李建平，樊 霞，孫洪剛

（1.北海航海保障中心 通信信息處，天津 300450；2.北海航海保障中心 天津通信中心，天津 300450）

0 引 言

2017年，黨的十九大做出了建設(shè)交通強(qiáng)國的戰(zhàn)略部署。隨著交通強(qiáng)國建設(shè)的推進(jìn)和智能航運的深入發(fā)展，搭建一個多系統(tǒng)、多網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)互通的綜合航海保障平臺，為涉海用戶提供立體化、智能化以及全球化的高質(zhì)量服務(wù)已成為迫切需要。目前，中國是世界上最重要的海運大國之一，港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量均居世界第一位，世界集裝箱吞吐量前5大港口中，中國占了3個。中國外貿(mào)貨物運輸?shù)?3%是靠海運完成的，95%的原油進(jìn)口和99%的鐵礦石進(jìn)口均依賴水路。海上寬帶業(yè)務(wù)對改善和加強(qiáng)海上安全指揮通信能力、加強(qiáng)海上應(yīng)急搶險救助能力、提高海上運輸管理和效率以及提高海上其他行業(yè)和社會公眾信息通信能力具有重大意義。2019年，交通運輸部等七部門聯(lián)合發(fā)布的《智能航運發(fā)展指導(dǎo)意見》中強(qiáng)調(diào)要加快船舶智能航行保障體系建設(shè)，提出要綜合應(yīng)用衛(wèi)星通信、岸基蜂窩移動通信以及高頻/甚高頻數(shù)字通信等多種手段，完善全覆蓋和全天候的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足高通量、高速率、高可靠、低延時以及多連接的智能航運通信需求。

多年來，與陸上相比，海上數(shù)據(jù)通信的發(fā)展有了很大的落后，呈現(xiàn)接入手段少、帶寬低以及移動互聯(lián)網(wǎng)覆蓋區(qū)域有限等特點。這一直是船-岸和船-船通信的瓶頸，在一定程度上影響了海事監(jiān)管、搜救應(yīng)急以及信息服務(wù)的高質(zhì)量發(fā)展。隨著海洋資源開發(fā)的程度不斷提升，良好的海上寬帶通信網(wǎng)絡(luò)是開展智能航運以及智慧海事建設(shè)的重要前提和必要支撐，也是開展航海信息化、智能化以及現(xiàn)代化建設(shè)的重要保障。

1 海上寬帶通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀簡述

鑒于海上地理環(huán)境特殊性，許多在陸上應(yīng)用的先進(jìn)通信技術(shù)無法或極難在海上環(huán)境中進(jìn)行實施。目前，海上的寬帶網(wǎng)絡(luò)主要有公共移動通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)兩種。

公共移動通信網(wǎng)絡(luò)，即移動互聯(lián)網(wǎng)。其特點是通信資費低且?guī)捤俾矢?，但沿海基站的網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋距離有限，網(wǎng)絡(luò)側(cè)重下行數(shù)據(jù)，以方便用戶獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端的數(shù)據(jù)資源。當(dāng)前，依托岸基基站（如鐵塔、樓宇等），移動互聯(lián)網(wǎng)在海上的覆蓋范圍大多為是距岸10～15 km。隨著離岸距離變大，信號逐步變?nèi)?，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性變差。衛(wèi)星寬帶通信也稱多媒體衛(wèi)星通信，指的是通過衛(wèi)星進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像以及視像的處理和傳送。因為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的帶寬遠(yuǎn)小于光纖線路，所以幾十兆比特每秒的通信稱為寬帶通信。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的特點是覆蓋面廣，通信帶寬有保障，但存在資費偏高、總體用戶容量有限以及船載設(shè)備偏大等問題，在一定程度上限制了海事用戶總量的發(fā)展[1]。

除以上兩類網(wǎng)絡(luò)外，一些地方的漁政和海監(jiān)等部門結(jié)合業(yè)務(wù)及管理需求，在沿海試點建設(shè)了行業(yè)專網(wǎng)，但大部分僅限內(nèi)部使用，且網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，遠(yuǎn)未形成多基站，大范圍無縫銜接的覆蓋規(guī)模。

