基于Ku波段HTS通信系统在海洋工程船舶的应用探索

【摘要】    随着我国海洋开发由近海走向深海，大量深海项目工程作业展开，随着海上船舶信息化不断发展，工程船舶深海作业对通信大容量传输的需求愈发强烈，传统卫星通信系统已经难以承担目前高容量传输需求，已经成为影响海洋工程船舶信息化的瓶颈。亚太6D卫星升空，为海洋工程船舶提升通信容量、提高信息安全，提供新的解决途径。本文通过亚太6D高通量卫星通信系统在海油工程船舶的应用探索，通过评估船舶传输通道需求，设计船舶网络架构，带宽调度与保障机制，信息安全防护机制，为解决海洋工程及其他类海洋船舶大容量通信需求提供借鉴，对推进海洋船舶深度信息化具有重要意义。

【关键词】    海洋工程船舶    Ku波段    高通量衛星    卫星虚拟网络

引言：

随着海洋强国战略推进，我国在海洋多个领域取得突破，特别是深海能源勘探开发领域，大量深海工程作业展开，我国工程船舶在深海作业愈发频繁，而现代信息技术发展带来了技术变革也渗透到海洋工程中，工程船舶深海作业对通信大容量传输的需求愈发强烈。以中国海洋石油公司的海上工程船为例，船舶全球海域作业且作业区域不固定，船舶移动的航线也不固定，因此长期以来，海油的海洋工程船舶大多使用卫星对外通信，传统VSAT系统，无论是C波段、Ku波段卫星系统均存在通信容量偏低、频谱资源租用费用偏贵问题，新一代高通量Ka卫星系统又存在雨衰问题，难以适应全气候场景问题。通信传输已经成为影响海洋工程船舶信息化的瓶颈，是保障海上船舶安全、提高工程效率亟待解决的问题。

2020年7月，亚太6D卫星发射升空，亚太6D是我国首个Ku频段高通量宽带卫星通信系统首发星，使用东方红四号增强型卫星平台（DFH-4E），具有“高承载、大功率、长寿命、高可靠性”等优势。亚太6D攻克了国际先进的Ku频段超宽带多端口功率放大器（MPA），实现了功率的资源池化，可以通过对通信带宽进行动态分配，解决波束忙闲不均的问题，卫星通信容量高达50Gbps。亚太6号W卫星G/T值对比传统卫星平均提高8-10Db，抗雨衰能力更强。灵活的关口站切换技术，则让亚太6D卫星可以在国内外8个关口站之间灵活切换，从而确保卫星运营安全。亚太6D通信大容量、动态分配通信带宽等一系列能力，为海洋工程船舶解决通信传输瓶颈提供新的解决途径。

一、当前海洋工程船舶通信面临的困境

目前海洋工程船舶信息业务需求主要是语音、船舶运行状态数据回传、海上视频监控回传、视频会议、OA办公、个人互联网需求等业务，以海油工程某事业部为例，该事业部下辖11条船舶，作业区域遍布全球，多数使用传统Ku波段卫星服务，共计11条SCPC卫星链路，每条链路通信容量1Mbps-2Mbps不等，可以实现的语音、办公OA业务，满足最低限度的日常办公生产需求，通过梳理，主要存在几个方面问题：1.由于船舶全球区域作业，卫星链路存在多个服务商，多条链路陆地卫星主站位于香港、新加坡等地，落地点信息安全无法保障，卫星资源无法统一调度，设备硬件多品牌型号，故障响应与维修效率差;2.多条船舶直接互联网接入，没有企业专网链路，企业内部信息通过互联网传输存在泄漏风险，同时也存在外部通过互联网入侵船舶系统的风险;3.卫星链路容量小，应急视频回传和日常视频会议，画面不清晰、卡顿严重，现有带宽已经无法承担更高程度的办公信息化需求;4.船员个人网络需求激增，员工个人使用互联网娱乐、休闲的需求无法满足;5.船舶新技术应用及扩展能力弱，已经无法满足数字化船舶的要求，也无法适应未来扩展需要。

