卫星通信与Mesh网络组网在海洋渔业中的融合应用

● 文 |航天恒星科技有限公司 王燕 李长德 徐梁 丁兵

卫星通信与Mesh网络组网在海洋渔业中的融合应用

● 文 |航天恒星科技有限公司 王燕 李长德 徐梁 丁兵

介绍了卫星通信与Mesh 组网应用于海洋渔业的必要性，分析了卫星通信与Mesh组网的技术性能特点，并针对具体问题提出两者融合应用构建海上移动通信网络的解决方案，同时以广东渔业项目为例进行详细的设计说明。

卫星通信; Mesh组网;海上移动通信;自组网

一、前言

海洋渔业是我国渔业生产的重要组成部分，主要包括捕捞业、养殖业、加工业以及相关上下游产业，在国民经济发展中发挥着重要作用。近年来，其可持续发展面临着资源过度开采、环境污染恶化、作业船只监管混乱等突出问题。各级渔业行政部门、企业及社会化服务单位在全国沿海不断投资兴建短波岸基站、高频电话台，升级改造近海安全救助网岸站，同时在作业船只上安装配备各种通信导航设备，主要有SSB无线电台、甚高频无线电话、船用雷达、GPS全球卫星定位导航仪、彩色鱼控仪等一大批先进仪器，为海洋渔业生产搭建了一个规模宏大的通信平台。虽然渔业通信平台建设初具规模、成效显著，但近几年远洋作业的业务发展较为快速，渔业船舶生产逐渐向远洋捕捞发展，船只跨海区作业频繁，生产船只间的通信距离也达到上百甚至上千海里，这就造成了远洋通信距离长、噪音失真严重，传统的通信手段渐渐地不能满足日益发展的海洋渔业生产要求。在分析了卫星通信技术与无线组网技术后，针对两者的技术特点融合应用，组建海上移动通信网络，能够为海洋渔业提供有效的通信网络平台，并已有成功应用的案例。

二、卫星通信与无线Mesh组网技术的融合

1.卫星通信技术简介

卫星通信是以人造地球卫星作为中继站，反射或者转发空间电磁波来实现信号超远距离传输的通信技术手段。其具有通信距离远、覆盖范围广、组网灵活，基本不受气候变化和其他自然条件的影响。

相比于其他通信方式，卫星通信主要有以下特点：①可将其广播功能与各种多址连接技术相结合构成庞大的通信网。在一颗卫星所覆盖的区域内，不必依赖显式的交换，只需利用卫星中继传输和多址复用技术就能构成拥有许多地面用户的大型通信网。②通信频带宽、通信容量大。卫星通信信道处于微波频率范围，频率资源丰富，并可不断延伸。③信道质量好、传输性能稳定。卫星通信链路一般都是自由空间传播的视距通信，传输损耗很稳定且可准确预算。④组网机动灵活。卫星通信的建立不受地理条件的约束限制，无论是大城市还是边远山区、岛屿，随地可建；通信终端也可由飞机、汽车、舰船搭载，甚至个人随身携带；建站迅速，组网灵活。⑤通信成本不随通信距离增加而增加，因而特别适用于远距离以及人类活动稀少地区的通信。

目前，卫星通信技术在海洋渔业的主要应用为渔船通信、海洋渔业资源保护及海洋科学研究领域。卫星通信技术可以使渔船之间、渔船与岸基站台指挥中心等建立即时通信连接，实现对海上生产作业信息、海况气象信息等的传输。虽然卫星通信具有良好的安全性和覆盖性，信号稳定性、移动接入性较好，但是受外界气象状态、海面稳定状态限制，链路不能实现100%可用度，通信数据带宽受转发器资源限制，且具备一定的网络延迟。而且，卫星通信对设备的配备要求较高，因此在众多的作业船只上安装卫星通信设备不仅耗费大量财力，同时对这些设备的维护也会耗费大量人力。

2.Mesh网络组网技术简介

无线Mesh网络（Wireless Mesh Network）是一种多跳、具有自组织和自治特点的无线网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络。无线Mesh网可以通过一些中间节点连接互相远离而不能直接连接的无线设备，其组网方式高度灵活与自适应。传统的无线网络多是点到多点的星型网络，在操作与维护、安装与扩容、位置的适应性、可测量性等方面存在着诸多不足，而点对点的网状网络对以上性能指标会有较大的提高。无线Mesh网络吸收了星型网络与网状网络的优点，是对两者的一种无缝融合，这种融合是通过在每个网络节点上添加1个路由表，使其具有路由转发能力来实现的。在实际应用中无线Mesh网络具有诸多优点：

1）多信道协商。目的是要选择业务负载小的信道，尽可能地平衡信道负载，减小竞争和退避所浪费的带宽。

2）信道分配。保证网络良好连通性的同时，降低Mesh网络中发生信道冲突的概率，以提升网络效率。与多信道协商技术不同的是，信道分配技术是从信道频率资源划分的角度，分配Mesh网络中多个信道的使用。

3）网络发现。Mesh网络中新节点和邻居节点的发现以及建立相应的信息列表主要使用网络发现技术。网络发现主要是采用网络扫描和列表维护的方式进行。如果发现的邻居节点是新节点，则其可以通过路由表被整个网络发现。