總體而言，我國海洋通信技術(shù)尚處于較低層次的應(yīng)用階段，只能滿足海事活動的常規(guī)通信需求。依據(jù)海事活動的區(qū)域和從事的業(yè)務(wù)種類，用戶可以選擇不同的通信系統(tǒng)。但各種系統(tǒng)的性能優(yōu)勢和劣勢均十分明顯，對實現(xiàn)穩(wěn)定的全海洋覆蓋、傳輸距離不受限制、確保流暢的寬帶接入以及較低的設(shè)備成本和使用資費的目標(biāo)還有較大距離。此外，現(xiàn)有的各種通信系統(tǒng)之間相互孤立，缺乏統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理機(jī)制，不能保障整個海洋通信系統(tǒng)合理高效地運行。

2 海上寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可行性分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對象

開展海上寬帶專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，必須堅持需求導(dǎo)向，明確服務(wù)對象。海上寬帶專用網(wǎng)絡(luò)以保障海上單位及與海上單位通信的陸上單位等通信業(yè)務(wù)為前提。目前，海上寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)對象有政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、科研院所以及個人用戶，如海事、航保、海洋、救撈、氣象、漁政、引航、船東、船員以及科研機(jī)構(gòu)等。海上通信網(wǎng)絡(luò)的最終目的是實現(xiàn)船-岸和船-船間的數(shù)據(jù)通信。其建設(shè)重點也就是實現(xiàn)通信信號對海上船舶的覆蓋，從而實現(xiàn)與船端設(shè)備和用戶的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 網(wǎng)絡(luò)重點覆蓋范圍

參照船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）可以看到，海上船舶大部分處在沿海位置，尤其是距岸50 km以內(nèi)的范圍。隨著船舶距離港口和海岸越近，對寬帶網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求也越迫切。因此，沿海通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)首先要聚焦離岸50 km范圍，以實現(xiàn)對大部分用戶的覆蓋。其他位于中遠(yuǎn)海的船舶，可以依托衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2.3 數(shù)據(jù)通信帶寬需求

綜合分析海上數(shù)據(jù)感知、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)交換、視頻回傳以及語音通話等功能需求和應(yīng)用場景，結(jié)合海上應(yīng)用的業(yè)務(wù)實際，初步估算海上通信帶寬需求。日常工作狀態(tài)下，以海事監(jiān)管工作為例，海事工作人員開展海上辦公時，峰時按同時開展2路集群通信、2路移動視頻回傳以及2人次處理業(yè)務(wù)進(jìn)行計算，需保證上行帶寬約8 M，下行帶寬約6 M[2]。

應(yīng)急搜救狀態(tài)下，峰時按同時開展5路集群通信、2路移動視頻回傳、調(diào)取1路固定視頻監(jiān)控、1路視頻會議以及現(xiàn)場3人次處理業(yè)務(wù)進(jìn)行計算，需保證上行帶寬約14 M，下行帶寬約11 M。同時根據(jù)業(yè)務(wù)及其他突發(fā)情況應(yīng)充分考慮需求的冗余性。

2.4 沿海寬帶網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)分析

通過分析網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對象、船舶分布以及通信帶寬等，得出沿海海事寬帶專用網(wǎng)絡(luò)的基本性能包括覆蓋范圍、傳輸速率以及承載能力等主要參數(shù)。在覆蓋范圍方面，應(yīng)該實現(xiàn)近岸40 km的全覆蓋，部分區(qū)域可結(jié)合地理條件和實際需求，將覆蓋范圍擴(kuò)大至50 km。在傳輸速率方面，在近岸40 km內(nèi)，上行速率應(yīng)不低于2 Mb/s；在近岸50 km內(nèi)，下行速率應(yīng)不低于2 Mb/s。在網(wǎng)絡(luò)總承載能力方面，以綜合帶寬預(yù)測結(jié)果為基礎(chǔ)，按照保證網(wǎng)絡(luò)接入和逐步提升帶寬的建設(shè)思路，結(jié)合建設(shè)成本等因素，單站傳輸接入帶寬按不低于20 M開展初期建設(shè)，后期可根據(jù)業(yè)務(wù)實際需求，隨時進(jìn)行動態(tài)提升。同時，全網(wǎng)應(yīng)具備支持?jǐn)?shù)萬規(guī)模用戶同時接入與管控的技術(shù)能力。