二、当前海洋工程船舶通信需求分析

以海油工程船舶主要信息应用单通道监控视频回传、两方视频会议为例，通过测试监控视频回传在不同分辨率、不同码率、不同帧率、不同编码格式下，占用速率情况及监控视频效果如下表1。

通过测试不同视频分辨率、码率的两方视频会议，获得其占用速率情况及视频会议效果如下表2。

以海工该事业部辖下具体船舶蓝疆号为例，蓝疆号大型起重铺管船是一艘非自航无限航区作业的大型工程船，船体总长157.5 m，型宽48 m， 满载排水量58000 t，常态下作业人员100-200人，经过测试统计，常态下，船舶对外语音并发数为6部，15-20台计算机或其他终端并发在线OA办公。通过测试，上述业务占用卫星通信传输容量约2Mbps-3Mbps;视频监控回传业务，根据表1，取一路720P摄像头回传卫星通信1.06Mbps（单向回传）。视频会议业务，根据表2，取两方视频会议方式，占用卫星通信传输容量约1.83Mbps（上0.9Mbps+下0.93Mbps）。经统计计算蓝疆号最低卫星通信容量需求为： 4.89Mbps。目前蓝疆号卫星链路容量为2Mbps，只能满足语音与OA办公业务，视频监控与视频会议业务使用效果较差，若满足设定的业务使用需求，卫星链路带宽至少还需扩容2.8Mbps。该事业部下所有船舶若实现按上述信息化业务需求，均需扩容，总带宽需求数将增加30Mbps， 这将增加较大的通信成本支出。

三、基于亚太6D系统在海洋工程船舶的应用设计

（一）网络架构设计

由于亚太6D卫星Ku频段超宽带多端口功率放大器，实现了功率的资源池化，可以通过对通信带宽进行动态分配，解决波束忙闲不均的问题，也能动态调整链路带宽大小，由此构建Ku波段24Mbps带宽资源池，供11条船舶卫星通信资源的自由调配，提高资源利用率，降低成本，提升通信效果，实现船舶应急监控视频回传到陆地应急指挥中心、实现海陆视频会议。对于具体船舶，通过KU波段卫星天线建立一条KU波段卫星链路，通过调制解调器分出两条通信链路实现互联网与企业网两条链路相互独立。

通信主体有卫星通信海洋工程船舶、卫星地面站、中海油企业网。与业务相关的实体有卫星、卫星主站的通信天线、基带系统、地面网、综合服务平台（SOP系统、能力开放平台、SDP平台）、专线、船舶端站。可实现船舶的企业网与互联网两种业务应用相互独立隔离流量从船舶透明交付到中海油陆地数据中心和带宽资源灵活调整优先级与动态分配。336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

在网络数据流向层面，所有工程船端站产生的数据，经由基带侧SVN+网络侧VPN+客户侧物理专线方式，实现端到端业务独立隔离，带宽和通道由中海油独享。通道层面与其他用户完全隔离，保护数据安全，企业网IP地址、专线对接IP地址按中海油企业网规划和分配，互联网IP地址、SVN与VPN的对接IP地址可由卫星运营商规划和分配，其互联网出口可以根据需求直接从卫星运营商侧接入国际互联网。

在业务层面，采用亚太6D全球带宽管理系统实现带宽资源灵活调整优先级与动态分配。中海油企业网通过对接卫星运营商的开放平台与智能网关，实现对端站和用户的全方位管控，满足用户资料、账务信息、套餐定义、业务受理等方面的数据隔离和保密需求。卫星链路可提供互联网与企业网业务端到端完全隔离透明转发流量，如下图，网络通过专线对接到卫星关口站骨干网接入MPLS VPN隔离流量。不同通道链路通过物理专线+网络侧VPN+基带侧SVN方式实现安全隔离。

