短波多媒体通信系统在渔业安全生产中的应用

张念华　徐浩　王光峻　宋道建　史元洪

【摘要】 为了提高海上通信的有效快捷，满足渔业安全生产监督管理，渔业信息传递，以及船岸、船员间的通信需求，开发短波多媒体通信系统。该系统的应用，可在不增加设备投入的情况下，实现海上互联互通、渔业生产管理及安全救助，高质量服务我国现代渔业发展。

【关键词】    短波多媒体    海上通信    多模通信    渔业生产管理

引言：

我国是渔业大国，海洋渔业水域面积300多万平方公里，截止2020年底全国共有渔业船舶56.33万艘，渔业人口1720.77万人。海上环境的复杂多变以及渔业生产的特点，决定了海洋渔业常年被列入高危行业。近年来，虽然各级政府对渔业安全生产非常重视，采取了一系列措施，但海洋渔业安全形势仍然十分严峻。海洋渔业通信是渔船与陆地、渔船间进行信息交流的唯一途径，是渔业安全管理与组织海难救助的必备手段，是渔业现代化的重要标志。有效、快捷的通信是预防渔业安全事故发生、组织海上救援的根本保证，能够最大限度地减少或避免人员伤亡和经济损失。[1]

一、海洋渔业通信现状

海洋渔业通信包含传统短波、超短波通信和卫星、移动通信等现代通信方式：小动力渔船上大部分都配装了CDMA定位手机;所有具备安装条件的渔船，全配备了渔用超短波电台;远洋捕捞渔船，基本上都配备了短波电台;部分渔船配装了北斗卫星定位通信终端。[2]目前，我国海上通信网已实现初步的传输服务质量保证，但与陆上通信相比，现阶段海上无线电通信技术相对滞后，发展缓慢，无法满足现代渔业生产、管理及安全救助的需要。[3-4]现有渔业通信系统存在以下弊端：1.船员之间无法及时通信，由于不同船舶加裝不同的通信设备，各设备之间因频段不同无法互通，当灾害发生时无法及时进行互相救助;2.无法完成渔业资源的实时监测，渔船出海时无法使用公用网络，只能在近海时才能把捕捞信息传递到岸上，导致在渔船返航前无法提前安排渔获的销售处理;3.船员信息无法实时监测，船员遇险后无法实时告警，岸上管理员也无法对船员的真实身份及动态实时掌握;4.出海的船员无法与岸上家人朋友等通信。[6]

根据海洋渔业通信需求，结合渔业生产、管理特点，我们开发了一套短波多媒体通信系统，可结合海上船舶、岸台已有通信专用网络，在不增加设备投入的情况下，实现海上互联互通、渔业生产管理及安全救助，高质量服务现代渔业发展。

二、系统组成

整个系统由岸台电台、船台电台、多模通信控制器、多模通信客户端、多媒体客户端、多模通信服务器、渔业资源管理服务器、船员信息管理服务器组成。其中，岸台与船台之间通过短波链路互通;多模通信控制器、多模通信客户端、多媒体客户端、多模通信服务器、渔业资源管理服务器、船员信息管理服务器之间通过INTERNET网络互通;短波电台、公网信息终端与多模通信控制器直接相连。系统整体架构图由图1所示。岸台多模通信控制器与船台多模通信控制器均具有按照全球海上遇险与安全系统（GMDSS）的协议标准实现的调制解调功能，预设根据时间段、位置对应的频点信息，并且具有当前位置采集功能，根据位置选择频点信息。船台多模通信控制器可把数字信号调制后控制船台电台发给岸台电台，岸台电台收到信号后发送给岸台多模通信控制器，岸台多模通信控制器解调调制信号后再次获得数字信号，从而实现基于短波链路的数字通信方法。当船台电台要通信时，由船台多模通信控制器经由短波数字通信链路，向通信服务器获取空闲通信信道，根据获取的空闲信道，控制船台电台切换到该空闲信道完成通信。