3 海上寬帶專用網(wǎng)絡(luò)定位及目標(biāo)

3.1 總體定位

中國沿海海事寬帶通信專用網(wǎng)應(yīng)是覆蓋全國沿海的無線通信專用網(wǎng)絡(luò)。目的是向海上用戶、為海上用戶提供信息服務(wù)的政府機(jī)關(guān)以及企事業(yè)單位提供寬帶通信服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備技術(shù)傳輸速率高、支持用戶規(guī)模大、覆蓋距離足夠遠(yuǎn)以及業(yè)務(wù)種類豐富的特點，并能夠全面管控用戶。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)性能需求及性價比等因素，可優(yōu)先選用TD-LTE技術(shù)，部分應(yīng)用場景可選用5G設(shè)備。海上用戶可通過無線客戶前置設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）或相關(guān)設(shè)備接入并使用網(wǎng)絡(luò)。

3.2 建設(shè)目標(biāo)

利用TD-LTE和5G等寬帶通信技術(shù)，在我國沿海建設(shè)岸基和海基寬帶通信專網(wǎng)基站與交換中心，構(gòu)建中國沿海海事寬帶通信專用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)海上語音數(shù)字集群通信、多媒體視頻會議以及綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，實現(xiàn)近海50 km（高海拔基站可達(dá)100 km）范圍內(nèi)港口、航道以及錨泊地等重點水域無線通信信號覆蓋，有效支撐海上各類經(jīng)濟(jì)社會活動的數(shù)據(jù)交換和獲取航海保障信息服務(wù)的實際需求。近海船舶可配備專用通信終端接入并申請使用網(wǎng)絡(luò)。

4 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)條件分析

4.1 沿?；A(chǔ)設(shè)施豐富

我國在沿海有豐富的燈塔和燈樁等基礎(chǔ)設(shè)施，還有VTS雷達(dá)站、AIS基站以及VHF鐵塔等，且大部分基礎(chǔ)設(shè)施具備較好的供電條件。若配合衛(wèi)星和微波等技術(shù)，可與島嶼上的鐵塔、鉆井平臺以及工作船搭建通信鏈路，進(jìn)一步拓展覆蓋范圍。

4.2 寬帶通信技術(shù)成熟

基于LTE的專網(wǎng)已有很多成功案例，在國內(nèi)國外、陸上海上以及多個行業(yè)和領(lǐng)域都有應(yīng)用。TD-LTE技術(shù)是中國自主研發(fā)的符合國際標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)制解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，占用頻譜資源小，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸性和安全性，足以承載沿海水域船岸海事航保等海上用戶通信需求。5G技術(shù)發(fā)展迅速，能夠滿足高帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景需求。

4.3 有可用頻段資源作保障

目前，我國公眾移動通信可用于寬帶網(wǎng)絡(luò)的頻率資源包括1.4 GHz、1.8 GHz以及5.8 GHz。其中，1.4 GHz和1.8 GHz明確用于TDD制式。

工業(yè)和信息化部《關(guān)于1447-1467兆赫茲（MHz）頻段寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》和《工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1785-1805MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》的文件給寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的頻率資源使用帶來了保障。其中，1.8 GHz（1 785～1 805 MHz）專用頻段是國家優(yōu)選給交通、電力以及石油行業(yè)用戶使用的專網(wǎng)TD-LTE頻段，是國家無線電管理委員會的授權(quán)頻段，具備較強(qiáng)的抗干擾穩(wěn)定性和遠(yuǎn)距離傳輸性。此外，5.8 GHz（5 725～5 850 MHz）頻段是公共頻段。由于海面上干擾較少，因此該頻率可以作為備選頻率。

5 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要框架

5.1 總體架構(gòu)

中國沿海海事高速寬帶通信專用網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)層的組成部分，承擔(dān)各類數(shù)據(jù)在終端與數(shù)據(jù)中心的交換功能。網(wǎng)絡(luò)整體目標(biāo)是向集中化、寬帶IP化及開放融合化發(fā)展。總體要求集中化建設(shè)，新建設(shè)備全部采用新平臺大容量設(shè)備，實現(xiàn)低成本的高效運營，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的集中管理。新建設(shè)備全部實現(xiàn)承載IP化，實現(xiàn)關(guān)鍵網(wǎng)元的容災(zāi)備份，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。安全防護(hù)網(wǎng)絡(luò)接入部署，保證網(wǎng)絡(luò)安全。

