船岸數(shù)據(jù)通信實(shí)測(cè)分析

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摘要：在海洋經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展，信息技術(shù)日新月異的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)船岸之間的低成本高速率數(shù)據(jù)通信是時(shí)代的呼喚。本文通過(guò)在廈門(mén)灣進(jìn)行長(zhǎng)距離WiFi技術(shù)的通信實(shí)測(cè)，分析利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)通信的可行性和改善空間。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離WiFi數(shù)據(jù)通信實(shí)測(cè)

1．背景

早在春秋時(shí)代，《管子•海王》篇就曾提出“觀(guān)山海”“以為國(guó)”的思想，前瞻地察覺(jué)到海洋蘊(yùn)含的財(cái)富作用對(duì)于國(guó)家強(qiáng)盛的重要性。近代先驅(qū)孫中山指出港口是“中國(guó)與世界交通運(yùn)輸之關(guān)鍵”。十八大報(bào)告首提“海洋強(qiáng)國(guó)”，提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)。然而，當(dāng)今城市居民幾乎可以隨時(shí)隨地不受限制地使用Internet和各種數(shù)據(jù)服務(wù)，占地球表面積70%以上的大部分海洋區(qū)域卻幾乎無(wú)法接收到無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，海上通信主要依靠衛(wèi)星通信、單邊帶短波電臺(tái)（SSB）和甚高頻通信（VHF）且海上衛(wèi)星通信設(shè)備投入和使用成本高昂，SSB和VHF主要用于語(yǔ)音傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率過(guò)低。近年來(lái)我國(guó)海洋運(yùn)輸、船運(yùn)貿(mào)易、海洋資源開(kāi)發(fā)等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)蓬勃發(fā)展，海上應(yīng)急搜救、港口生產(chǎn)調(diào)度、船舶導(dǎo)助航等業(yè)務(wù)對(duì)海上網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)提出了新的需求，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)必將推動(dòng)整個(gè)航運(yùn)業(yè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的新時(shí)代。在這樣的背景下，廈門(mén)通信中心利用基于長(zhǎng)距離WiFi技術(shù)的寬帶通信系統(tǒng)進(jìn)行船岸之間的數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，通過(guò)測(cè)試獲得第一手資料，探索適合我國(guó)國(guó)情的高速率、高可靠、全覆蓋、低成本的海上寬帶高速通信網(wǎng)絡(luò)。

2．常技術(shù)分析

船岸高速數(shù)據(jù)通信需要考慮到足夠的傳輸距離、較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、船舶移動(dòng)特性、多用戶(hù)等因素，目前為實(shí)現(xiàn)船岸之間的數(shù)據(jù)通信常用的技術(shù)手段如下：（1）VHF頻段，主要有VEDS系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含岸基和天基（衛(wèi)星）系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)非常大的覆蓋方位，但是該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率較低，目前測(cè)試情況來(lái)看，只能實(shí)現(xiàn)300K左右的傳輸速度。（2）UHF頻段，如警用圖傳系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似蜂窩網(wǎng)的系統(tǒng)布局，可以實(shí)現(xiàn)較大傳輸速率，但在多用戶(hù)的情況下，該系統(tǒng)帶寬還是顯得不足。目前該類(lèi)系統(tǒng)主要用于但應(yīng)急指揮方面。（3）SHF頻段，如TD-LTE、長(zhǎng)距離WiFi、WiMAX等，微波波段是視距傳輸，繞射能力較差，但有較高寬，可獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。近岸域，4G/5G信號(hào)覆蓋較好，但是4G/5G信號(hào)覆蓋區(qū)之外的沿海，船舶活動(dòng)也非常頻繁。從解決近岸數(shù)據(jù)通信的角度分析，頻譜特點(diǎn)來(lái)看，基于VHF、UHF頻率適合海上環(huán)境的傳輸特性，且有較好的繞射能力，但其可用帶寬過(guò)窄。SHF為超高頻段，可使用帶寬較大，能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