三、实现方法

本系统的实现，关键在于突破短波的数字化技术。短波数字化技术主要是基于软件无线电的思想，以ADC/DAC、CPU、DSP和FPGA为硬件支撑平台，实现短波电台的数字化、软件化、模块化。短波数字化技术的出现彻底颠覆了旧的过分依赖硬件设备的通信理念，使得人们可以更好地将数字信号处理技术应用于短波通信新技术和新产品的开发。这种理念不但大大降低了产品的研发成本，更缩短了研发周期，使得短波通信技术的研究与应用迈上了一个新的台阶。短波数字化在海上通信领域有很大的应用空间。对于未安装DSC设备的船舶，可以以较低的成本享有DSC的功能;对远洋航行的船舶，可以通过短波来进行数据通信、定位等，相较于卫星通信可以大大降低费用。另外，现在的短波通信设备功能都比较单一，而对于处理能力较强的数字通信设备如智能手机等，只要安装不同的APP就可以实现不同的功能，满足各种不同的需求，也可以根据特殊要求进行个性化定制，进而可以实现短波多媒体。本系统的实现方法如下：

（一）开发一种短波数字化软件模块，模块具有以下特点

1.将数字基带信号用软件方式转成音频频段的FSK调制信号，然后借助短波进行传输。相比于传统的短波模拟信号传输系统，可以将数字信号中的各种检错、纠错技术，分集接收技术运用其中，从而达到差错可控的目的。2.该模块使用时间分集技术，可以降低接收信号的错误率，提高信号传输的可靠性。3.运用特殊编码技术，在传输符号中加入校验比特位，能够实现传输符号的自检测，借助出错自动请求重发机制，达到自纠错功能。4.该模块有两种接收信号自纠错功能。一种是对连续接收的多个符号进行垂直求和校验，结合符号内的校验位，可以定位出错误比特的位置，并进行自动纠正。另一种是基于时间分集技术，对两次接收的同一符号进行比对，结合垂直校验和，对出错符号直接舍弃。5.接收算法中采用变换域的方法，如快速傅里叶变换、离散傅里叶变换等对采样信号进行识别，通过分析采样信号的功率谱密度，来确定发射端发送的原始数字频带信号波形，进而借助位同步技术来恢复出原始二进制数字信号。6.该模块还可以根据需要对原始模拟信号进行短波数字传输，在接收端经过数字解调和数模转换，得到原始模拟信号。7.能够根据需要对各种电台进行兼容，即不同种类的电台都可以实现短波数字化通信。8.为保证传输的可靠性，本系统初版设计的传输速率为100bit/s，后期可以根据技术成熟度逐渐提高传输速率。9.模块具有通用性，可以基于此来设计其他短波数字化应用产品。5E8B409B-B4DC-4773-B0B4-2A64C00DC7A5

（二）数字化模块内部也采用模块化设计，主要包括以下几个子模块

1.调制输入模块。该模块作为数字化模块的发射端入口，将输入的数字信号或模拟信号转换成能直接控制波形产生的数字基带信号，与此同时，校验位也在该模块中产生，加入校验位的数字信号随后发送给数字调制模块处理。2.数字调制模块。接收来自输入模块的数字基带信号，以此作为数字调制信号，对信号发生器的音频波形进行数字调制，得到携带了数字信号的波形信号，另外，同步位的产生和分集发送机制也是由该模块负责。3.调制输出模块。该模块依照控制器调度程序发来的控制信号，将已调信号按一定规则发送给电台，电台将信号处理后由天线发送到空间。4.解调输入模块。该模块将电台发来的波形信号进行采样，得到幅值连续、时间离散的模拟信号，经归一化处理后得到一系列十进制数据。利用频域处理算法，从这些数据中提取频谱特征，然后交由解调模块处理。5.解调模块。该模块用特殊的识别算法将解调输入模块发来的数据进行解调，得到一系列二进制位。根据差错校验规则，对得到的每一个符号进行自检，对多个符号进行垂直校验，以及对分集接收符号进行检错与筛选，该模块还有错误请求重发功能，然后将正确信号发送给解调输出模块处理。6.解调输出模块。该模块将解调出的二进制信号去掉检验位，提取出真正传输的有用信息，发送给上层调用模块。7.以上功能实现后，可以根据需要在无线电管理部门规定的自由频段内，使用其他调制频率。