4）路由转发。无线Mesh网络的技术特点和优势表现在其Mesh网状连接和寻路方面，而优秀的路由转发设计则直接决定Mesh网络对其网状连接的利用效率，影响网络的性能。在无线Mesh网络路由协议设计主要有以下优点：首先，不仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而且综合考虑多种性能度量指标，综合评估后进行路由选择；其次，提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时，迅速选择替代链路避免业务提供中断；第三，能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源。

5）Mesh 安全。为了针对性地解决Mesh节点间的双向认证、各跳端到端链路数据流量的机密性和完整性保护、Mesh节点的接入控制和管理，Mesh安全技术采用Mesh安全关联（MSA）的Mesh安全架构。

6）卫星通信扩展接入。现有的卫星通信VSAT系统采用全IP化数据接口，通过交换机可直接实现无线Mesh网络与卫星通信网络联通的多网融合交互。实现卫星通信扩展，仅需将卫星路由器的网络接口并入现有网络，即可扩展实现基于卫星的全天候通信。

同时，Mesh组网也存在着不足之处。网络延迟，在Mesh网络中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延迟，随着无线Mesh网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越大。对一些即时通信的应用，可能面临无法接受的延迟过长的问题；传输距离有限，无线Mesh网络的远距离数据收发要求可视环境，无干扰物，否则会干扰信号的传输，影响网络覆盖范围；网络容量，由于Mesh网络存在转发，每次转发之后速率都会降低，因此需要限制每个网络中节点的数量，所以Mesh网络节点数量尽量不要太多，否则会影响业务质量。

三、海洋渔业中的融合应用

综合卫星通信与Mesh组网的技术特点，针对当前海洋渔业生产的实际问题，融合卫星通信网与Mesh自组网组建海上移动通信平台，建设卫星数字电台通信网络。其利用通信卫星作为中继，连接以无线自组网电台组建的分散的局域网络，通信信号为数字编码调制信号，信号噪声和失真都很小，保密性强，可实现广域范围内的信号覆盖和无缝隙通信。目前，在广东海洋渔业项目建设中已得到应用，并取得较好的实际效果。

在广东省珠江口海域，蕴藏丰富的海砂资源，海砂开采活动呈现密集度高、采砂供应量大、采砂矛盾冲突多发以及盗采频发等特点，海砂执法监管已成为海监执法的重点。为了加大对海砂开采的监管和违法行为的执法力度，迫切需要建设广东省海砂开采视频监控管理系统。对远距离海上作业船舶进行全天候的视频监控，有效提高海监人员对海上作业船只各个环节的监控管理水平，构建一个实时、广泛、全面、精准的海上视频监控网络，为海监执法关键决策提供科学可靠的依据。船舶在海上作业时，流动性和随意性较大，针对船舶动态自适应网络接入需求，系统网络采用Mesh无线自组网结构，实现船舶与船舶之间的自适应组建通信网络。通过安装船载自组网电台、三层交换机、无线路由设备，自动形成链型、星型、随机混合等多种网络拓扑结构。

在融合了卫星通信技术与Mesh无线组网技术组建的广东渔业海上移动通信平台，网络节点涉及监管中心、岸基站、执法船和采砂船等，涉及无线自组网系统、可扩展的卫星通信系统，形成多元结构组网，为广东省海监执法监管系统提供了有效的通信渠道。系统网络拓扑结构如图1所示，具有以下特点：①灵活的节点接入能力。网络具有智能控制和管理功能，可实现应急突发情况下的快速组网以及任意节点的快速接入和退出，同时对其他节点的正常通信不会造成影响。②高度的网络自治能力。在该网络中，不存在中心节点，支持16个节点同频组网，并具有路径自由选择、路由自动管理等功能，保证信息通过最短路径进行传输，并根据节点之间的实时连接状态选择,是否进行接力中继传输和最优接力中继路径。③广泛的网络覆盖范围。节点之间的无线传输可实现视距40～50km的单点传输距离或非视距不低于3km（以视距干涉障碍物具体情况而定）的单点传输距离。④强大的带宽传输能力。网络系统可实现最高6MHz载波宽带，并实现节点之间最高8.9Mbit/s的数据速率，可充分满足多路视频与音频、数据等信息的同时传输，或最低2.5MHz的载波窄带，带宽在节点之间实现按需实时动态分配共享，满足多路音、视频和其他数据的实时传输需求。

通过卫星通信与Mesh组网的综合应用以及海上移动通信平台的建设，为广东渔业海监执法提供了有效的技术支撑和保障，整个系统组网环境稳定，可提供较大带宽，支持对采砂船舶采集的视频信息进行传输、定位信息的回传以及网络节点的无缝接入和退出，同时支持IP电话进行语音交流，为海砂开采提供全方位、一体化的执法决策依据，全面提高海砂开采监管效能，对海洋资源的合理开采具有重大意义。

四、小结

海上移动通信网络对开发海洋资源、提供海上生活与航行的应急保障和其他海上服务具有深远意义，也是继地面网络蓬勃发展的另一个巨大的市场空间。基于卫星通信与Mesh自组网构建海上移动通信网络，目前还处于初级探索阶段，尚需进一步的发展完善。

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