3．廈門(mén)灣測(cè)試情況

本次測(cè)試出于覆蓋范圍大、傳輸距離遠(yuǎn)、終端設(shè)備通用性高的目的，采用了5.8GHz長(zhǎng)距離WiFi設(shè)備作為測(cè)試設(shè)備，以視距通信(LOS）為主，而依靠反射、散射和衍射方式達(dá)到非視距通信(NLOS)在遠(yuǎn)距離通信方面基本不起作用，本文將不予考慮。由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限。本次測(cè)試岸基設(shè)備安裝高度為85米曾山雷達(dá)站，移動(dòng)設(shè)備(海巡0802)的天線(xiàn)安裝高度為10米。根據(jù)視距傳輸?shù)挠?jì)算公式可算出r0為51公里，從理論上說(shuō)，在發(fā)射功率、靈敏度足夠的情況下，在35.7-61公里范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)通信，但效果逐漸變差，35.7公里的覆蓋范圍可以達(dá)到良好的通信效果。本次測(cè)試分別考慮到船舶移動(dòng)特性，船舶上只安裝全向天線(xiàn)。岸基分別安裝全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)表及全向天線(xiàn)如、定向天線(xiàn)的方向圖及增益天線(xiàn)：測(cè)試情況介紹:（1）船載基站和岸基基站都全向天線(xiàn)時(shí)，船岸之間最大通信據(jù)圖約為10公里，發(fā)送和接收的速度均為2Mbps。當(dāng)船岸距離超過(guò)超過(guò)10公里時(shí)，通信基本中斷。（2）船載基站配備全向天線(xiàn)、岸基配備定向天線(xiàn)時(shí)，可穩(wěn)定通信距離約30KM，發(fā)送和接收的發(fā)送和接收速度均為2Mbps，最大速度可達(dá)3Mbps，船舶航行軌跡以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。（3）視頻傳輸?shù)臏y(cè)試：在船舶航行過(guò)程中接入在測(cè)試中接入攝像頭，視頻傳輸清晰流暢。通過(guò)手機(jī)微信視頻聊天，視頻流暢不卡頓，語(yǔ)音清晰。

4．實(shí)測(cè)分析

通過(guò)對(duì)測(cè)試過(guò)程和采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，可以認(rèn)為：在設(shè)備功率和天線(xiàn)增益較低的情況下，在30公里的傳輸距離處還能夠保持穩(wěn)定通信，距離良好通信距離35.7公里也僅有5.7公里的差距，理論上通過(guò)增加設(shè)備靈敏度、發(fā)射功率、天線(xiàn)增益、天線(xiàn)高度及編碼方式是可以實(shí)現(xiàn)更大的通信范圍和頻率資源的使用效率；船舶擺動(dòng)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)傳輸速率明顯下降情況，因遇障礙物通信中斷后不需干預(yù)可迅速恢復(fù)通信，說(shuō)明現(xiàn)有設(shè)備比較成熟穩(wěn)定；測(cè)試途中多處無(wú)4G信號(hào)，交管VHF通信也中斷的情況下，測(cè)試系統(tǒng)還可以保持船岸視頻通話(huà)，可見(jiàn)長(zhǎng)距離WiFi能為船岸通信能發(fā)揮較大作用；當(dāng)遇有大船等障礙物遮擋時(shí)通信會(huì)出現(xiàn)通信中斷，說(shuō)明該頻段繞射能力較差，也難以靠依靠非視距通信實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信。

5．實(shí)現(xiàn)的功能及建議

（1）過(guò)本次對(duì)基于長(zhǎng)距離WiFi技術(shù)的高速通信網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試，初步認(rèn)為在合理布設(shè)基站的情況下，可以較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)船岸之間的高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。對(duì)打造低沉本、高速率的船岸數(shù)據(jù)通信，或者作為船岸異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的一環(huán)具備一定的價(jià)值。（2）該系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)海巡船艇等公務(wù)船實(shí)現(xiàn)船岸間高速通信有較大的幫助，可為海上交通安全監(jiān)管和救助的決策指揮協(xié)調(diào)提供通信保障。（3）該系統(tǒng)可以能為船員提供上網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，對(duì)豐富船員業(yè)余生活有很大的幫助。（4）由于本次長(zhǎng)距離WiFi設(shè)備的使用頻率為5.8GHz的WiFi專(zhuān)用頻率，對(duì)功率使用要求有較大的限制，不利于開(kāi)展大功率、高增益的設(shè)備使用和研發(fā)，需要考慮專(zhuān)有的頻率的規(guī)劃.

作者：吳龍樂(lè) 劉國(guó)康 單位：東海航海保障中心廈門(mén)通信中心