（三）短波数字化系统设计

1.控制器软件设计。控制器作为短波数字通信系统的指挥中心，主要负责数据的传输控制、对电台的控制等，能够协调各功能模块和电台的收发过程有序进行。2.控制器硬件设计。控制器是一台微型电脑，具有一定的处理能力、存储能力，可以同时处理多个进程，并且具有多种标准接口如USB、RS-232、RJ-45，音视频接口等，能够支持后续多种功能的扩展，如外接显示屏、一键通话（PTT）、耳机话筒等。另外，内部布线要符合标准，避免信号干扰，模块之间合理布局，能有效散热，外形美观，容易安置，尽量能够安装在标准化机架上。3.兼容性设计。根据客户需要，控制器软件可以添加新型短波电台，对不同电台要实现透明化，即实现多种短波电台无差别化通信。

四、功能介绍

该短波多媒体通信系统主要包括：与船台多模通信控制器通过局域网连接的短波多媒体终端，与岸台多模通信控制器通过INTERNET网络连接的多模通信服务器、渔业资源管理服務器、船员信息管理服务器和多媒体客户端。短波多媒体终端用于采集渔业资源信息并向船台多模通信控制器发送、录入船员信息并向船台多模通信控制器发送、编辑船员给家人的信息并向船台多模通信控制器发送、以及将对其他船员的呼叫请求向船台多模通信控制器发送;渔业资源管理服务器用于保存渔业资源信息，并供用户进行信息检索、调用;船员信息管理服务器用于保存和管理船员信息、对船员位置进行实时监测;多模通信服务器用于利用公用网络建立船员与家人之间的通信链路并传送信息。[6]

（一）渔业资源采集管理

管理员通过短波多媒体终端采集渔业资源信息（渔获物的种类、数量等）并发送给船台多模通信控制器，船台多模通信控制器控制船台电台发给岸台电台，岸台电台接收后发送给岸台多模通信控制器，岸台多模通信控制器将渔业资源信息解调后传送至渔业资源管理服务器保存，供用户统计、检索。[6]

（二）船员信息管理

船员通过短波多媒体终端，将船员信息发送给船台多模通信控制器，船台多模通信控制器控制船台电台将信息发给岸台电台，岸台电台接收后发送给岸台多模通信控制器，岸台多模通信控制器将船员信息解调后，传送至船员信息管理服务器保存并完成船员信息的统计、检索以及实时监测。船员信息的采集具体包括以下步骤：利用短波多媒体终端采集船员的登记信息，包括船员照片以及信息采集的时间、位置等;根据船员照片生成缩略图，利用缩略图以及信息采集的时间和位置，生成上报信息;从登记信息和上报信息中提取出特征信息，以用于验证信息是否发生篡改;对特征信息进行加密，生成加密特征信息;利用登记信息和加密特征信息组合生成核查信息，并对核查信息赋予唯一的信息ID，保存在短波多媒体终端中;利用上报信息和加密特征信息组合生成记录信息，上传至船员信息管理服务器，进行船员登记;记录信息与核查信息具有相同的信息ID;登陆船员信息管理服务器查看保存的记录信息，并在需要查询某一记录信息中的缩略图所对应的船员照片时，向短波多媒体终端发送请求，并向短波多媒体终端发送该记录信息的信息ID;短波多媒体终端根据船员信息管理服务器发送的信息ID调取本地存储的与之对应的核查信息，发送至船员信息管理服务器，以对登记船员进行核查。[6]

