实现岸站与船站一对一连接，并开展了实测，测试海巡船在辖区覆盖范围内航行信号覆盖范围、连接稳定性和带宽（见图1，图2）。具体方案为船站与岸站保持连接状态，海巡船从基地出发沿海岸向北到达辖区边缘，后向远海方向行驶到信号可保持连接的最远距离，返航去到辖区最南区域后沿海岸返回基地（见图3）。期间不间断测试网络信号值、带宽、ping值、高清视频传输流畅度等（见表1）。本次测试目标设定为海巡船在辖区离岸50km范围内各区域航行，均可保持30Mbps以上带宽的网络连接，同时测试本设备的最远通信距离。测试结果如下：（1）海巡船在离基站60km以内航行，带宽可保持在30Mbps以上；（2）海巡船驶离南疆雷达站70km左右，信号出现中断；（3）海巡船经过大吊塔信号有明显波动，但不影响通信。又经过多轮测试和实际应用，综合结论为：海巡船实现了离岸50km以内，30Mbps带宽的移动高速网络连接。该套通信设备经过一年的使用，效果较为稳定。在2018年“2.28”事故中，南锚地翻扣船舶的现场画面可实时传输至天津海事局指挥中心，并转至天津市政府和交通运输部海事局，其画面和语音的清晰度、流畅度均得到各级事故处置参与者的一致肯定，为科学和高效的指挥决策以及应急处置情况记录起到关键作用。随后，天津海事局开展了沿海宽带系统二期建设。目前已实现30米级以上5艘海巡船在离岸50km范围内通过沿海4个基站，实现30Mbps以上稳定带宽的网络同时连接，渤海西部海上移动高速网络初步建成（见图4）。

四、尝试拓展距离的研究

要实现对渤海的高速通信网络全部覆盖，在通信距离上还存在短板，为此我们开展了进一步攻关和测试，尝试拓展通信距离。根据视距理论，在现有技术可实现直线传播距离超过视距传播距离的条件下，实际通信距离由视距传播距离决定。海面遮挡物较少，视距内近似只有空间传播。由于地球曲率的影响，无线宽带接入基站的视距传播距离是有限的（见图5）。如下图：考虑到大气层对电波的折射作用，视距传播距离可简化计算为：Rmax（km）=4.12[√H1（m）+√H2（m）]其中：Rmax为传播距离，H1为基站天线高度，H2为移动端天线高度。[4]下表2说明了在基站天线在不同高度上的视距传播距离：之前南疆东雷达站的天线安装高度是50m，海巡船的安装高度在7m左右，测算理论通信距离为40km，而实际测试通信距离极限在70km，是视距理论计算值的1.7倍左右。该通信设备产生的实际效果明显超出视距理论距离限制。2019年11月5日—6日，在广东省阳江龙高山（高680m）和海南省文昌潮鼻滩(高10m)之间用同样的设备进行了远距离通信测试，结果实现了距离202km、80Mbps带宽的通信连接，也是视距理论计算值的1.7倍左右。根据两处实际通信效果，可从实用角度上初步得出结论，此通信设备的通信距离突破了视距理论的限制，距离突破有可能在1.7倍左右。经过对渤海周边高山的考察调研，河北省昌黎县仙台顶（海拔695.1m）可作为渤海远距离通信拓展岸站的首选安装位置，根据前几次测试效果推测，以仙台顶的高度，其通信覆盖距离有望达到200km。

五、渤海海上移动高速宽带网络展望

由上述多次通信距离拓展的实现作为基础，在仙台顶开展远距离测试，如果能够实现200km的通信距离，再通过渤海周边基站的合理选择配置，有望真正实现渤海海上移动高速宽带网络全覆盖[5]。渤海地区可用于作为海上通信拓展基站的有四类高点：1.渤海周围高山；2.环渤海各港口的雷达塔或灯塔；3.海中岛屿；4.海中采油平台。通过对渤海周围地位环境调查研究，选定南疆东雷达站、仙台顶、东营港雷达站、大钦岛作为环绕渤海中部地区的骨干传输节点(备选节点为曹妃甸矿石雷达站、老铁山灯塔、砣矶岛)，解决渤海中部离陆地最远地区的通信问题。海上油田采油平台由于协调困难、安装与维护不便，在陆地满足全覆盖的情况下不考虑其作为骨干传输节点。其他地区如辽东湾水域距离陆地较近，拓展较为容易，在此也不考虑其覆盖问题。通过此布局基本可以实现渤海水域的高带宽无线网络全覆盖。具体各基站网络信号覆盖区域如下图6所示。首先搭建骨干网，结合骨干节点地理位置和部署条件，建立点对点高带宽传输网络，使各骨干节点连通，骨干网搭建完成后，在每一个骨干节点安装基站天线，海巡船行驶在渤海任何位置，均可以实时通过骨干节点高速连通海事内网。骨干网络点对点组网后均可通过南疆东雷达站的主网络联通海事内网，同时各基站也可就近连通当地海事内网，从而实现冗余连接，规避了主网线路故障导致应急情况下网络传输中断风险。通过以上拓展通信距离的方法综合研发应用，将可能实现渤海海上高速宽带的全覆盖。届时，海巡船行驶在渤海任何一个位置均可以通过该网络与海事内网高速互联。

六、结语

渤海海上高速宽带网络全覆盖将为该海域内海事巡航执法提供船岸信息共享通道，30Mbps以上的带宽将满足视频、音频、数据的实时双向传输，可为海事通航保障、现场执法、应急联动指挥以及辅助决策等提供高效支持。尤其在处置海上突发事件时，岸基指挥中心和应急处置现场可在很大程度上实现同观同感,这将在应急联动指挥的科学和高效决策上发挥重要作用。

参考文献

[1]郗闻.分析现代无线通信技术的发展现状及未来发展趋势[J].通信世界,2019,26(3):74-75.

[2]黄伟,周乃恩,王诚,李江宏.一种无人机通信天线伺服系统的构建[J].电子技术应用,2009,35(6):98-101.

[3]何虎.无人机天线自动跟踪系统的设计与实现[D].大连:大连海事大学,2010.

[4]郑启宁,闫鹏.宽带无线通信系统对海覆盖的规划建议[J].无线通信技术,2011,20(1):26-29.

[5]陈岩,董洁,庄云飞.近海覆盖若干问题的探讨[J].电信工程技术与标准化,2009,22(7)::58-62.

作者:刘和强 史秀伍 单瑞海 单位:1.东疆海事局 2.天津海事局