海上发射船船间信息传输方案设计与应用*

田兆平，赵乾宏，刘明波，滕晓云

（中国卫星海上测控部技术部，江苏 江阴 214431）

0 引言

首次海上发射中，中心船通过保障船完成与发射平台间数据、图像、话音等信息的传输，需要重点对中心船与保障船间的信息传输方式进行分析研究，确保方案设计合理、设备工作稳定。

1 方案设计

通过前期论证，海上发射中，中心船与保障船之间通过第一路由拟通过微波无线方式开通双向传输电路，需满足海上动平台条件下传输带宽不低于10 Mb/s、传输距离不低于10 km 的要求；第二路由通过卫星通信开通双向传输电路，传输带宽要求不低于1 Mb/s。信息传输示意如图1 所示。由于卫星通信已在船舶通信中成熟应用，因此本文重点研究船船间第一路由信息传输方法。

图1 船船间信息传输

1.1 信息传输需求分析

海上发射中，船船间的信息传输具有以下特点。

（1）通信双方均处于距离海岸较远的海上环境，海况复杂，风浪较大，天气变幻难测，且海上环境盐雾、湿度大。这些环境特点对船载的设备提出了以下要求：①设备小型化，采用机动无线通信方式；②耐高温、高湿、高盐雾等环境腐蚀。

（2）通信技术指标要满足使用要求。船船间传输的信息主要有高清视频、语音以及各类网络数据，带宽需求较大；考虑到海上发射实际要求，船船间的通信距离要能够满足实际需求。

1.2 无线传输手段比较分析

海上动态条件下，船船间信息传输必须采用机动无线通信方式。当前，无线通信互联手段主要有卫星通信、散射通信、中/短波以及超短波通信、激光通信和宽带无线通信等多种技术。海上各类信息传输方式特点比对如表1 所示。

表1 海上信息传输方式对照表

卫星通信具有全天候、高带宽、覆盖广以及距离长等优点，通信双方需要借助卫星进行数据转发，利用分布在全球范围内的多颗通信卫星组建的天基信息网构建信息通信网，可以实现全球范围的高速实时通信，但是通信带宽受星上资源、发射功率等多种因素限制[1]。散射通信具有全天候、覆盖广、通频带宽、抗毁性好、保密性强、稳定可靠以及便于机动架设等优点，在无线通信中具有广泛应用。但是，由于散射通信的设备量、设备体积和功耗等均较大，不适合在船载平台上使用。中/短波以及超短波通信具有较好的通信距离，是不受网络枢纽和有源中继体制制约的远程通信手段，是海上应用条件下可靠的通信手段之一。然而，这种通信方式传输速率较低，难以满足信息高速实时传输的需求。光通信具有传输速率高、抗截获、抗侦听以及抗电磁干扰等优势，可以满足常规通信条件下的保密、高速通信需求。但是，光通信存在通视要求、受大气影响严重以及动平台条件下对捕获、对准和跟踪系统要求高等缺点。宽带无线移动通信具有频谱利用率高、抗信道衰弱能力强、传输速率高、保密性好、支持多业务以及网络管理灵活有效等优点[2]。

综合比较分析海上发射信息传输需求和各类信息传输方式特点，拟采用适合船载的激光通信或宽带无线通信作为船船间第一路由信息传输手段。

1.3 设备选型

1.3.1 宽带无线通信

经市场调研，某研究所生产的宽带无线通信设备可以满足实际使用要求。该设备依照TD-LTE 技术标准，完全自主研制生产4G 无线宽带通信系统。设备组成原理如图2 所示。

图2 宽带无线通信设备组成原理

该基站内部高度集成射频单元（Remote Radio Unit，RRU）、基带单元（Band width Based Unit，BBU）、核心网（Evolved Packet Core，EPC）和B-TrunC集群业务服务器等功能网元[3]。设备可以提供音视频单呼、组呼以及通信调度等LTE 数字集群业务，支持基于北斗/GPS 的双模GIS 定位、宽带IP 数据通信等业务。该设备工作的频段范围为608～678 MHz，支持海洋环境下10 km 范围内传输双向10 Mb/s 的数据。

1.3.2 激光通信

经市场调研，某研究所生产的船载无线激光通信设备可以满足实际使用要求。该船载无线激光通信设备是以船舶作为平台、以激光作为信息载体、以大气作为传输媒介的大容量、抗干扰、安全保密、远距离通信设备。该系统在复杂的船载环境下能实现快速全自动化对准、扫描、捕获以及建立链路，实现两船间通信。主要技术性能指标见表2。

船载无线光通信设备主要由光学天线单元、通信单元、伺服稳定单元以及扫描捕获跟踪单元等部分组成，设备组成如图3 所示。

光学天线单元主要完成信号光和信标光的发射与接收。通信单元主要完成用户电信号与激光信号之间的相互转换、激光信号的放大、微弱激光信号的高灵敏度接收以及信道纠错编码等功能。伺服稳定单元主要提供船载平台姿态参数，并将信息传给伺服稳定单元。通过该信息，无线光设备可以完成初始对准和保持运行过程惯性稳定。伺服稳定跟踪单元完成两端设备的扫描、捕获、对准及稳定、跟踪功能。在开通阶段，两端设备启动扫描、捕获功能，快速寻到对端设备并确保两端光学天线的收、发光路精确对准，建立无线激光通信链路；在通信链路建立后，为保证良好的通信质量，两端光学天线必须保证一定的对准精度。但是，由于设备搭载平台的姿态变动或者一些外界扰动因素的影响，精确对准往往难以维持。伺服稳定单元的粗、精两级跟踪机构能够很好地克服搭载平台的姿态变动或者一些外界扰动因素引起的对准偏差，保证通信链路稳定，维持良好的通信质量。