（三）船员与家人通信

船员在需要与家人通信时，通过短波多媒体终端编辑信息，在信息传输过程中，首先将信息发送给船台多模通信控制器，船台多模通信控制器判定为船员与家人的通信信息后，控制船台电台发给岸台电台，岸台电台接收后发送给岸台多模通信控制器，岸台多模通信控制器将信息解调后传送至多模通信服务器，多模通信服务器通过公用网络发送给船员家人;船员家人使用公用网络发送信息给多模通信控制器，多模通信服务器将信息发送至岸台多模通信控制器，岸台多模通信控制器控制岸台电台将信息传送给船台电台，船台电台接收后将信息发送给船台多模通信控制器，船台多模通信控制器将信息解调后发送给船员的短波多媒体终端。[6]

（四）船员与船员的通信

船员通过短波多媒体终端向船台多模通信控制器发送呼叫请求，船台多模通信控制器接收呼叫请求后向目标船员发送，目标船员的短波多媒体终端接收到呼叫请求后，向船台多模通信控制器发送请求应答，船台多模通信控制器将请求应答发送给船员的短波多媒体终端，完成船员之间的通信。船台多模通信控制器预先定义好通信组的成员信息，船员的短波多媒体终端定时向船台多模通信控制器发心跳信息，船台多模通信控制器根据收到的短波多媒体终端的心跳信息记录短波多媒体终端的状态信息（通信地址、工作状态）;船台多模通信控制器根据收到的业务信息的目标信息获取目标的地址信息，如果目标是单呼目标，获取单呼目标地址，把信息发给目标，如果目标为组ID，获取此组中包含的成员，然后获取成员的目标地址，把成员信息发给目标。[6]

五、结束语

我国沿海常年受台风、寒潮、浓雾等恶劣天气影响，对渔业安全生产极为不利。渔船数量多、作业范围广、通信装备落后等现状，使其风险程度亦远高于其他行业，岸船之间的通信不畅始终是渔业安全生产管理的薄弱环节。短波通信因抗摧毁能力强，无需建立中继站便可传输数万公里等优点，在海上通信中具有不可替代的作用。[5]短波多媒体通信系统的开发，可将语音、文本、图像等数据通过短波链路进行实时传输，可为出海作业的渔民提供气象、渔汛、渔获物销售及亲情联络等各种定制化服务。对船只和船员的实时定位，可以从根本上解决海上灾害救援、船员精细化管理等难题，并可对越界捕捞等违法行为进行实时监管。该系统的应用必将在海洋渔业生产、管理、海上灾害组织救援等工作中发挥巨大作用，进一步提高我国渔业现代化水平，使渔业安全生产及监督管理等决策的准确性、科学性、时效性得到全面提升。

作者单位：张念华    日照市海洋通讯管理服务中心

徐浩    青岛市海洋管理保障中心

王光峻    宋道建    史元洪    青岛恒天翼信息科技有限公司

参  考  文  献

[1]李振龙.现代通信技术服务渔业安全.中国水产[J]，2005（7）： 11-13.

[2]田诚，马汇文，姚玉霞.渔业安全救助信息系统建设和系统终端管理的分析与建议[J].中国水产，2012（7），33-34.

[3]交通运输部中国海上搜救中心.卫星通信在海上搜救工作中的应用介绍[C]//2008灾害应急与卫星应用研讨会文集.北京：中国通信学会，2008：5-9.

[4]蒋冰，郑艺，华彦宁等.海上应急通信技术研究进展[J].科技导报，2018，36（6）：28-39.

[5]郭凌云.数字化短波电台关键技术研究[D].西安电子科技大学， 2012.

[6]宋道建，董文帅，史元洪.一种短波多媒体通信系统及其通信方法[P].山东省：CN111224987A，2020-06-02.5E8B409B-B4DC-4773-B0B4-2A64C00DC7A5