卫星虚拟网络（SVN）卫星运营商实现业务安全隔离机制的模型，方法是在共享卫星上扩展专用网络，以便用户的远程设备可以像直接连接在私人网络一样发送和接收数据。

SVN类似于地面虚拟专用网（VPN）。两者都提供连接跨通用网络基础结构，同时隔离每个专用网络的流量，并为每个网络提供独立的IP地址空间。这个方法在iDirect网络中叫做的“虚拟路由”。PP和卫星路由器都在逻辑上维护虚拟路由表的方式类似于路由器供应商的虚拟路由和转发（VRF）功能。iDirect虚拟路由和VRF的组合隔离了客户的路由表，允许相同的IP地址应用在多个SVNs中。

该SVN用户从左侧的客户专用网络，使用MPLS VPN隧道（PW）通过地面MPLS（多协议标签交换）骨干网，通过包括PP在内的卫星接入站（SAS）和通过卫星路由器（即卫星猫Terninal）达到终端用户局域网。在接入路由器（Access Router）上，MPLS VPN隧道被终止，并映射到一个唯一的符合802.1q的VLAN tag标签上，该tag标签与SVN的ID值相同，通过SAS和空中（OTA）路由域维护保持到卫星路由器。一个SVN实例的相关接口集绑定到该SVN标签的VRF下（VRF Lite），这样，每个客户SVN运行一个独立VRF，IP地址可以重复使用。

（二）资源分配，企业网应用保障设计

24Mbps KU波段带宽资源灵活调整优先级与动态分配，设置承诺信息速率（CIR），则在船舶/应用的优先级（Priority）一致的情况下，优先将带宽分配给有CIR的船舶/应用（互联网），剩余带宽再分配给其他船舶/（互联网），让这些应用得以有一定程度的速率保障。

举例：CIR需求未超带宽池，一轮或多轮分配。

带宽池为24，企业网业务有CIR 12，互联网业务没有CIR。企业网业务请求18，互联网业务请求12，总请求30超过带宽池24。

1.首先保障有CIR的企业网业务，CIR 12没有超过带宽池24，先给企业网业务分配12。

2.剩余带宽12。12（剩余带宽）÷2（数量）= 6，所以各分配6。企业网业务得到18，需求得到满足，互联网业务只得到6，需求未得到满足。

多轮分配原理与一轮分配大致，将一轮分配剩余带宽按CIR未满足的平均分配;此外还可配合开销值Cost按比例分配带宽资源等。根据船舶的需要相互调配，保障企业网大带宽应急的需求又能节省资源。

四、应用效果

按照网络架构设计进行工程实施，按带宽资源分配机制调试，项目达到了设计目标，实现预想效果：1.事业部辖下11条船舶实现全球海域卫星接入，基于一套硬件系统同时提供互联网服务与多路企业网链路连接服务，互联网业务与企业网业务实现隔离管控。2. 11条卫星链路共享24M卫星带宽池资源，较原来船舶卫星带宽，仅增加约2M，并可基于链路业务需求，对任意卫星链路进行传输容量自定义，通过对带宽池频谱资源的时分复用调度，亚太6D卫星点波束的频谱空间复用，每条船可分配带宽4.89M，基本实现工程船关于视频监控、视频会议、语音、互联网等应用需求。3.支持任意一卫星链路下，多路企业网链路、互联网链路传输容量自定义分配，卫星通信系统具备快速扩容的能力。4.在环境和流程制度上確保船舶网络安全符合IMO 海上安全委员会、中国船级社的相关要求。

由于通信带宽的增加，改变了船舶生产办公的方式，陆地监控中心可按需调取海上监控视频，工程船舶的运行状态可实时回传至陆地船舶状态监控中心，海陆会议沟通由原来电话语音为主转变为视频会议为主，大大的提升的办公效率，同时海上员工的个人网络需求得到满足，利于国家政策、精神宣传到海上第一线，便于企业文化、企业关怀延伸至一线。

五、结束语

基于Ku波段HTS通信系统在海洋工程船舶的应用探索，为解决海洋工程船舶及其他类海洋船舶对外通信提供一种有效的解决方案，特别是基于带宽池共享，单链路下多业务逻辑通道通信容量动态切换与自定义的研究与探索，是满足用户需求与费用支出控制，性价比组合较高的应用尝试，对类似需求的场景极具参考与借鉴价值。

作者单位：彭义东    中海油信息科技有限公司

参  考  文  献

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