表2 船载无线激光通信设备主要技术性能指标

图3 船载无线光通信设备组成原理

2 测试验证

2.1 动态性能测试

宽带无线通信和激光通信作为首次在中心船与保障船之间使用的船载无线通信设备，为确认两种通信手段的海上信息传输性能，采用“一船固定、一船自转”的方法开展动态性能测试。测试初始条件为两船相距约7 km，中心船在保障船正西方向。

根据两船宽带无线通信设备和激光通信设备安装位置和通视范围，可以得出理论遮挡情况见表3。

主要进行3 种方式的转向测试，两船位置和转向测试示意如图4 所示，测试结果汇总见表4。

表3 船载宽带无线通信设备和激光通信设备安装位置和理论遮挡基本情况

图4 海上转向测试

表4 船载宽带无线通信设备和激光通信设备实际动态性能测试表

2.2 测试结论

（1）宽带无线通信设备：360°无遮挡，通信频率易受干扰影响传输性能，在宽带无线通信设备工作频段608～678 MHz 内，工作海域监测到的干扰信号如图5 所示。

图5 宽带无线通信设备工作海域干扰信号

（2）激光通信设备的遮挡角度较多，且易受雾、雨等天气影响。

①中心船：遮挡范围170°～200°，其余无遮挡；

②保障船：遮挡范围150°～218°、98°～102°、246°～255°、-4°～4°。

3 方案优化

设备动态性能测试结果表明：宽带无线通信设备易受不明电磁信号干扰，激光通信设备的遮挡角度较多，易受雾、雨等天气影响。因此，为进一步确保业务传输的可靠性，需要优化船船间第一路由信息传输方式，将宽带无线通信和激光通信同时开通运行，设计冗余备份手段，确保信息传输连续不间断。中心船与保障船间第一路由连接关系如图6所示。

图6 中心船与保障船间第一路由连接关系

3.1 主备路由

船船间开通动态路由协议OSPF。开放式最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）是一个内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP），用于在单一自治系统（Autonomous System，AS）内决策路由[4]。根据协议运行原理，在中心船与保障船之间配置OSPF 后，船船间信息传输自动开通负载分担，即激光通信和宽带无线通信两条链路同时进行数据传输，任何一条链路中断均会影响部分业务传输，原理如图7 所示。

图7 负载分担链路中断导致业务传输受影响情况

为确保业务传输性能不受单条链路的影响，使用OSPF 中的权重（Weight）参数设置激光通信链路为主用路由，宽带无线通信为备用路由。

3.2 快速切换

OSPF 协议使用Hello 包监测链路情况，双方网络设备每隔10 s 向对端发送Hello 报文。当链路中断导致长时间（Dead Time，MA 网络中约为40 s）接收不到对端发送的Hello 报文时，协议将认为链路失效，切换至备用路由或重新进行路由计算。对于海上发射实时业务传输来说，40 s 的切换时间将导致大量数据包丢失，无法满足使用要求。为确保激光通信链路中断后业务传输能够快速切换至宽带无线通信链路，需要考虑链路失效快速检测切换方法。

双向转发检测（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）是一套全网统一的检测机制，用于快速检测、监控网络中链路或者IP 路由的转发连通状况[5]。在OSPF 协议中开启BFD 检测功能后，默认情况下双方网络设备每隔1 s 向对端发送一个检测报文，连续丢失3 个检测报文时即认为链路中断，BFD 上报OSPF 实施链路切换操作。因此，开启BFD 后，默认情况下OSPF 可以在3 s 内完成主备链路切换操作，原理如图8 所示。

图8 主备链路快速切换原理

4 实际应用

实际应用中，中心船与保障船间第一路由通过宽带无线通信和激光通信开通双向10 Mb/s 电路，开通网络数据、图像和语音等业务，信息传输关系如图9 所示。

图9 中心船与保障船间第一路由信息连接关系

实际应用中，宽带无线通信和激光通信同时开通，当天根据气象条件确定激光通信为优选方案，网络配置“OSPF+BFD”自动检测功能，主备切换迅速，传输链路畅通，各类数据、图像和语音信息传输正常，各项指标满足使用要求。其中，船船间总业务传输丢包率小于1‰，激光通信链路丢包率为0，传输时延小于1 ms，宽带无线通信链路丢包率为1%，平均传输时延25 ms。

5 结语

首次海上发射中，中心船首次与保障船开通船船间信息传输业务，新的业务传输需求给通信系统方案设计提出了新的挑战。从9 个方面分析比较了6 种海上通信的技术手段，优选宽带无线通信、激光通信两种区域宽带通信手段作为船船间第一路由信息传输方式，并根据动态性能测试结果进行了可靠性设计。经海上发射实际应用检验，船船间各类业务传输稳定可靠，满足实际需求，可为后续类似应用提供高速、可靠、稳定的通信手段。宽带无线通信设备工作频段范围内的干扰问题有待进一步的分析和解决。