LTE采用扁平化的組網(wǎng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為核心層、骨干層以及接入層3層。核心網(wǎng)采用兩級方式進(jìn)行部署，參照當(dāng)前AIS網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，可在交通運輸部海事局部署一級核心，用于管理和調(diào)度二級核心設(shè)備間的信令及業(yè)務(wù)。在北海航海保障中心、東海航海保障中心以及南海航海保障中心組建二級核心，在一級中級和各個二級中心部署安全防護(hù)及網(wǎng)絡(luò)用戶管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對整體網(wǎng)絡(luò)的接入可控和訪問可管的安全管理，保證網(wǎng)絡(luò)整體的安全盒穩(wěn)定。各個轄區(qū)負(fù)責(zé)各自轄區(qū)內(nèi)基站的管理、運維以及使用管控[3]。

5.2 網(wǎng)絡(luò)基站接入思路

根據(jù)基站選址原則，大部分基站將利用現(xiàn)有燈塔、燈樁、AIS基站以及VTS基站等基礎(chǔ)設(shè)施，減少工程實施難度及工程造價。從海事系統(tǒng)沿海燈塔和基站等設(shè)施布局特點來看，大部分可利用的站點位于臨海岸基，少量位于島嶼。針對不同站址的基站信息回傳問題，應(yīng)充分考慮其周邊基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源及環(huán)境特點，采用分區(qū)域、分層次以及分場景的接入方案。

岸基基站主要采用有線+微波相結(jié)合的接入方式。如果站址周邊有豐富的光纜接入資源（如管道、桿路等），則優(yōu)選純光纜接入方式；如果站址周邊無光纜接入資源且建設(shè)難度較大，投資成本較高，可考慮采用微波+光纜相結(jié)合的方式，通過微波中繼解決末端資源匱乏問題，在微波落地點通過陸地光纜及運營商傳輸系統(tǒng)將基站信息回傳至骨干匯聚節(jié)點。

6 寬帶通信專用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景

沿海海事寬帶網(wǎng)絡(luò)在水上的需求量大，可承擔(dān)多類型的應(yīng)用需求，能夠在航海保障、智能航運、海事監(jiān)管以及應(yīng)急搜救等方面發(fā)揮重要作用。基于寬帶通信專用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景主要包括服務(wù)智能航運發(fā)展，為智能航運和智能船舶提供良好的船岸信息交互網(wǎng)絡(luò)，向船舶自組網(wǎng)提供支撐。服務(wù)E航海整體建設(shè)，為在全國范圍內(nèi)開展E航海整體工程建設(shè)提供通信網(wǎng)絡(luò)及信息交換支撐。服務(wù)智慧海事建設(shè)，滿足海上電子巡航、業(yè)務(wù)辦理以及現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)回傳等監(jiān)管需求，助推智慧海事建設(shè)。提升航保服務(wù)水平，為航海保障提供數(shù)據(jù)傳輸保障，支撐準(zhǔn)確、實時以及多元化的航保信息服務(wù)。服務(wù)海上應(yīng)急搜救，提供高QOS的集群通話、協(xié)同作業(yè)、數(shù)據(jù)采集以及圖像傳送等技術(shù)支撐。承擔(dān)語音數(shù)字集群服務(wù)，提供全網(wǎng)語音數(shù)字集群業(yè)務(wù)，豐富船岸語音通信手段，并可通過專網(wǎng)實現(xiàn)海上遇險報警。

7 結(jié) 論

中國沿海海事寬帶通信專用網(wǎng)絡(luò)是能夠滿足近海船舶數(shù)據(jù)通信需求的主要平臺，可與公共移動通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)組成海上寬帶網(wǎng)絡(luò)。同時，與高頻、甚高頻以及北斗短報文等窄帶通信網(wǎng)絡(luò)共同形成海上通信網(wǎng)絡(luò)的多重覆蓋，能夠支持不同用戶的自主選擇和自主切換，更好地服務(wù)交通強(qiáng)國建設(shè)和智能航運發(fā)展。